Az élet keletkezéseAz élet keletkezéseDr. Dr. Kun Ádám, Ph.D.Kun Ádám, Ph.D.
ttudomudományos főmunkatársányos főmunkatársokleveles biológus, okleveles vegyészokleveles biológus, okleveles vegyész
ELTE, Növényrendszertani és Ökológiai Tanszék
A megfejtetlen rejtély: az élet A megfejtetlen rejtély: az élet keletkezésekeletkezése
Tudjuk, hogy van életTudjuk, hogy van élet Ha találunk egy utat, akkor sem lehetünk Ha találunk egy utat, akkor sem lehetünk
biztosak benne, hogy azt az utat járta be az biztosak benne, hogy azt az utat járta be az ÉletÉlet
Út az élethezÚt az élethez – – Az összetettség Az összetettség növekedésenövekedése
Monomer Makromolekula
Funkció szerzésProtosejtté integrálás
Funkció szerzésFunkció szerzés
AnyagcsereAnyagcsereEnzimEnzim
Indormáció hordozóIndormáció hordozótempláttemplát
Kódolja
ReplikálMonomert állít elő
MembrMembráánn
Monomertállít elő
Kompartmentalizál
A monomerek és makromolekulák A monomerek és makromolekulák prebiotikus szintéziseprebiotikus szintézise
FunkcióFunkció MonomerMonomer MaMakromolekulakromolekula
katalizátorkatalizátor (en(enzimzim))
aaminominosavsav fehérjefehérje
információ információ hordozóhordozó
nnuukkleotidleotid(b(bázisázis, , cukorcukor))
DNDNSS / RN / RNSS
membrmembráánn zsírsavakzsírsavak micella, lipid micella, lipid vezikulumvezikulum
Molekuláktól az első sejtigMolekuláktól az első sejtig Aminosavak – Fehérjék – EnzimekAminosavak – Fehérjék – Enzimek Nukleotidok – DNS/RNS – Genetika alapjaiNukleotidok – DNS/RNS – Genetika alapjai Lipidek – Membárnok – FelszínekLipidek – Membárnok – Felszínek RNS VilágRNS Világ Információ replikáció - Eigen Paradoxona Információ replikáció - Eigen Paradoxona Az élet kódja: Transzláció A genetikai kód Az élet kódja: Transzláció A genetikai kód
eredeteeredete Az utolsó közös ős - Az első protosejtAz utolsó közös ős - Az első protosejt
Aminosavak – Fehérjék - Aminosavak – Fehérjék - EnzimekEnzimek
AminosavakAminosavak
Prebiotikus szintPrebiotikus szintézisézis
Kiindulási anyagok elérhetőek prebiotikus Kiindulási anyagok elérhetőek prebiotikus körülmények közöttkörülmények között
A szintézis útja elképzelhető prebiotikus A szintézis útja elképzelhető prebiotikus körülmények közöttkörülmények között
Miller-Urey kísérletMiller-Urey kísérlet
Metán (CHMetán (CH44)) Ammónia (NHAmmónia (NH33)) Hidrogén (HHidrogén (H22)) Víz (HVíz (H22O)O) Elektromos kisülésElektromos kisülés
Aminosavak (glicin, szarkozin, alanin)Aminosavak (glicin, szarkozin, alanin)
Makromolekulák: Makromolekulák: FehérjékFehérjék
Prebiotikus körülmények között Prebiotikus körülmények között nem állnak össze.nem állnak össze.
