Transcript Az előadáshoz kapcsolódó power point fájl

Az élet keletkezése
Dr. Kun Ádám, Ph.D.
tudományos főmunkatárs
okleveles biológus, okleveles vegyész
ELTE, Növényrendszertani és Ökológiai Tanszék
Bevezetés a biológiába
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Müller Viktor: Az Élet definíciója
Müller Viktor: Az immunrendszer
Kun Ádám: Az Élet keletkezése
Kun Ádám: Anyagcsere
Fedor Anna: Genetika és evolúciógenetika
Gedeon Gábor: Egyedfejlődés és szabályozás
Gedeon Gábor: Egyedfejlődés
Zachár István: Makrotaxonómia és replikátorok
Garay József: Evolúció
Czárán Tamás: Ökológia
Fedor Anna: Neurobiológia
Számadó Szabolcs: Kommunikáció és együttműködés
Számadó Szabolcs: Kultúra
Magamról
 Tanulmányok
– Okleveles biológus, Okleveles vegyész
– PhD ökológia és elméleti biológia
 Kutatás (elméleti biológia)
– Klonális növények ökológiája
– Együttműködés evolúciója
– Élet keletkezése
Magamról
 Oktatás
– Bevezetés a biológiába (BSc)
– Evolúcióbiológia (BSc)
– Biometria (BSc)
– Evolúcióbiológia és zoológia (MSc)
– Általános ökológia (MSc)
– Programozás biológusoknak (BSc-MSc)
Bevezetés a biológusságba
 Kérdezzetek!
 Döntsd el, hogy „mi leszel, ha nagy leszel”
 Gyűjtsetek ismereteket
 Tudjatok angolul
Bevezetés a biológiába
 Az evolúciós gondolkodás biológián belüli
univerzalitásának megmutatása
 Biológiai érdekességek tárgyalása
 A biológia különböző területeinek egymással
való szoros összefüggésse (avagy miért tanulunk
azt is)
 A biológiai vizsgáló módszereket
bemutatása
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
 A tudomány alapfeltevése: A metafizikainak
nincs hatása arra amit vizsgálunk.
Életet teremteni egyszerű…
Életet „élettelenből” előállítani
kevésbé...
Út az élethez – Az összetettség
növekedése
Monomer
Protosejtté integrálás
Makromolekula
Funkció szerzés
Funkció szerzés
Kódolja
Kompartmentalizál
Membrán
Anyagcsere
Enzim
Monomert
állít elő
Indormáció hordozó
templát
Replikál
Monomert állít elő
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
Molekuláktól az első sejtig
Aminosavak – Fehérjék – Enzimek
Nukleotidok – DNS/RNS – Genetika alapjai
Lipidek – Membárnok – Felszínek
RNS Világ
Információ replikáció - Eigen Paradoxona
Az élet kódja: Transzláció A genetikai kód
eredete
 Az utolsó közös ős - Az első protosejt






Aminosavak – Fehérjék Enzimek
Aminosavak
Prebiotikus szintézis
 Kiindulási anyagok elérhetőek prebiotikus
körülmények között
 A szintézis útja elképzelhető prebiotikus
körülmények között
Miller-Urey kísérlet





Metán (CH4)
Ammónia (NH3)
Hidrogén (H2)
Víz (H2O)
Elektromos kisülés
Aminosavak (glicin, szarkozin, alanin)
Makromolekulák: Fehérjék
 Peptid kötés
 Elsődleges szerkezet
(szekvencia)
 Másodlagos és harmadlagos
szerkezet (térszerkezet)
 Prebiotikus körülmények között
nem állnak össze.
Miért kellenek enzimek?
 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
H2N
C
H
CH3
CH3
D-alanin
L-alanin
CHO
H
C
OH
HO
C
H
H
C
H
C
CHO
HO
C
H
H
C
OH
OH
HO
C
H
OH
HO
C
H
CH2OH
D-glükóz
CH2OH
L-glükóz
Enzimek
 Katalizátor (gyors
reakciók)
 Specifikus (kevés
mellékreakció)
 Sztereospecifikus
 Az enzimek ma leginkább
fehérjék.
Enzimkatalízis
 Enzimkatalízis mechanizmusa
– kulcs / zár mechanizmus
– indukált illeszkedés
 Az átmeneti állapotot köti a legjobban
Nukleotidok – DNS/RNS –
Genetika alapjai
Nukleotidok
 Nukleotid =
nukleobázis + ribóz +
foszfát
 DNS/RNS alkotó
elemei
AMP
CMP
GMP
UMP
dTMP
Cukrok
 Számos reakcióút
kiindulásai
 Fő energiaforrás
 Cellulóz
 Keményítő, glikogén
 DNS, RNS lánc váza
D-glükóz
Formóz reakció
CH2O
formaldehid
CH2O
CHO
CH2O
CH2OH
CHO
CH2OH
CHOH
C
CH2OH
glikolaldehid
glicerinaldehid
pentóz
CH2O
CHO
C
O
CHOH
CHOH
CHOH
O
CH2OH
dihidroxiaceton
hexóz
CH2OH
CH2OH
ketotetróz
CH2OH
aldoktetróz
Nukleobázisok
Pirimidin bázisok
Citozin
Uracil
Timin
Purin bázisok
Adenin
Guanin
Cianid polimerizáció
Genetika kémiai alapjai: Bázispárok
 A C-G és a A-U(T)
bázispárok
hidrogéngidakkal
kapcsolódnak
 Minden esetben egy
nagyobb térigényű bázis
(G v. A) van szemben egy
kisebb térigényű bázissal
(C v. U/T)
 DNS / RNS kettősspirál
Makromolekulák: Oligonukleotidok
 40-50 tagú oligomerek montmorillonit agyag
felszíneken előállnak
 Montmorillonit vulkanikus hamuból keletkezik
Lipidek – Membárnok Felszínek
Lipidek




