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