Transcript ppt - ELTE Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai

Az élet eredetének kísérleti
eredményei
Könnyű Balázs
Ph.D hallgató
1ELTE,
Biológiai Intézet, Növényrendszertani és Ökológiai
Tanszék
Hogyan jelent meg az ember?
Hogyan jelentek meg az élőlények?
Teremtették a csillagokat, a bolygókat, az
életet vagy természeti törvények hozták létre
őket?
És egyébként…
Mi az élet?
El tudjuk-e dönteni minden objektumról
egyértelműen, hogy él-e?
ÉLŐ
NEM ÉLŐ
ÉLŐ
NEM ÉLŐ
Hogyan kezdjünk a problémához?
- keressük meg az élet legegyszerűbb formáit és próbáljuk kitalálni mi a
közös bennük!
Vírus
Egysejtű eukarióta
Prokariota
Élet kritériumok I.
Reális (abszolút) életkritériumok (minden élőlényre igaz):
1. Inherens (belső lényegből fakadó) egység: „az egység (…) elemeinek
nem egyszerű uniója, hanem új egység, amely (…) új minőségi
tulajdonságaokat hordoz”.
2. Anyagcsere: anyag és E lép a rendszerbe, ott átalakul majd a hulladék
anyagok elhagyják a rendszert.
3. Stabilitás: a rendszer belső folyamatainak olyan speciális szerveződési
módja, amely lehetővé teszi a rendszer folyamatos működését és a
külső környezet változásainak ellenére is állandó marad
(~homeosztázis).
4. Információhordozó alrendszer: a teljes rendszer felépítéséről
5. Szabályozottság és vezéreltség: a folyamatok szabályozottak (vö.
enzimek) de bizonyos folyamatok vezéreltek (vö. egyedfejlődés).
Élet kritériumok II.
Potenciális (lehetséges) életkritériumok (nem minden élő
egységre igaz, de az evolúcióhoz nélkülözhetetlen):
1. Növekedés és szaporodás*: egysejtűeknél a szaporodás egy része a
növekedés de többsejtűeknél a szaporodás a növekedés közvettet
módon kapcsolódnak.
2. Öröklődő változatosság*: az egyedet felépítő információ nem
pontosoan adódik át az utódba.
3. Halandóság: biogeokémiai ciklusok.
* ez evolúció egysége
Az élő (sejt) minimál modellje
Gánti Tibor : Az élet principiuma. 1978.,Gondolat, Budapest
Ai: anyagcsere alrendszer
(autokatalitikus)
pV: információ-tároló
alrendszer (vö.: DNS)
(autokatalitikus)
Tm: határoló (membrán)
alrendszer
(autokatalitikus)
Autokatalizis:
A + B = 2A + C
INFRABIOLÓGIA
Anyagcsere (A)
Ősleves
Őspizza
AT
Lipid Világ
pVTA
Membrán (T)
Információ tároló
(replicator) (pV)
Hyperciklus
pVA
RNS Világ
Az első
élő sejt
pVT
SCM
Szathmáry E. alapján, 2007
A minimál modellhez hasonló objektum és az azt
felépítő anyagokat létrejöttét kétféle módon
vizsgálhatjuk:
•Kísérletes megközelítés
•Elméleti megközelítés
mai alkalom
Az élet építőelemei
A monomerek és makromolekulák
szintézise
A monomerek és makromolekulák
prebiotikus szintézise
Funkció
Monomer
Makromolekula
katalizátor
(enzim)
aminosav
fehérje
információ
hordozó
nukleotid
(bázis, cukor)
DNS / RNS
membrán
zsírsavak
micella, lipid
vezikulum
Miller-Urey kísérlet
•
•
•
•
•
Metán (CH4)
Ammónia (NH3)
Hidrogén (H2)
Víz (H2O)
Elektromos kisülés
Eredmény: cukor, aminosav,
N-tartalmú
heterociklusos
vegyületek
(mindaz ami megtalálható az
élő sejtben)
A Miller-Urey féle kísérletek kémiai háttere I.
