Vad är liv ?

NASA Exobiology programme: “Life is a self-sustained chemical system capable of undergoing Darwinian evolution”

Ofta krävs också förmåga till identisk reproduktion (Problem:virus)

L.E. Orgel : Living organisms are CITROENS – Complex Information, Transforming Reproducing Objects that Evolve by Natural Selection

A. Brack : Livet baserar på lilla roboter som kan göra kopier av sig själv och har förmågan utveckla sig (göra fel) vid reproduktionen

Ideer om livets upkomst

Abiogenes: Spontan utforming av liv ut av abiotiska substanser

- Kina: bladlöss generas spontant från bamburör

- Indien: Flygor bildas från svett och lort

- Grekland: Livet uppstår överalt när förhållanden är fördelaktiga

- Van Helmont: Möss uppstår från korn och en svettig skjorta (Vissa forskare är lite tveksam om detta experimentet)

- Redi (1688): Fluglarvar kommer inte från rutten kött när man lindar in det (Omne vivum ex ovo) Jan B. Van Helmont

(1577-1644)

Francesco Redi(1626-1697)

Ideer om livets upkomst

- Van Leuvenhoek uppptäckte mikroorganismer (baciller spiriller, kokker) i 1675

- Många experiment följade för att visa hur mikroorganismerkommer uppstår i vatten (Från luften-Geuze öl, Louis Joblot 1718)

- Louis Pasteur (1864): svanflaskexperiment visade att sterili- sation hindrar bildning av mikro organismer

Jäsning av Geuze öl L. Pasteur

Pasteur’s lycka: Inga sporer i soppan (resistent mot kokning)

Några av hans flaskor är fortfarande sterila !

Pasteur : “Teorin om spontan utbildning (Abiogenes) kommer aldrig att

återhämta sig från den dödliga slagen av detta enkla experiment”

Charles Darwin: Kemisk utveckling av liv

“It is often said that all the conditions for the first production of a living organism are present, which could ever have been present.”

But if (and Oh! what a big if!) we could conceive in some warm little pond, with all sorts of ammonia and phosphoric salts, light, heat, electricity, etc., present, that a protein compound was chemically formed ready to undergo still more complex changes, at the present day such matter would be instantly devoured or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed.” Charles Darwin

- Utveckling av liv längre process

- kemisk utveckling kommer före den biologiska

Livets byggstenar

- Vatten

- Fetter

- Proteiner

- Kolhydrater

- Nukleinsyror

Vatten

- funkar som dipol

- Bildning av H-broar

- hydration av jonförbindelser (saltar)

- anomali (is flyter på vatten)

- egenskaper av vatten möjliggör kemiska reaktioner som är omöjliga i andra lösningsmedel

“Vätebroar” i H2O Hydration

Fasdiagramm av H2O

Fettsyror och lipider

Principiell struktur av fetter: Fettsyreglycerolester

Det finns mättade, omättade (en dubbelbindning) och poly-omättade (flera dubbelbind-ningar)

Egenskaper av fetter

Hydrofila och hydrofoba lösningsmedel:

Hydrofila lösningsmedel (väte, etanol): Molekyler kan bilda H-broar

Hydrofoba (bensin, olja): Molekyler saknar den här möjligheten

Hydrofila och hydrofoba lösningsmedel kan inte blandas.

Fetter är amphifiler (har hydrofil och hydrofob ända)

hydrofil hydrofob

Egenskaper av fetter

Hydrofila och hydrofobapoler attrahera varandra

- kan bilda membraner

- membraner organiserar sig i vesikler

- grundstruktur för cell- membraner och celler

- joner kan inte lätt genom- tränger membranen

Kolhydrater

Allmän formel Cn(H2O)n: Kan bildas af formaldehyd genom aldolkondensation (Butelerov 1861) (under närvaroav lera, calciumhydroxid (Ca(OH)2), kalk (CaCO3).

- energireservoarer (sockrar, amylose (mjöl))- strukturbildare (cellulose)

A. M. Butlerov

Kolhydrater

Kan bilda 5-(furanoser) och 6-(pyranoser)ringer

Ringerna kan forma polymerer (amylose)

Proteiner

är polymerer av (20) aminosyror

Amino grupp

Carboxylgrupp

Restgrupp

Bindas av polyamid (peptid)-bindning

Roll av proteiner

- bildar enzymer (biokatalysatorer för biokeiska reaktioner)

- är polymerer av (20) aminosyror

Enzymer är mycket selektiva och efficienta

DNA/RNA

- bärare av genetisk information

- 5 nukleobaser

- bunden till ribos

- ribosenheter för- knippad med fosfat- broar

- DNA har dubbel- strängstruktur

- strängerna samman- hålls med H-broar

Nukleobas

Ribos

Fosfor-syra

H-bro

Nukleobaser

- 2 purinbaser (Dubbelring): adenin (A), guanin (G)

- 3 pyrimidinbaser: cytosin (C), thymin (T, endast DNA), uracil (U, endast RNA)

DNA

H-broar selektiva (G-C, A-T), utgör genetisk kod

DNA bildar stabil dubbel-helix

Proteinsyntes

3-basparar koderaren aminosyra

DNA koperas tillmessenger m-RNA

aminosyror förknippastill transportert-RNA med 3 typiskabasparar

Ribosomer syntetis-erar proteiner enligtsekvensen

Organisk eller anorganisk ?

- Tidigare troddes att levande varelser innehåller en “vis vitalis”: Detta skullre omöjliggör att syntetisera “organiska substanser”, t. ex. fett, proteiner från icke-levande “oorganiska” substanser i laboratioriet.

