Term

1
Természet Világa
2
Az élet keletkezése

• Dr. Kun Ádám, Ph.D.
• tudományos fomunkatárs
• 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 egyszeru
5
Életet élettelenbol eloállítani kevésbé...
6
Az élethez vezeto út

1. Kémiai sokféleség kialakulása
2. Sokszorozódás kialakulása, kémiai evolúció
3. Templát alapú replikáció
4. Templát vezérelt anyagcsere
5. Protosejt

Joyce 2002 Nature 418214
7
Út az élethez Az összetettség növekedése
Monomer
Protosejtté integrálás
8
Funkció szerzés
Anyagcsere Enzim
Információ hordozómolekula
Membrán
9
Kémiai sokféleség kialakulása

• Avagy hogyan lehet hiheto prebiotikus
  szintézissel eloállni a fontos molekulákra

10
Prebiotikus szintézis

• Kiindulási anyagok elérhetoek prebiotikus
  körülmények között (azaz csak olyan anyagokkal
  dolgozhatunk, ami jelen volt akkor a Földön)
• A szintézis útja elképzelheto 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
Funkció Monomer Makromolekula
katalizátor (enzim) aminosav fehérje
információ hordozó nukleotid(bázis, cukor) DNS / RNS
membrán zsírsavak micella, lipid vezikulum
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 eloállnak
• Montmorillonit vulkanikus hamuból keletkezik

17
Membrán kialakulás
A micellák és membránok autokatalitikusan
kialakulnak Ön-összeszerelodés (self-asembly)
18
Az élet építoköveiA monomerek és makromolekulák
prebiotikus szintézise
Funkció Monomer Makromolekula
katalizátor (enzim) aminosav fehérje ?
információ hordozó nukleotid(bázis, cukor)? DNS / RNS
membrán zsírsavak ? micella, lipid vezikulum
19
Funckió?

• Szép, hogy vannak molekuláink, de mire jók?
• A mai molekulák jók arra amire használjuk oket,
  de ez nem biztos, hogy csak ok jók

20
Mire van szükségünk?
AnyagcsereEloálljon minden amire szükségünk van. Katalizátorok Kémiailag sokfélét ismerünk. Ásványi felszínek
Kompartmentalizáció Amit eloállítottunk az ne menjen el. Felületek Ásványi felszínek

• A felületek elonyösek termodinamikailag
• Katalitikus aktivitásuk lehet
• Az ásványi felszínek védhetnek az UV sugárzástól
• Az ásványi felszínek elosegíthetik 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 eltéro lehet
• Racém monomerbol nem lehet rendes polimert
  eloállítani.

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 RNS Világ
25
A DNS / fehérje világ elott

• Ma élo élolényekben
• Az információDNS-ben tárolódik
• Fehérjék az enzimek

Fehérje
DNS
26
egy RNS világ volt
RNS enzimként is muködhet és információt is
tárolhat!
DNS stabilabb 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
• Hajtuhurok
• Hepatitis Delta Vírus
• Neurospora Varkund Satelite RNA

Joyce, G. (2002) Nature 418214-221 alapján
28
RNS világra utaló körülmény a mai szervezetek
biokémiájában II Koenzimek
NADP
FAD

• Koenzimek valamilyen specifikus kémiai csoport
  átadásában résztvevo 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 lehetoségei

• RNS szintézis Nukleotid képzés pirimidinbol 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
  huséggel.
• Protein szintézis Minden lépés megoldható.
  Aminosavak aktiválása (sokféle aminoaciláció)
  Peptid kötés kialakítás (peptidil transzfer)
• Membrán transzfer
• Redoxi reakciók (NAD függo 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
RNS Világ fejlodése
Replikációszál szétvállás pontosság
Nukleotidok
ACGUGCUGAGCAU UACACGACUCGUA
RNS
Ribozimok
Replikáz
Anyagcsere
Kompartmentalizáció
Fehérje szintézis
33
Információ replikációEigen Paradoxona
34
Információ replikáció

• A replikáció nem hibátlan (foleg 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 RN
H DNM RNS RNS RNS RQS RNS RNJ RPS
VILÁG VILÁF VILÁG VILÁL IDLYG VILÁG VILÁG KILLG VI
LÁG VILÁG VIJÁG VELÁG VILUG VILÁG VILHG VILÁG VILÁ
G 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 lns a mesterkópia szelekciós fölényeq
másolási pontosság
Swetina és Schuster 1998 alapján
37
Szekvencia vs. Szerkezet
Átíródik
DNS
fehérje
GCATGACTCATATGC
ATCGTCTGTCGGCGAT
GCAUGACUCAUUAUGC
38
RNS szerkezet

• Az enzimaktivitás a szerkezettol 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 os

• Milyen lehetett az elso élo 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 valószínuleg 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
Protosejt

• Replikáció
• Komplex anyagcsere
• Membrán / Kompartmentalizáció

?
43
Az utolsó univerzális közös os

• mRNS proofreading és javítás minden élolényben
  azonos. A transzláció és a transzkripció is.
• DNS proofreading és javítás nem!
• LUCA-nak RNS genomja volt!

44
A megfejtetlen rejtély
RNS
ribozimok
45
A megfejtetlen rejtély
DNS
fehérje
RNS
Membrán
46
Köszönöm a figyelmet!