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

Bevezetés a biológiábaBevezetés a biológiába1.1. Müller Viktor: Az Élet definíciójaMüller Viktor: Az Élet definíciója2.2. Müller ViktorMüller Viktor: Az immunrendszer: Az immunrendszer 3.3. Kun Ádám: Az Élet keletkezéseKun Ádám: Az Élet keletkezése 4.4. Kun Ádám: Kun Ádám: AnyagcsereAnyagcsere5.5. Fedor Anna: Fedor Anna: Genetika Genetika és evolúciógenetikaés evolúciógenetika6.6. Gedeon Gábor: Egyedfejlődés és szabályozásGedeon Gábor: Egyedfejlődés és szabályozás7.7. Gedeon Gábor: EgyedfejlődésGedeon Gábor: Egyedfejlődés8.8. ZachZachár István: Makrotaxonómia és replikátorokár István: Makrotaxonómia és replikátorok9.9. Garay JózsefGaray József: Evolúció: Evolúció10.10. Czárán TamásCzárán Tamás: Ökológia: Ökológia11.11. Fedor Anna: NeurobiológiaFedor Anna: Neurobiológia12.12. Számadó Szabolcs: Kommunikáció és együttműködésSzámadó Szabolcs: Kommunikáció és együttműködés13.13. Számadó Szabolcs: KultúraSzámadó Szabolcs: Kultúra

MagamrólMagamról

TanulmányokTanulmányok– Okleveles biológus, Okleveles vegyészOkleveles biológus, Okleveles vegyész– PhD ökológia és elméleti biológiaPhD ökológia és elméleti biológia

Kutatás Kutatás (elméleti biológia)(elméleti biológia)

– Klonális növények ökológiájaKlonális növények ökológiája– Együttműködés evolúciójaEgyüttműködés evolúciója– Élet keletkezéseÉlet keletkezése

MagamrólMagamról

OktatásOktatás– Bevezetés a biológiába (BSc)Bevezetés a biológiába (BSc)– Evolúcióbiológia (BSc)Evolúcióbiológia (BSc)– Biometria (BSc)Biometria (BSc)– Evolúcióbiológia és zoológia (MSc)Evolúcióbiológia és zoológia (MSc)– Általános ökológia (MSc)Általános ökológia (MSc)– Programozás biológusoknak (BSc-MSc)Programozás biológusoknak (BSc-MSc)

BevezetBevezetés a biológusságbaés a biológusságba

Kérdezzetek!Kérdezzetek!

Döntsd el, hogy „mi leszel, ha nagy leszel”Döntsd el, hogy „mi leszel, ha nagy leszel”

Gyűjtsetek ismereteketGyűjtsetek ismereteket

Tudjatok angolulTudjatok angolul

Bevezetés a biológiábaBevezetés a biológiába

Az evolúciós gondolkodás biológián belüli Az evolúciós gondolkodás biológián belüli univerzalitásának megmutatásauniverzalitásának megmutatása

Biológiai érdekességek tárgyalásaBiológiai érdekességek tárgyalása A biológia különböző területeinek egymással A biológia különböző területeinek egymással

való szoros összefüggésse való szoros összefüggésse (avagy miért tanulunk (avagy miért tanulunk azt is)azt is)

A biológiai vizsgáló módszereket A biológiai vizsgáló módszereket bemutatásabemutatása

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

A tudomány alapfeltevése: A tudomány alapfeltevése: A metafizikainak A metafizikainak nincs hatása arra amit vizsgálunk.nincs hatása arra amit vizsgálunk.

Életet teremteni egyszerűÉletet teremteni egyszerű……

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

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

Peptid kötésPeptid kötés

Elsődleges szerkezet Elsődleges szerkezet

(szekvencia)(szekvencia)

Másodlagos és harmadlagos Másodlagos és harmadlagos szerkezet (térszerkezet)szerkezet (térszerkezet)

Prebiotikus körülmények között Prebiotikus körülmények között

nem állnak össze.nem állnak össze.

Miért kellenek enzimek?Miért kellenek enzimek?

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

EnzimekEnzimek

Katalizátor Katalizátor (gyors (gyors reakciók)reakciók)

SpecifikusSpecifikus (kevés (kevés mellékreakció)mellékreakció)

SztereospecifikusSztereospecifikus Az enzimek ma leginkább Az enzimek ma leginkább

fehérjék.fehérjék.

