Transcript Az Élet Keletkezése - ELTE Növényrendszertani, Ökológiai és

Természet Világa
Az élet keletkezése
Dr. Kun Ádám, Ph.D.
tudományos főmunkatárs
okleveles biológus, okleveles vegyész
ELTE, Növényrendszertani és Ökológiai Tanszék
A megfejtetlen rejtély: az élet
keletkezése
 Tudjuk, hogy van élet
 Ha találunk egy utat, akkor sem lehetünk
biztosak benne, hogy azt az utat járta be az
Élet
Életet teremteni egyszerű…
Életet „élettelenből” előállítani
kevésbé...
Az élethez vezető út
1. Kémiai sokféleség kialakulása
2. Sokszorozódás kialakulása, kémiai evolúció
3. Templát alapú replikáció
4. Templát vezérelt anyagcsere
5. Protosejt
Joyce 2002 Nature 418:214
Út az élethez – Az összetettség
növekedése
Monomer
Protosejtté integrálás
Makromolekula
Funkció szerzés
Funkció szerzés
Kódolja
Elhatárol
Membrán
Anyagcsere
Enzim
Alapegységet
állít elő
Információ hordozó
molekula
Replikál/Másol
Alapegységet állít elő
Kémiai sokféleség kialakulása
Avagy hogyan lehet hihető
prebiotikus szintézissel előállni a
fontos molekulákra
Prebiotikus szintézis
 Kiindulási anyagok elérhetőek prebiotikus
körülmények között (azaz csak olyan
anyagokkal dolgozhatunk, ami jelen volt
akkor a Földön)
 A szintézis útja elképzelhető prebiotikus
körülmények között (azaz olyan
körülmények között játszódhat a reakció,
ami reális, például tömény kénsavas közeg,
van szerves oldószer nem)
Funkció – kémiai sajátság ma
Funkció
Monomer
Makromolekula
katalizátor
(enzim)
aminosav
fehérje
információ
hordozó
nukleotid
(bázis, cukor)
DNS / RNS
membrán
zsírsavak
micella, lipid
vezikulum
Aminosavak - Miller-Urey kísérlet