Nukleotidok – DNS/RNS – Nukleotidok – DNS/RNS – Genetika alapjaiGenetika alapjai
NukleotidokNukleotidok
Nukleotid Nukleotid == nukleobázis + ribóz + nukleobázis + ribóz + foszfátfoszfát
DNS/RNS alkotó DNS/RNS alkotó elemeielemei
GMPGMP
AMPAMP
dTMPdTMPUMPUMPCMPCMP
Formóz reakcióFormóz reakció
CH2OCH2O
formaldehid
CHO
CH2OH
CH2OCHO
CHOH
CH2OH
CH2OH
C
CH2OH
OCH2O
CH2OH
C
CHOH
O
CH2OH
CHO
CHOH
CHOH
CH2OHglikolaldehid glicerinaldehid dihidroxiaceton
pentóz hexóz
ketotetróz aldoktetróz
NukleobázisokNukleobázisok
Citozin Uracil Timin Adenin Guanin
Pirimidin bázisok Purin bázisok
Cianid polimerizációCianid polimerizáció
Genetika kémiai alapjai: Bázispárok Genetika kémiai alapjai: Bázispárok
A C-G és a A-U(T) A C-G és a A-U(T) bázispárok bázispárok hidrogéngidakkal hidrogéngidakkal kapcsolódnakkapcsolódnak
Minden esetben egy Minden esetben egy nagyobb térigényű bázis nagyobb térigényű bázis (G v. A) van szemben egy (G v. A) van szemben egy kisebb térigényű bázissal kisebb térigényű bázissal (C v. U/T)(C v. U/T)
DNS / RNS kettősspirálDNS / RNS kettősspirál
MaMakromolekulákkromolekulák: : OligonuOligonukkleotidleotidokok
440-500-50 tagú oligomerek tagú oligomerek montmorillonitmontmorillonit agyag agyag felszíneken előállnakfelszíneken előállnak
MontmorillonitMontmorillonit vulkanikus hamuból keletkezik vulkanikus hamuból keletkezik
Lipidek – Membárnok - Lipidek – Membárnok - FelszínekFelszínek
LipidekLipidek
Glicerin + zsírsavak + foszfátcsoportGlicerin + zsírsavak + foszfátcsoport Hidrofil fej és hidrofób farokHidrofil fej és hidrofób farok Telített vagy telítetlen zsírsavakTelített vagy telítetlen zsírsavak Prebiotikus körülmények között a hosszú egyenes Prebiotikus körülmények között a hosszú egyenes
zsírsavak keletkezése nehézkes.zsírsavak keletkezése nehézkes.
Membrán kialakulásMembrán kialakulás
A micellák és membránok A micellák és membránok autokatalitikusan kialakulnakautokatalitikusan kialakulnak Ön-összeszerelődés (self-asembly)
FelületekFelületek
A felületek előnyösek termodinamikailagA felületek előnyösek termodinamikailag Katalitikus aktivitásuk lehetKatalitikus aktivitásuk lehet Az ásványi felszínek védhetnek az UV Az ásványi felszínek védhetnek az UV
sugárzástólsugárzástól Az ásványi felszínek elősegíthetik a Az ásványi felszínek elősegíthetik a
homokiralitásthomokiralitást „„Szegény ember” kompartmentalizációjaSzegény ember” kompartmentalizációja
KompartmentalizációKompartmentalizáció
A lipid membrán fontos, mert így elérhető, A lipid membrán fontos, mert így elérhető, hogy a belső és a külső környezet eltérjen:hogy a belső és a külső környezet eltérjen:– Fontos anyagok benntartása (aminosavak, Fontos anyagok benntartása (aminosavak,
ATP)ATP)– HH++ grádiens grádiens– pH, sókoncentrációpH, sókoncentráció
Transzport szükséges!Transzport szükséges!
Az élet építőköveiAz élet építőköveiA monomerek és makromolekulák A monomerek és makromolekulák
prebiotikus szintéziseprebiotikus szintéziseFunkcióFunkció MonomerMonomer MaMakromolekulakromolekula
katalizátorkatalizátor (en(enzimzim))
aaminominosavsav fehérjefehérje ??
információ információ hordozóhordozó
nnuukkleotidleotid(b(bázisázis, , cukorcukor))
??
