Term észet Világa

1. Természet Világa

2. Az élet keletkezése Dr. Kun Ádám, Ph.D. tudományos főmunkatárs okleveles biológus, okleveles vegyész ELTE, Növényrendszertani és Ökológiai Tanszék

3. 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

4. Életet teremteni egyszerű…

5. Életet „élettelenből” előállítani kevésbé...

6. Az élethez vezető út • Kémiai sokféleség kialakulása • Sokszorozódás kialakulása, kémiai evolúció • Templát alapú replikáció • Templát vezérelt anyagcsere • Protosejt Joyce 2002 Nature 418:214

7. Makromolekula Funkció szerzés Út az élethez – Az összetettség növekedése Monomer Protosejtté integrálás

8. Kódolja Elhatárol Replikál/MásolAlapegységet állít elő Alapegységetállít elő Funkció szerzés Anyagcsere Enzim Információ hordozómolekula Membrán

9. Kémiai sokféleség kialakulása Avagy hogyan lehet hihető prebiotikus szintézissel előállni a fontos molekulákra

10. 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)

11. Funkció – kémiai sajátság ma

12. Aminosavak - Miller-Urey kísérlet • Metán (CH4) • Ammónia (NH3) • Hidrogén (H2) • Víz (H2O) • Elektromos kisülés Aminosavak (glicin, szarkozin, alanin)

13. Formóz reakció

14. Cianid polimerizáció

15. 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

16. Makromolekulák: Oligonukleotidok • 40-50 tagú oligomerek montmorillonit agyag felszíneken előállnak • Montmorillonit vulkanikus hamuból keletkezik

17. Membrán kialakulás A micellák és membránok autokatalitikusan kialakulnak Ön-összeszerelődés (self-asembly)

18. Az élet építőköveiA monomerek és makromolekulák prebiotikus szintézise

19. Funckió? Szép, hogy vannak molekuláink, de mire jók? A mai molekulák jók arra amire használjuk őket, de ez nem biztos, hogy csak ők jók

20. Mire van szükségünk? • A felületek előnyösek termodinamikailag • Katalitikus aktivitásuk lehet • Az ásványi felszínek védhetnek az UV sugárzástól • Az ásványi felszínek elősegíthetik a homokiralitást

21. 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

22. 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. D-alanin L-alanin D-glükóz L-glükóz

23. Kémiai sokféleség kialakulása • Sokszorozódás kialakulása, kémiai evolúció • Templát alapú replikáció • Templát vezérelt anyagcsere • Protosejt

24. Az RNSVilág

25. Kódolja ReplikálMonomert állít elő A DNS / fehérje világ előtt… Ma élő élőlényekben • Az információDNS-ben tárolódik • Fehérjék az enzimek Fehérje DNS

26. Replikálódik, hogy enzimet kapjunk RNS RNS Reakciókat katalizál, monomert állít elő … egy RNS világ volt RNS enzimként is működhet és információt is tárolhat! DNSstabilabb és a fehérjék jobb enzimek

27. 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

28. ATP RNS világra utaló körülmény a mai szervezetek biokémiájában II:Koenzimek NADP FAD • 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 CoA NAD

29. 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

30. 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)

31. Replikáció • Fejlesztett Bartel I ligáz • 20 nukleotid templát alapú hozzáadását képes katalizálni • Másolási pontosság 0.967/bázis

32. Oligo-nukleotidokásványi felszínen RNS Világ fejlődése Replikációszál szétvállás pontosság Nukleotidok ACGUGCUGAGCAU UACACGACUCGUA RNS Ribozimok Replikáz Anyagcsere Kompartmentalizáció Fehérje szintézis

33. Információ replikációEigen Paradoxona

34. 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?

35. „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

36. Eigen Pradoxona és a hibaküszöb Nincs enzim nagy genom nélkül, és nincs nagy genom enzim nélkül N hossz lnsa mesterkópia szelekciós fölényeq másolási pontosság Swetina és Schuster 1998 alapján

37. A szekvenciát kellmegtartani Mutáns: rátermettség 0 Structure has tobe maintained RNS RNS Mutáns: AUCGUCUGUCGGCGAU Azonos rátermettség Szekvencia vs. Szerkezet Átíródik DNS fehérje GCATGACTCATATGC ATCGTCTGTCGGCGAT GCAUGACUCAUUAUGC

38. RNSszerkezet • 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)

39. Az utolsó univerzális közös ős Milyen lehetett az első élő sejt?

40. 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”

41. 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

42. evolúció Protosejt • Replikáció • Komplex anyagcsere • Membrán / Kompartmentalizáció ?

43. 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!

44. Oligo-nukleotidokásványi felszínen nukleotidok A megfejtetlen rejtély RNS ribozimok

45. Kódolja replikáljamonomert állít elő monomertállít elő A megfejtetlen rejtély fehérje DNS RNS Membrán

46. Köszönöm a figyelmet!