Glicerin + zsírsavak + foszfátcsoport
Hidrofil fej és hidrofób farok
Telített vagy telítetlen zsírsavak
Prebiotikus körülmények között a hosszú egyenes
zsírsavak keletkezése nehézkes.
Membrán kialakulás
A micellák és membránok
autokatalitikusan kialakulnak
Ön-összeszerelődés (self-asembly)
Felületek
 A felületek előnyösek termodinamikailag
 Katalitikus aktivitásuk lehet
 Az ásványi felszínek védhetnek az UV
sugárzástól
 Az ásványi felszínek elősegíthetik a
homokiralitást
 „Szegény ember” kompartmentalizációja
Kompartmentalizáció
 A lipid membrán fontos, mert így elérhető,
hogy a belső és a külső környezet eltérjen:
– Fontos anyagok benntartása (aminosavak, ATP)
– H+ grádiens
– pH, sókoncentráció
 Transzport szükséges!
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
In vitro evolúció
In vitro evolúció
 Az evolúció megértése
 Alkalmazható (eladható) molekulák
kialakítása
Mutáció
Szelekció
 Genetikai diverzitás előállítása
 Szelekció
Genetikai diverzitás
 A diverzitással (hány különböző molekulát
tesztelek) növekszik annak a valószínűsége,
hogy megtalálom, amire szükségem van
 Mutáció: Véletlen, célzott, rekombináció
 Hibára hajlamos PCR (polimerase chain reaction)
Szelekció (indirekt)
 SELEX – Systemic
evolution of ligands
by exponential
enrichment.
 Ligandok
szisztematikus
evolúciója
exponenciális
dúsítással.
Mesterséges evolúcióval előállított
enzimek
SZINTÉZIS
v.
VÉLETLENSZERŰ
MOLEKULÁK
EVOLVÁLÓDOTT
MOLEKULA
•
•
•
•
SZELEKCIÓ
Affinity chromatography
Filter binding
Gel mobility shift
Imunopercipitation
SOKSZOROZÓDÁS
mutagenic PCR
Katalizátorok szelekciója
 Szelekció kötés alapján (indirekt).
 A átmeneti állapotnak megfelelő (vagy azzal
analóg) molekula kötésére szelektálunk.
 „Azt kapjuk, amire szelektáltunk, nem amit
szeretnénk.”
 Ez nem katalizálásra szelektál
Katalizátorok szelekciója II
 Közvetlen szelekcióval olyan molekula, kell,
ami:
– Felismeri a szubsztrátot
– Kialakítja a terméket
– Gyorsítja a reakciót
– Többször használható
In vitro kompartmentalizáció
Módszer




Előállítják a génkönyvtárat
Összekeverik gén expressziós masinériával
1010 csepp/ml, 1 gén/csepp
A cseppből a termék és a gén sem juthat ki,
azok kapcsoltak
In vitro kompartmentalizáció
Szelekció flouresszencia alapján
 A terméknek floureszcensen aktívnak kell
lennie
Mikrofluidika
 Apró cseppekben végeznek minden.
 A cseppek manipulációja megoldható.
– Csepp kialakítás
– Csepp kettőbe vágása / összeolvasztása
– Cseppek rendezése
Ajánlott irodalom
 John Maynard-Smith és Szathmáry Eörs: Az
evolúció nagy lépései. Scientia, Budapest,
1997
 Bálint Miklós: Molekuláris biológia I-II.
Műszaki könyvkiadó, Budapest, 2000
 Ádám Veronika (szerkesztő): Orvosi
biokémia. Semmelweis, Budapest, 1996