DNDNSS / RN / RNSS
membrmembráánn zsírsavakzsírsavak ??
micella, lipid micella, lipid vezikulumvezikulum
Az Az RNRNSS VilágVilág
A DNS / fehérje világ előttA DNS / fehérje világ előtt……
Ma élő élőlényekbenMa élő élőlényekben Az információDNS-ben Az információDNS-ben
tárolódiktárolódik Fehérjék az enzimekFehérjék az enzimek
FehérjeFehérje DNSDNS
Kódolja
ReplikálMonomert állít elő
… … egy RNS világ voltegy RNS világ volt
RNS enzimként is működhet és RNS enzimként is működhet és információt is tárolhatinformációt is tárolhat!!
DNS stabilabb és a fehérjék jobb enzimek
RNRNSS RNRNSS
Replikálódik, hogy enzimet kapjunk
Reakciókat katalizál, monomert állít elő
RNS világ bizonyítékai a mai RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában Iszervezetek biokémiájában I
Természetes RNS enzimek (ribozim)Természetes RNS enzimek (ribozim)Mindegyik RNS hasítást katalizálMindegyik RNS hasítást katalizál– I. Csoportbeli intronokI. Csoportbeli intronok– II. Csoportbeli intronokII. Csoportbeli intronok– RNáz PRNáz P– KalapácsfejKalapácsfej– HajtűhurokHajtűhurok– Hepatitis Delta VírusHepatitis Delta Vírus– NeurosporaNeurospora Varkund Satelite RNA Varkund Satelite RNA
Joyce, G. (2002) Nature 418:214-221 alapján
RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában II: biokémiájában II: KoenzimekKoenzimek
Koenzimek: valamilyen specifikus kémiai csoport átadásában résztvevő metabolitok (rengeteg reakcióban)– Acetyl koenzim A (koenzim
A): acetyl csoport – NADH, FADH2 (NAD+, FAD):
hidrogén és elektron– ATP (ADP): nagyenergiájú
foszfát ATP
CoA
FADNADP
NAD
RNS világ bizonyítékai a mai RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában IIIszervezetek biokémiájában III
Dezoxi-ribonukleotidok Dezoxi-ribonukleotidok ribonukleotidokból keletkeznek ribonukleotidokból keletkeznek (de ezt (de ezt
valószínűleg ribozimek nem tudják katalizálni).valószínűleg ribozimek nem tudják katalizálni).
Riboswitches: Riboswitches: Génreguláció vélhetően Génreguláció vélhetően legősibb formája. Az mRNS térszerkezete legősibb formája. Az mRNS térszerkezete határozza meg, hogy lefordítódik fehérjévé.határozza meg, hogy lefordítódik fehérjévé.
RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában IVbiokémiájában IV: : TranszlTranszlációáció
mRNSmRNS tRNStRNS riboszómariboszóma
A DNS fehérje „átmentet” (transzláció) RNS közvetítésével történik
Riboszómában a peptidil transzfert egy ribozim végzi!
RNS világ lehetőségei:RNS világ lehetőségei:
RNS szintézisRNS szintézis: : Nukleotid képzés pirimidinből és aktivált ribózbólNukleotid képzés pirimidinből és aktivált ribózból; ; Polinukleotidok 5Polinukleotidok 5’’ foszforilációja foszforilációja; ; 55’ foszf’ foszfát aktiválása 5át aktiválása 5’,5’’,5’ pirofoszfát pirofoszfát kötött nukleotid kapcsolássalkötött nukleotid kapcsolással; ; Ligáz aktivitásLigáz aktivitás;;
Legjobb Legjobb szintetázszintetáz kb. 200 bázis hosszú és kb. 200 bázis hosszú és 14 nuklotidot14 nuklotidot tud egy templát alapján hozzákapcsolni egy oligonukleotid tud egy templát alapján hozzákapcsolni egy oligonukleotid lánchoz 97.5%-os másolási hűséggel.lánchoz 97.5%-os másolási hűséggel.
