Upload
zlhna
View
56
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Az élet eredetének kísérleti eredményei. Könnyű Balázs Ph.D hallgató 1 ELTE , Biológiai Intézet, Növényrendszertani és Ökológiai Tanszék. Hogyan jelent meg az ember? Hogyan jelentek meg az élőlények? - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Az élet eredetének kísérleti eredményei
Könnyű BalázsPh.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
Egysejtű eukarióta
Vírus
Prokariota
Hogyan kezdjünk a problémához?
- keressük meg az élet legegyszerűbb formáit és próbáljuk kitalálni mi a közös bennük!
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.
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
Potenciális (lehetséges) életkritériumok (nem minden élő egységre igaz, de az evolúcióhoz nélkülözhetetlen):
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)ŐslevesŐspizza
Membrán (T)
Információ tároló (replicator) (pV)Hyperciklus
ATLipid Világ
pVARNS Világ
pVTSCM
pVTA
Az első élő sejt
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 építőelemeiA 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:
CH2OCH2O
formaldehid
CHO
CH2OH
CH2OCHO
CHOH
CH2OH
CH2OH
C
CH2OH
OCH2O
CH2OH
C
CHOH
O
CH2OH
CHO
CHOH
CHOH
CH2OH
glikolaldehid glicerinaldehid dihidroxiaceton
pentóz hexóz
ketotetróz aldoktetróz
Ősleves elmélet
• 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…
Miller kísérletei és hasonló kísérletek alapján született meg az elképzelés:
Még ha ki is alakulnak komplex reakció-hálózatok, amelyek előállítanak minden szükséges molekulát, enzimek hiányában az oldal reakciók „megölik” a rendszert.
Az Ősleves problémai I.
Az élet építőköveiA monomerek és makromolekulák
prebiotikus szintézise
Funkció Monomer Makromolekula
katalizátor (enzim)
aminosav 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!)
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 II.
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!
Az Ősleves problémai III.
Kiszáradó lagúnákban lokális koncentráció növekedés.
(???Panspermia???)
Sok fontos biomolekula nem szintetizálódik meg azonos körülmények között.
Hogyan lehetne azt a két merőben különböző környezetet „egyesíteni”, hiszen mind a C + D mind a G + H szükséges építőelem?
A +B C +D
pH<7
pl.: aminosavak
E +F G +H
pH>7
pl.: membrán alkotó és cukrok
Az Ősleves problémai IV.
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 L-aminosavak és D-cukrok vannak jelen (stereospecifitás).
Hogyan tűnt el az egyik fajta forma teljesen?
Az Ősleves problémai V.
Számos biokémiai reakció valójában kondenzáció, azaz vízkilépéssel járó kémia reakció.
Hogyan képződhet végtermék-gátlás nélkül polipeptid (fehérje) vagy polinukleotid (RNS, DNS)?
Az Ősleves problémai VI.
glicin alanin
Peptid kötés
ALANIN
H
H
H
GLICIN
+H
H
H
HN C
H
C
CO
OHOH
O
C
H
H
CN NH
HC
H
H
C
O
N
H
C
H
C
CO
OH
H HH
+ OH
H
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
Bizonyíték: a mai biomolekulák többsége negatív töltésű kémiai csoportokat hordoz (pl.: foszfát, karbonát)
a felület-kötött molekulák közötti reakciók kevésbé terheltek az ősleves problémáival
Az Őspizza I.
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 felületnek erőteljes katalizáló hatása van (vö.: szervetlen katalizátorok, enzimek)!
A felület kötött szubsztrátok lokális koncentráció növekedés miatt megnő az ütközések száma, ami a kémiai reakciók gyakoribb lefolyásához vezet.
Az Őspizza II.
• Katalizátor (gyors reakciók)
• Specifikus (kevés mellékreakció)
• Stereospecifikus
• Az enzimek ma leginkább fehérjék.
A felület képes kiválogatni a L- ill. D-formájú molekula párok közül az egyiket.
Az Őspizza III.
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!!!
Elősegíti a vízkilépésel járó biokémiai (kondenzációs) reakciókat.Oldatban:
A + B = C + DMozgási szabadsági fokok:
3 3 3 3
Felülethez kötötten:
A + B = C + D
Mozgási szabadsági fokok:2 2 2 3
A rendezetlenség mértéke (entrópia) nő!
Az Őspizza IV.
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
ÖsszefoglalásŐsleves 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.