EnzimkatalEnzimkatalízisízis

Enzimkatalízis mechanizmusaEnzimkatalízis mechanizmusa– kulcs / zár mechanizmuskulcs / zár mechanizmus– indukált illeszkedésindukált illeszkedés

Az átmeneti állapotot köti a legjobbanAz átmeneti állapotot köti a legjobban

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

CukrokCukrok

Számos reakcióút Számos reakcióút kiindulásaikiindulásai

Fő energiaforrásFő energiaforrás CellulózCellulóz Keményítő, glikogénKeményítő, glikogén DNS, RNS lánc vázaDNS, RNS lánc váza

D-glükóz

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

In vitroIn vitro evolúció evolúció

In vitroIn vitro evolúció evolúció

Az evolúció megértéseAz evolúció megértése Alkalmazható (eladható) molekulák Alkalmazható (eladható) molekulák

kialakításakialakítása

Genetikai diverzitás előállításaGenetikai diverzitás előállítása SzelekcióSzelekció

Mutáció

Szelekció

Genetikai diverzitásGenetikai diverzitás

A diverzitással (hány különböző molekulát A diverzitással (hány különböző molekulát tesztelek) növekszik annak a tesztelek) növekszik annak a valószínűsége, hogy megtalálom, amire valószínűsége, hogy megtalálom, amire szükségem vanszükségem van

Mutáció: Véletlen, célzott, rekombinációMutáció: Véletlen, célzott, rekombináció Hibára hajlamos PCR Hibára hajlamos PCR (polimerase chain reaction)(polimerase chain reaction)

Szelekció (indirekt)Szelekció (indirekt)

SELEX – Systemic SELEX – Systemic evolution of ligands evolution of ligands by exponential by exponential enrichment.enrichment.

Ligandok Ligandok szisztematikus szisztematikus evolúciója evolúciója exponenciális exponenciális dúsítással.dúsítással.

Mesterséges evolúcióval előállított Mesterséges evolúcióval előállított enzimekenzimek

SZINTÉZISv.

VÉLETLENSZERŰ MOLEKULÁK

SZELEKCIÓ• Affinity chromatography• Filter binding• Gel mobility shift• Imunopercipitation

SOKSZOROZÓDÁSmutagenic PCR

EVOLVÁLÓDOTT MOLEKULA

Katalizátorok szelekciójaKatalizátorok szelekciója

Szelekció kötés alapján (indirekt).Szelekció kötés alapján (indirekt). A átmeneti állapotnak megfelelő (vagy azzal A átmeneti állapotnak megfelelő (vagy azzal

analóg) molekula kötésére szelektálunk.analóg) molekula kötésére szelektálunk. „„Azt kapjuk, amire szelektáltunk, nem amit Azt kapjuk, amire szelektáltunk, nem amit

szeretnénk.”szeretnénk.” Ez nem katalizálásra szelektálEz nem katalizálásra szelektál

Katalizátorok szelekciója IIKatalizátorok szelekciója II

Közvetlen szelekcióval olyan molekula, kell, Közvetlen szelekcióval olyan molekula, kell, ami:ami:– Felismeri a szubsztrátotFelismeri a szubsztrátot– Kialakítja a terméketKialakítja a terméket– Gyorsítja a reakciótGyorsítja a reakciót– Többször használhatóTöbbször használható

In vitroIn vitro kompartmentalizáció kompartmentalizáció

MódszerMódszer

Előállítják a génkönyvtáratElőállítják a génkönyvtárat Összekeverik gén expressziós masinériávalÖsszekeverik gén expressziós masinériával 10101010 csepp/ml, 1 gén/csepp csepp/ml, 1 gén/csepp A cseppből a termék és a gén sem juthat ki, A cseppből a termék és a gén sem juthat ki,

azok kapcsoltakazok kapcsoltak

In vitroIn vitro kompartmentalizáció kompartmentalizáció

Szelekció flouresszencia alapjánSzelekció flouresszencia alapján

A terméknek floureszcensen aktívnak kell A terméknek floureszcensen aktívnak kell lennielennie

MikrofluidikaMikrofluidika

Apró cseppekben végeznek minden.Apró cseppekben végeznek minden. A cseppek manipulációja megoldható.A cseppek manipulációja megoldható.

– Csepp kialakításCsepp kialakítás– Csepp kettőbe vágása / összeolvasztásaCsepp kettőbe vágása / összeolvasztása– Cseppek rendezéseCseppek rendezése

Ajánlott irodalomAjánlott irodalom

John Maynard-Smith és Szathmáry Eörs: Az John Maynard-Smith és Szathmáry Eörs: Az evolúció nagy lépései. evolúció nagy lépései. Scientia, Budapest, Scientia, Budapest, 19971997

Bálint Miklós: Molekuláris biológia I-II. Bálint Miklós: Molekuláris biológia I-II. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 2Műszaki könyvkiadó, Budapest, 2000000

Ádám Veronika Ádám Veronika (szerkesztő):(szerkesztő): Orvosi Orvosi biokémia. biokémia. Semmelweis, Budapest, 1996Semmelweis, Budapest, 1996