TermTermészet Világaészet Világa

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

Életet teremteni egyszerűÉletet teremteni egyszerű……

Életet „élettelenből” előállítani Életet „élettelenből” előállítani kevésbé...kevésbé...

Az Az élethez vezető útélethez vezető út

Joyce 2002 Nature 418:214

1. Kémiai sokféleség kialakulása2. Sokszorozódás kialakulása, kémiai evolúció3. Templát alapú replikáció4. Templát vezérelt anyagcsere5. Protosejt

Út az élethezÚt az élethez – – Az összetettség Az összetettség növekedésenövekedése

Monomer Makromolekula

Funkció szerzésProtosejtté integrálás

Funkció szerzésFunkció szerzés

AnyagcsereAnyagcsereEnzimEnzim

Információ hordozóInformáció hordozómolekulamolekula

Kódolja

Replikál/MásolAlapegységet állít elő

MembrMembráánn

Alapegységetállít elő

Elhatárol

Kémiai sokféleség kialakulása

Avagy hogyan lehet hihető Avagy hogyan lehet hihető prebiotikus szintézissel előállni a prebiotikus szintézissel előállni a

fontos molekulákrafontos molekulákra

Prebiotikus szintPrebiotikus szintézisézis

Kiindulási anyagok elérhetőek prebiotikus Kiindulási anyagok elérhetőek prebiotikus körülmények közöttkörülmények között (azaz csak olyan (azaz csak olyan anyagokkal dolgozhatunk, ami jelen volt anyagokkal dolgozhatunk, ami jelen volt akkor a Fakkor a Földönöldön))

A szintézis útja elképzelhető prebiotikus A szintézis útja elképzelhető prebiotikus körülmények között (azaz olyan körülmények között (azaz olyan körülmények között játszódhat a reakció, körülmények között játszódhat a reakció, ami reális, például tömény kénsavas közeg, ami reális, például tömény kénsavas közeg, van szerves oldószer nem)van szerves oldószer nem)

Funkció – kémiai sajátság maFunkció – kémiai sajátság ma

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

Aminosavak - Miller-Urey kísérletAminosavak - Miller-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)

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

Cianid polimerizációCianid polimerizáció

MakromolekulákMakromolekulák

Peptidek nem keletkeznek az Peptidek nem keletkeznek az aminosavakból (max. dipeptidek)aminosavakból (max. dipeptidek)

Nukleotidok nem állnak össze Nukleotidok nem állnak össze (na ez azért (na ez azért

gyorsan megoldódhat), gyorsan megoldódhat), viszont nukleotidokból viszont nukleotidokból oligomerek igen.oligomerek igen.

Lipidek összeállnak vezikulákká, Lipidek összeállnak vezikulákká, micelláká! De magunak a lipideknek a micelláká! De magunak a lipideknek a keletkezése nem megoldottkeletkezése nem megoldott

MaMakromolekulákkromolekulák: Oligonu: Oligonukkleotidleotidokok

440-500-50 tagú oligomerek tagú oligomerek montmorillonitmontmorillonit agyag agyag felszíneken előállnakfelszíneken előállnak

MontmorillonitMontmorillonit vulkanikus hamuból keletkezik vulkanikus hamuból keletkezik

Membrán kialakulásMembrán kialakulás

A micellák és membránok A micellák és membránok autokatalitikusan kialakulnakautokatalitikusan kialakulnak Ön-összeszerelődés (self-asembly)

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

Funckió?

Szép, hogy vannak molekuláink, Szép, hogy vannak molekuláink, de mire jók?de mire jók?

A mai molekulák jók arra amire A mai molekulák jók arra amire használjuk őket, de ez nem biztos, használjuk őket, de ez nem biztos,

hogy csak ők jókhogy csak ők jók

Mire van szükségünk?Mire van szükségünk?

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

AnyagcsereAnyagcsereElőálljon minden amire Előálljon minden amire szükségünk van.szükségünk van.

KatalizátorokKatalizátorokKémiailag sokfélét Kémiailag sokfélét ismerünk. Ásványi felszínekismerünk. Ásványi felszínek

Kompartmentalizáció Kompartmentalizáció Amit előállítottunk az ne Amit előállítottunk az ne menjen el.menjen el.

FelületekFelületekÁsványi felszínekÁsványi felszínek

Miért kellenek katalizátorok?Miért kellenek katalizátorok?