Hidorgéncianid addíciós reakció:
A Miller-Urey féle kísérletek kémiai háttere I.
Formóz reakció:
CH2O
formaldehid
CH2O
CHO
CH2O
CH2OH
glikolaldehid
CHO
CH2OH
CHOH
C
CH2OH
CH2OH
glicerinaldehid
pentóz
CH2O
CHO
C
O
CHOH
CHOH
CHOH
O
dihidroxiaceton
hexóz
CH2OH
CH2OH
ketotetróz
CH2OH
aldoktetróz
Ősleves elmélet
Miller kísérletei és hasonló kísérletek alapján született meg az
elképzelés:
• Az ősi Föld légköre kezdetbe redukáló gázelegyből állt (metán,
ammónia stb.)
• A gázelegy elemei villámlások által reakcióba lépetek egymással
• Az ősóceánba oldódtak és még változatosabb biológiailag fontos
molekulák jöttek létre, amelyek közül egyesek képesek autokatalitikus
módon gyarapodni (vö. formoz reakció)
• A változatos biomolekulákból létrejött önszerveződéssel az első sejt
Szép, de vannak problémák…
Az Ősleves problémai I.
Még ha ki is alakulnak komplex reakció-hálózatok, amelyek
előállítanak minden szükséges molekulát, enzimek hiányában
az oldal reakciók „megölik” a rendszert.
Az élet építőkövei
A monomerek és makromolekulák
prebiotikus szintézise
Funkció
katalizátor
(enzim)
Monomer
aminosav
Makromolekula
fehérje
?
információ
hordozó
nukleotid
(bázis, cukor)
DNS / RNS
?
membrán
zsírsavak
?
micella, lipid
vezikulum
Az Ősleves problémai II.
Az őslégkör korentsem biztos, hogy redukáló volt, azaz
nem biztos, hogy csak metán és ammónia volt benne.
Bizonyíték: ősi kőzetekben találtak eloxidálódott vasat,
ami az őslégkör semlegességére ill. enyhén oxidatív
jellegére utal.
Abban mindenki egyetért hogy a mai 21 V/V% O2
biológiai eredetű, de abiotikus folyamatok révén
megjelenhetett 1-2 V/V% O2 (az anaerob baktériumokat
nem gátolja!)
Az Ősleves problémai II.
Új kísérlet: Miller-féle kísérletek megismétlése
semleges v. oxidatív gázeleggyel (N2, H2O és
CO/CO2). A CO2 gátolja a HCN képződést!
Eredmény: az eredeti kísérlethez hasonlóan sokféle
biomolekula.
Az Ősleves problémai III.
Az ősleves túlságosan híg oldat, kevés molekulát
tartamazhatott.
A
biomolekulák
származhatnak
meteoritokból
és
üstökösökből is, amelyek a Földre érkeztek kb. 4 milliárd
évvel ezelőtt. A csillagközi porban találtak szerves
molekulákat!
(???Panspermia???)
Kiszáradó lagúnákban lokális koncentráció növekedés.
Az Ősleves problémai IV.
Sok fontos biomolekula nem szintetizálódik meg
azonos körülmények között.
A +B
C +D
E +F
G +H
pH<7
pH>7
pl.: aminosavak
pl.: membrán alkotó és cukrok
Hogyan lehetne azt a két merőben különböző környezetet
„egyesíteni”, hiszen mind a C + D mind a G + H szükséges
építőelem?
Az Ősleves problémai V.
Miller-féle kísérletekben mind L-, mind D-formájú aminosavak és
cukrok létrejönnek, amelyek egymás polimerizációját keresztbe
gátolják.
Ma viszont az összes élőlényben (kevés kivételtől eltekintve) csak Laminosavak és D-cukrok vannak jelen (stereospecifitás).