Metán (CH4)
Ammónia (NH3)
Hidrogén (H2)
Víz (H2O)
Elektromos kisülés
Aminosavak (glicin, szarkozin, alanin)
Formóz reakció
CHO
CH 2 O
CH 2 O
CHO
CH 2 OH
CH 2 O
CHOH
C
formaldehid
glikolaldehid
glicerinaldehid
pentóz
CHO
C
O
CHOH
CHOH
CHOH
CH 2 OH
CH 2 OH
ketotetróz
aldoktetróz
O
CH 2 OH
CH 2 OH
CH 2 O
CH 2 OH
CH 2 OH
dihidroxiaceton
hexóz
Cianid polimerizáció
Makromolekulák
 Peptidek nem keletkeznek az
aminosavakból (max. dipeptidek)
 Nukleotidok nem állnak össze (na ez azért
gyorsan megoldódhat), viszont nukleotidokból
oligomerek igen.
 Lipidek összeállnak vezikulákká,
micelláká! De magunak a lipideknek a
keletkezése nem megoldott
Makromolekulák: Oligonukleotidok
 40-50 tagú oligomerek montmorillonit agyag
felszíneken előállnak
 Montmorillonit vulkanikus hamuból keletkezik
Membrán kialakulás
A micellák és membránok
autokatalitikusan kialakulnak
Ön-összeszerelődés (self-asembly)
Az élet építőkövei
A monomerek és makromolekulák
prebiotikus szintézise
Funkció
katalizátor
(enzim)
Monomer
aminosav
Makromolekula
fehérje
?
információ
hordozó
nukleotid
(bázis, cukor)
?
zsírsavak
?
DNS / RNS
membrán
micella, lipid
vezikulum
Funckió?
Szép, hogy vannak molekuláink,
de mire jók?
A mai molekulák jók arra amire
használjuk őket, de ez nem biztos,
hogy csak ők jók
Mire van szükségünk?
Anyagcsere
Katalizátorok
Előálljon minden amire
szükségünk van.
Kémiailag sokfélét
ismerünk. Ásványi felszínek
Kompartmentalizáció
Felületek
Amit előállítottunk az ne
menjen el.
Ásványi felszínek
 A felületek előnyösek termodinamikailag
 Katalitikus aktivitásuk lehet
 Az ásványi felszínek védhetnek az UV
sugárzástól
 Az ásványi felszínek elősegíthetik a
homokiralitást
Miért kellenek katalizátorok?
 Reakciók lassúak (pl. vízkilépés, CO2 megkötés)
– Gyorsabbnak kell legyen a lebomlásnál
– Térszerkezeti problémák
 Reakciók nem specifikusak (rengeteg
mellékreakció is végbemegy)
 Nem sztereospecifikusak, racém keletkezik
Racém, kiralitás
 Számos molekula királis,
azaz két változata van,
amely fedésbe nem
hozható, hasonlóan a két
kezünkhöz.
 A két enantiomer biológiai
hatása eltérő lehet
 Racém monomerből nem
lehet „rendes” polimert
előállítani.
COOH
COOH
H
C
NH2
H 2N
C
H
CH3
CH3
D-alanin
L-alanin
C HO
C HO
H
C
OH
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
HO
C
H
C H 2O H
D-glükóz
C H 2O H
L-glükóz
1. Kémiai sokféleség kialakulása
2. Sokszorozódás kialakulása, kémiai
evolúció
3. Templát alapú replikáció
4. Templát vezérelt anyagcsere
5. Protosejt
Az RNS Világ
A DNS / fehérje világ előtt…
Ma élő élőlényekben
 Az információDNS-ben
tárolódik
 Fehérjék az enzimek
Kódolja
Fehérje
DNS
Replikál
Monomert állít elő
… egy RNS világ volt
RNS enzimként is működhet és
információt is tárolhat!
Replikálódik, hogy enzimet kapjunk
RNS
RNS
Reakciókat katalizál, monomert állít elő
DNS stabilabb és a fehérjék jobb enzimek
RNS világra utaló körülmény a mai
szervezetek biokémiájában I
Természetes RNS enzimek (ribozim)
Mindegyik RNS hasítást katalizál
–
–
–
–
–
–
–
I. Csoportbeli intronok
II. Csoportbeli intronok
RNáz P
Kalapácsfej
Hajtűhurok
Hepatitis Delta Vírus
Neurospora Varkund Satelite RNA
Joyce, G. (2002) Nature 418:214-221 alapján
RNS világra utaló körülmény a mai
szervezetek biokémiájában II: Koenzimek
 Koenzimek: valamilyen
specifikus kémiai csoport
átadásában résztvevő
metabolitok (rengeteg
reakcióban)
– Acetil koenzim A (koenzim
A): acetyl csoport
– NADH, FADH2 (NAD+, FAD):
hidrogén és elektron
– ATP (ADP): nagyenergiájú
foszfát
ATP
NADP
NAD
FAD
CoA
RNS világra utaló körülmény a mai
szervezetek biokémiájában III: Transzláció
 mRNS
 tRNS
 riboszóma
A DNS  fehérje „átmentet” (transzláció) RNS közvetítésével történik
Riboszómában a peptidil transzfert egy ribozim végzi!
Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB, Steitz TA. 2000. Science 289: 920
RNS világ lehetőségei:
 RNS szintézis: Nukleotid képzés pirimidinből és aktivált ribózból;
Polinukleotidok 5’ foszforilációja; 5’ foszfát aktiválása 5’,5’ pirofoszfát
kötött nukleotid kapcsolással; Ligáz aktivitás;
 Legjobb szintetáz kb. 200 bázis hosszú és 14 nuklotidot
tud egy templát alapján hozzákapcsolni egy oligonukleotid
lánchoz 97.5%-os másolási hűséggel.
 Protein szintézis: Minden lépés megoldható. Aminosavak aktiválása
(sokféle aminoaciláció); Peptid kötés kialakítás (peptidil transzfer)
 Membrán transzfer
 Redoxi reakciók (NAD függő alkohol dehidrogenáz)
 Egyéb reakciók (amid kötés bontás, alkiláció, porfirin metiláció, kén
alkiláció, Diels-Alder cikloaddíció, amid kötés kialakítás, hidas bifenil
izomeráció)
Replikáció
 Fejlesztett Bartel I
ligáz
 20 nukleotid templát
alapú hozzáadását
képes katalizálni
 Másolási pontosság
0.967/bázis
RNS Világ fejlődése
Oligo-nukleotidok
ásványi felszínen
Nukleotidok
ACGUGCUGAGCAU
UACACGACUCGUA
Replikáció
szál szétvállás
pontosság
IV
RNS
3’
Kompartmentalizáció
Anyagcsere
Fehérje szintézis
Replikáz
V
690