Reakciók lassúak (Reakciók lassúak (pl. vízkilépés, COpl. vízkilépés, CO22 megkötés))– Gyorsabbnak kell legyen a lebomlásnálGyorsabbnak kell legyen a lebomlásnál– Térszerkezeti problémákTérszerkezeti problémák

Reakciók nem specifikusak Reakciók nem specifikusak (rengeteg (rengeteg mellékreakció is végbemegy)mellékreakció is végbemegy)

Nem sztereospecifikusak, racém keletkezikNem sztereospecifikusak, racém keletkezik

Racém, kiralitásRacém, 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

CH NH2

CH3

COOH

C HH2N

CH3

D-alanin L-alanin

CHO

C OHH

C

C

HHO

H

C

OH

H

CH2OH

OH

CHO

CHO H

C

C

H OH

H

C

HO

H

CH2OH

HO

D-glükóz L-glükóz

1. Kémiai sokféleség kialakulása2. Sokszorozódás kialakulása, kémiai

evolúció3. Templát alapú replikáció4. Templát vezérelt anyagcsere5. Protosejt

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 világra RNS világra utalutaló körülmény a mai ó körülmény 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 világra RNS világra utalutaló körülmény a mai ó körülmény a mai szervezetek biokémiájában II:szervezetek biokémiájában II: KoenzimekKoenzimek

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 ATP

CoA

FADNADP

NAD

RNS világRNS világra utalra utaló körülmény a mai ó körülmény a mai szervezetek biokémiájában IIIszervezetek biokémiájában III:: TranszlTranszlációáció

mRNSmRNS tRNStRNS riboszómariboszóma

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

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)

ReplikációReplikáció

Fejlesztett Fejlesztett Bartel I Bartel I ligligázáz

2020 nukleotid templát nukleotid templát alapú hozzáadását alapú hozzáadását képes katalizálniképes katalizálni

Másolási pontosságMásolási pontosság 0.9670.967/bázis/bázis

RNS Világ fejlődéseRNS Világ fejlődése

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

Replikációszál szétvállás

pontosságACGUGCUGAGCAUUACACGACUCGUA

ReplikázAnyagcsereKompartmentalizáció

Fehérje szintézis

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 példájaRNSRNRNSSRNRNSSRNRNSSRNRNSSRGRGSSRNSRNSRNRNSSRNRNSSRNXRNXRNRNSSRNRNSSRNHRNHDNMDNMRNRNSSRNSRNSRNRNSSRQRQSSRNRNSSRNJRNJRPS

VILÁGVILÁVILÁFFVILÁGVILÁGVILÁVILÁLLIDIDLLYYGGVILÁGVILÁGVILÁGVILÁGKKILILLLGGVILÁGVILÁGVILÁGVILÁGVIVIJJÁGÁGVELÁGVELÁGVILVILUUGGVILÁGVILÁGVILVILHHGGVILÁGVILÁGVILÁGVILÁGVILVILWWGGVILÁGVILÁGVILÁGVILÁGVVRRLÁGLÁG

HIPOTÉZISEEIIPKTYSIIPKTYSIIHHIIPEXPEXÉÉSISSISHHIIPOTPOTÉZÉZISISHHIIPOTPOTÉZÉZISISHHIIPETPETÉZÉZKSKSHHIIYOTYOTÉZÉZISISHHIIPOTPOTÉZÉZISISHHIIPOTPOTÉZÉZISISHHIIPOTPOTÉZÉZISISHHIIPOTPOTÉZÉZISISHHIIPOTPOTÉZÉZISISHHIIPOSPOSÉZÉZISISHHIIPOTPOTÉZÉZIIZZHTPOTHTPOTÉZÉZISISCCIIPOTPOTÉZÉZISISHHIIPOTPOTÉÉGIAGIAHHIIPOXLPOXLZZISISHHIIPXTPXTÉZÉZISISHHIIPOTPOTÉZÉZISISHHIIPUTPUTÉZÉZISIS

N hossz

lns a mesterkópia szelekciós fölényeq másolási pontosság

Eigen Pradoxona és a hibaküszöbEigen Pradoxona és a hibaküszöb

ln1

sNq

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))

Az utolsó univerzális Az utolsó univerzális közös ősközös ős

Milyen lehetett az első élő sejt?Milyen lehetett az első élő sejt?

Transzláció és aTranszláció és a genetikai kód eredete genetikai kód 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”

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

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!!

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

Köszönöm a figyelmet!Köszönöm a figyelmet!