Protein szintProtein szintézisézis: : Minden lépés megoldható. Aminosavak Minden lépés megoldható. Aminosavak aktiválása (sokféle aminoaciláció)aktiválása (sokféle aminoaciláció); ; Peptid kötés kialakítás (peptidil Peptid kötés kialakítás (peptidil transzfer)transzfer)
MembrMembráán transn transzzferfer RedoxRedoxi reakcióki reakciók (NAD (NAD függő alkohol dehidrogenázfüggő alkohol dehidrogenáz)) Egyéb reakciókEgyéb reakciók (amid kötés bontás, alkiláció, porfirin metiláció, kén (amid kötés bontás, alkiláció, porfirin metiláció, kén
alkiláció, Diels-Alder cikloaddíció, amid kötés kialakítás, hidas bifenil alkiláció, Diels-Alder cikloaddíció, amid kötés kialakítás, hidas bifenil izomeráció)izomeráció)
Információ replikációInformáció replikációEigen ParadoxonaEigen Paradoxona
Információ replikációInformáció replikáció
A replikáció nem hibátlan A replikáció nem hibátlan (főleg nem replikáz (főleg nem replikáz
és javító mechanizmusok nélkül)és javító mechanizmusok nélkül)
A másolás pontossága korlátozza a fenntartható A másolás pontossága korlátozza a fenntartható információ hosszát.információ hosszát.
Mekkora információMekkora információ (milyen hosszú RNS szál) (milyen hosszú RNS szál)
tartható meg adott másolási pontosság mellett?tartható meg adott másolási pontosság mellett?
„„Replikáció” egy példájaReplikáció” egy példájaRNARNARNARNARNARGARNARNARNARNXRNARNARNHDNMRNARNARNARQARNARNJRPA
WORLDWORLFWORLDWORLLIDRYDWORLDWORLDKORLDWORLDWORLDWORLDWERLDWORUDWORLDWORHDWORLDWORLDWORWDWORLDWORLDWRRLD
HYPOTHESISEYPKTHYSIIHYPEXHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPETHESKSHYYOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOSHESISHYPOTMESISHTPOTHESISCYPOTGESISHYPOTHEGIAHYPOXHLSISHYPXTHESISHYPOTHESISHYPUTHESIS
N hossz
lns a mesterkópia szelekciós fölényeq másolási pontosság
Eigen Pradoxona és a hibaküszöbEigen Pradoxona és a hibaküszöb
ln
1sNq
Nincs enzim nagy genom nélkül, és nincs nagy genom Nincs enzim nagy genom nélkül, és nincs nagy genom enzim nélkülenzim nélkül
Swetina és Schuster 1998 alapján
SzekvenciaSzekvencia vs. vs. SzerkezetSzerkezet
DNDNSS fehérjefehérje
Átíródik
ATCGTCTGTCGGCGAT GCATGACTCATATGC
A szekvenciát kellmegtartani
Mutáns:
rátermettség 0
GCAUGACUCAUUAUGC
Structure has tobe maintained
Mutáns:
Azonos rátermettség
RNRNSS RNRNSS
AUCGUCUGUCGGCGAU
RNRNSS szerkezetszerkezet
Az enzimaktivitás a Az enzimaktivitás a szerkezettszerkezettől függől függ A ribozim fenotípusa a szerkezeteA ribozim fenotípusa a szerkezete Kevesebb szerkezet van, mint szekvenciaKevesebb szerkezet van, mint szekvencia Egy kevés mutáció általában nem változtatja Egy kevés mutáció általában nem változtatja
meg a szerkezetetmeg a szerkezetet Szerkezet könnyebben fenntartható, mint a Szerkezet könnyebben fenntartható, mint a
szekvencia. (szekvencia. (fenotipikus hibaköszöbfenotipikus hibaköszöb))
1D-2D-3D szerkezet1D-2D-3D szerkezet
aaacaGAGAAGUcaACCAg|||||
A G AA
AUGGUcCAUUAUAUG
AC A
GUG
CACG|||
uu
1
10
20 30
40
50
5’
3’
H1
loop A
H2 H3 H4
loop BaaacaGAGAAGUcaACCAg
|||||A G AA
AUGGUcCAUUAUAUG
AC A
GUG
CACG|||
uu
1
10
20 30
40
50
5’
3’
H1
loop A
H2 H3 H4
loop B
AAACAGAGAAGUCAACCAGAGAAACACACGUUGUGGUAUAUUACCUGGUA
Az élet kódja: TranszlációAz élet kódja: TranszlációA genetikai kód eredeteA genetikai kód eredete
Transzláció eredeteTranszláció eredete
Fehérjék jobb katalizátorokFehérjék jobb katalizátorok (4 (4 kémiailag kémiailag hasonló bázis vs. hasonló bázis vs. 20 20 kémiailag sokféle kémiailag sokféle aminosavaminosav))
Mivel az RNS központi szerepet játszik a Mivel az RNS központi szerepet játszik a transzlációban, így valószínűleg az RNS transzlációban, így valószínűleg az RNS világban „találták fel”világban „találták fel”
KódtáblaKódtábla
Néhány tény a genetikai kódrólNéhány tény a genetikai kódról
Közel univerzálisKözel univerzális RedundánsRedundáns Miért triplet?Miért triplet?