680

c
U
a uGaAauuG-U-CguAgCAGU G
||||||||| A
u ||||||||
GUaUUGUCA u G
g aCuUuaaC

C
U
710

670
G
U
700
C-G U U A
C-G
III
A-U A
660 C-G
U-A720
730
640
650
740


 A

A C-GGCUAA GUG-A-CGGuAuUggc
g
5’ gcgguaguaaGc AgG A
|||||| |||
||| |||
|||||||||| u
cguuCg-CcC GAACACGA CAC GACGUUaUgAcug a a


uaagag


780
770
II
760
750
VI
Ribozimok
Információ replikáció
Eigen Paradoxona
Információ replikáció
 A replikáció nem hibátlan (főleg nem replikáz
és javító mechanizmusok nélkül)
 A másolás pontossága korlátozza a fenntartható
információ hosszát.
 Mekkora információ (milyen hosszú RNS szál)
tartható meg adott másolási pontosság mellett?
„Replikáció” egy példája
RNS
RNS
RNS
RNS
RNS
RGS
RNS
RNS
RNS
RNX
RNS
RNS
RNH
DNM
RNS
RNS
RNS
RQS
RNS
RNJ
RPS
VILÁG
VILÁF
VILÁG
VILÁL
IDLYG
VILÁG
VILÁG
KILLG
VILÁG
VILÁG
VIJÁG
VELÁG
VILUG
VILÁG
VILHG
VILÁG
VILÁG
VILWG
VILÁG
VILÁG
VRLÁG
HIPOTÉZIS
EIPKTYSII
HIPEXÉSIS
HIPOTÉZIS
HIPOTÉZIS
HIPETÉZKS
HIYOTÉZIS
HIPOTÉZIS
HIPOTÉZIS
HIPOTÉZIS
HIPOTÉZIS
HIPOTÉZIS
HIPOSÉZIS
HIPOTÉZIZ
HTPOTÉZIS
CIPOTÉZIS
HIPOTÉGIA
HIPOXLZIS
HIPXTÉZIS
HIPOTÉZIS
HIPUTÉZIS
Eigen Pradoxona és a hibaküszöb
Nincs enzim nagy genom nélkül, és nincs nagy genom
enzim nélkül
N 
N
ln s
1  q 
hossz
lns a mesterkópia
szelekciós fölénye
q
másolási
pontosság
Swetina és Schuster 1998 alapján
Szekvencia vs. Szerkezet
Átíródik
A szekvenciát kell
megtartani
DNS
fehérje
ATCGTCTGTCGGCGAT
Mutáns:
GCATGACTCATATGC
rátermettség 0
Structure has to
be maintained
RNS
AUCGUCUGUCGGCGAU
RNS
Mutáns:
GCAUGACUCAUUAUGC
Azonos rátermettség
RNS szerkezet
Az enzimaktivitás a szerkezettől függ
A ribozim fenotípusa a szerkezete
Kevesebb szerkezet van, mint szekvencia
Egy kevés mutáció általában nem változtatja
meg a szerkezetet
 Szerkezet könnyebben fenntartható, mint a
szekvencia. (fenotipikus hibaköszöb)




Az utolsó univerzális
közös ős
Milyen lehetett az első élő sejt?
Transzláció és a genetikai kód eredete
 Fehérjék jobb katalizátorok (4 kémiailag
hasonló bázis vs. 20 kémiailag sokféle
aminosav)
 Mivel az RNS központi szerepet játszik a
transzlációban, így valószínűleg az RNS
világban „találták fel”
Néhány tény a genetikai kódról
 Közel univerzális
 Redundáns
 Miért triplet?
– A triplet optimális a reverzibilis kapcsolódáshoz
 Miért 20 aminosav?
– Az enzim sokféleség növekszik a több
aminosavval, de a mutációs robusztusság
csökken.
 A kód optimálizált mutációs robosztusságra
Protosejt
 Replikáció
 Komplex anyagcsere
 Membrán / Kompartmentalizáció
evolúció
?
Az utolsó univerzális közös ős
 mRNS proofreading és javítás minden
élőlényben azonos. A transzláció és a
transzkripció is.
 DNS proofreading és javítás nem!
 LUCA-nak RNS genomja volt!
A megfejtetlen rejtély
nukleotidok
Oligo-nukleotidok
ásványi felszínen
RNS
ribozimok
IV
V
690

680

c
U
a uGaAauuG-U-CguAgCAGU G
||||||||| A
u ||||||||
aCuUuaaC
GUaUUGUCA
g
uG

C U710

670
G
U
700
A
C-G U U
C-G
III
A-U A
660 C-G
U-A720
730
640
650
740


 A

A C-GGCUAA GUG-A-CGGuAuUggc
g
5’ gcgguaguaaGc AgG A
u
|||||| |||
||| |||
||||||||||
cguuCg-CcC GAACACGA CAC GACGUUaUgAcug a a



3’ uaagag

780
770
II
760
750
VI
A megfejtetlen rejtély
Kódolja
Membrán
fehérje
monomert
állít elő
DNS
RNS
replikálja
monomert állít elő
Köszönöm a figyelmet!