Hogyan tűnt el
az egyik fajta
forma teljesen?
Az Ősleves problémai VI.
Számos biokémiai reakció valójában kondenzáció, azaz
vízkilépéssel járó kémia reakció.
Peptid kötés
H
H
H
N
C
O
C
+
OH
H
GLICIN
H
H
N
H
H
C
C
O
H
H O
H
N C C N C C
C
H
ALANIN
glicin
H
OH
H
H
H C
H H H
H
O
OH
+ O
H
alanin
Hogyan képződhet végtermék-gátlás nélkül
(fehérje) vagy polinukleotid (RNS, DNS)?
polipeptid
A fenti kémiai problémák miatt el kell vetnünk az ősleves
elméletet.
A fenti kémiai problémák miatt el kell vetnünk az ősleves
elméletet.
Új elmélet:
Őspizza
a molekulák a pozitív töltésű pirit felszínhez kötődnek és
magas hőmérsékleten (~250°C) valamint nagy nyomáson
(~200MPa) szerves molekulák képződnek szervetlenekből
kémiai energia segítségével (kemoautrófia):
Energia forrás:
FeS + H2S = FeS2 +H2
Szénforrás: CO vagy CO2
Az Őspizza I.
Bizonyíték: a mai biomolekulák többsége negatív töltésű
kémiai csoportokat hordoz (pl.: foszfát, karbonát)
a formóz reakció működik cukor foszfátokkal a felszínen,
neutrális pH-n (az eredeti erősen lúgos közegben működött
csak!).
a felszínen a gyenge elektrosztatikus kötés miatt a molekulák
vándorolhatnak
a felület-kötött molekulák közötti reakciók kevésbé terheltek
az ősleves problémáival
Az Őspizza II.
A felületnek erőteljes katalizáló hatása van (vö.: szervetlen
katalizátorok, enzimek)!
• Katalizátor (gyors reakciók)
• Specifikus (kevés
mellékreakció)
• Stereospecifikus
• Az enzimek ma leginkább
fehérjék.
A felület kötött szubsztrátok lokális koncentráció növekedés
miatt megnő az ütközések száma, ami a kémiai reakciók
gyakoribb lefolyásához vezet.
Az Őspizza III.
A felület képes kiválogatni a L- ill. D-formájú molekula
párok közül az egyiket.
Kalcium karbonát kristályon több különböző felületi struktúrát
azonosítottak, amelyek a racém elegy különböző
komponenseit különböző képen kötik.
Az eantiomerek különböző számú -OH csoporttal kötődnek a
felszínhez, így a sebességük a felszínen különböző.
Nincs még igazán jó magyarázat a homokiralitásra!!!
Az Őspizza IV.
Elősegíti a vízkilépésel járó biokémiai (kondenzációs)
reakciókat.
Oldatban:
A
+
B
=
C
+
D
Mozgási szabadsági fokok:
3
3
3
3
Felülethez kötötten:
A
+
B
Mozgási szabadsági fokok:
2
2
=
C
2
+
D
3
A rendezetlenség
mértéke (entrópia)
nő!
Az Őspizza V.
Agyagásvány felszínen nukleotidok is és aminosavak is
könnyebben polimerizálódnak (kb. 50 tagú polimerekig). Sőt a
nukleotidok a 3’-5’ kapcsolódást is jobban preferálják a
felszínen mint oldatban ahol gyakoribb a 2’-5’ kapcsolódás.
polimerizáció
hidrolízis
Összefoglalás
Ősleves elmélet
• sokféle biomolekula
• kémiailag nehezen
elképzelhető
Őspizza elmélet
• kevesebb fajta
biomolekula
• kémiailag realisztikusabb
Őspalacsinta elmélet
Sokféle molekula képződött az őslégkör-ősleves rendszerben, amelyek
aztán felülethez kötődtek és bonyolult biomolekulákká (DNS, RNS,
fehérje stb.) alakultak.