– A triplet optimális a reverzibilis kapcsolódáshozA triplet optimális a reverzibilis kapcsolódáshoz Miért 2Miért 200 aminosav aminosav??
– Az enzim sokféleség növekszik a több Az enzim sokféleség növekszik a több aminosavval, de a mutációs robusztusság aminosavval, de a mutációs robusztusság csökkencsökken..
A kód optimálizált mutációs robosztusságraA kód optimálizált mutációs robosztusságra
Az utolsó univerzális Az utolsó univerzális közös ősközös ős
ProtosejtProtosejt
ReplikációReplikáció Komplex anyagcsereKomplex anyagcsere Membrán / KompartmentalizációMembrán / Kompartmentalizáció
??
evolúció
Az utolsó univerzális közös ősAz utolsó univerzális közös ős
mRNmRNSS proofreading proofreading és javítás minden és javítás minden élőlényben azonos. A transzláció és a élőlényben azonos. A transzláció és a transzkripció is.transzkripció is.
DNDNSS proofreading proofreading és javítás nem!és javítás nem! LUCALUCA-nak RNS genomja volt-nak RNS genomja volt!! Fehérjeszintézissel a minimális genomméret Fehérjeszintézissel a minimális genomméret
körülbelül 1körülbelül 15000 bp5000 bp Egy ribo-organismus minimális genomja kb. Egy ribo-organismus minimális genomja kb.
77000000 bp; 50-100 bp; 50-100 génnelgénnel
A megfejtetlen rejtélyA megfejtetlen rejtély
RNRNSS
Oligo-nukleotidokásványi felszínennukleotidok
ribozimok
uaagagcguuCg-CcCgcgguaguaaGc AgG
|||||| |||A
GAACACGA CAC GUUaUgAcug||| ||| ||||||||||GAC
GCU GUG-A-CGGuAuUggc
CUC-GC-GA-UC-GU-AC-G
A
g
aua
UUAGU
GUaUUGUCA|||||||||CguAgCAGUU
uGGA
AA
aCuUuaaC||||||||uGaAauuGc
gau
-U-
3’
5’AA640
650
680
730
740
690
660
670
700710
720
750
760
770
780II
III
IV V
VI
uaagagcguuCg-CcCgcgguaguaaGc AgG
|||||| |||A
GAACACGA CAC GUUaUgAcug||| ||| ||||||||||GAC
GCU GUG-A-CGGuAuUggc
CUC-GC-GA-UC-GU-AC-G
A
g
aua
UUAGU
GUaUUGUCA|||||||||CguAgCAGUU
uGGA
AA
aCuUuaaC||||||||uGaAauuGc
gau
-U-
3’
5’AA640
650
680
730
740
690
660
670
700710
720
750
760
770
780II
III
IV V
VI
DNDNSS
A megfejtetlen rejtélyA megfejtetlen rejtély
fehérjefehérje RNRNSS
Kódolja
replikáljamonomert állít elő
MembrMembráánn
monomertállít elő