Berzelius: “Konsten kan inte kombinera inorganisk materie på samma sätt som levande naturen” Friedrich Wöhler 1898:

J. J. BerzeliusAmmoniumcyanat“oorganisk”

Urinämne“organisk”

Gränsen mellan organisk och oorganisk kemi är hel villkorlig

F. Wöhler

Viktiga klasser av organiska förbindelser

Kolväten (RH), R = kolvätegruppExempel: Metan R=CH3

Alkoholer (ROH), Exempel: Metanol R=CH3

Karboxylsyror (RCOOH), Exempel: Ättiksyra R=CH3

Aldehyder (RCHO), Exempel: Formaldehyd R=H

Viktiga klasser av organiska förbindelser

Ketoner (R1COR2), Exempel: Aceton R1=R2=CH3

Nitriler (RCN), Exempel: Acetonitril R=CH3

Mättade förbindelser: Bara enkla C-C bindningar i R-gruppen

Omättade förbindelser: Dubbel och/eller trippel C-C bindningar i R-gruppen

Laurinsyra

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH Oleinsyra

Kemisk evolution

Strecker-syntes av aminosyror:

A. Strecker

A. Oparin: Kemisk evolution (i likhet med Darwin’s evolution)

“At first we found carbon scattered in the form of separate atoms, in the red hot stellar atmospheres. We then found it as a component of hydrocarbons which appeared on the surface of the Earth.(…) In the waters of the primitive ocean these substance formed more complex compounds. Proteins and similar substance appeared.(…) [They] (…) acquired a more and more complex and improved structure and were finally transformed into primary living beings – the forbears of all life on Earth.”A.I. Oparin

Urey-Miller experiment (1953)

Urladdning i en CH4, NH3, H2O och H2

- leder till bildning av aminosyror

Varför dessa gaser ?

- CH4, NH3, H2O och H2

upptäcktes i gasplaneter

- man trodde att de första atmosfärer liknade varandra

- Gasplaneter ansågs att ha deras primitiva atmosfär kvar

- aminosyresyntes ansags att följa Strecker-mekanism

Problem

- Jordlika planeter har inte tillräckligt mass att infånga H2 från solära akkretionsdisken (minsta mass 10-15 jordmassor)

- Jordens (också Venusens och Marsens) atmosfär förändras mycket genom utgassning från jordmanteln och import av komponenter genom komet-och meteoritinslag.

- Kanske domineras den första jordatmosferen av CO2 och N2O.

- Spår av O2 hindrar aminosyresyntesen.

- Urey-Millersyntesen leder till racemater (blandning av optisk aktiva former, diskuteras senare i detalj)

Annan möjlighet: UV-instrålning

- Fotolys av atmosfärmolekyler leder till reaktiva radikaler som kan reagera vidare att forma biomolekyler

- också beroende av atmosfärens sammansättning

- vi kan iaktta sådana processer i atmosfären av saturnmånen Titan

C

NH

N C

R

n

Tholin(möjlig struktur)

N + C2H4 CH3CN + H

nRCN + nHCN

Exempel: Titan’s jonosfär

- Saturnmånen Titan har en atmosfär som domineras av N2

- spår av CH4, andra kolväte och HCN (cyanväte) närvarande

- genom solvinden och UV bryts N2 ned.N2 + h 2N

N-atomer kan reagera vidare:

Nitriler kan reagera vidare:

Tholiner bildar Titan’s dimma

Tholiner

Titan’s haze layer from Cassini

H2O amino acids,nucleobases

Titans dimmaTholiner kan hydrolysera:

Ingen syntesPrimitiv jord ?Venus, Mars(jorden nu)

CO2 + N2 + H2O

(+O2)

RH (mest mättad)HCN, andra nitriler (mättad)H2CO, andra aldehyder, ketoner

Fast:   Aminosyror efter hydrolys

Primitiv jord ?CO2 + N2 + H2O

+ CO/H2

HCN, oxygenated organic compoundsFast:   Aminosyror efter hydrolys

CO + NH3 + H2O

RH (mättad & omättad) H2CO & other aldehydes with low

yields

Fast:   Organiska syror

RH (mättad & omättad) HCN & andra nitriler ((mättad & omättad), också HC3N and C2N2

H2CO, andra aldehyder

ketoner & alkoholer

Fast:   Aminosyror & kväveheterocyclar efter hydrolys

Titan, TritonCH4 + N2 (+ H2O)

RH (mest mättad )HCNRCN (mättad ) if N/C <1RNH2 om N/C >1

H2CO, andra aldehyder

Ketoner & alkoholerFast:   Aminosyror efter hydrolys

RH (mättad & omättad)HCN & andra nitriles (mättad)

RCO2H

H2CO, andra aldehyder

Ketones & alcoholsFast: Aminosyror &

kväveheterocyclar efter hydrolys

JätteplaneterCH4 + NH3 +

H2O (+ H2)

FotolysElectrisk urladdning

Organiska produkterMotsvarandeplanetatmosfär

Gasblandning

- Det är mycket svårt att få informationer av tidiga jordens atmosfär.

- Chyba och Sagan (1992) upsskattade att produktionen a biomolekyler genom atmosfärprocesser kan variera stort vid ändring av atmosfärens sammansättning.

Betydelse av atmosfärprocesser isyntes av biomolekyler

Hydrothermal vents

Hydrothermal vents

Hydrothermal vent

- finns i närheten av sprickor mellan oceaniska plattor

- vatten tränger i och förångas

- vattenånga medför gaser (H2, H2S CO, CO2, CH4)

- hög temperatur (350o C)

- vatten i omkrets kring 4o C

- lera och mineraler verkar som katalysatorer

- brå förhållanden för molekylsyntes

- …….men också för deras förstörning

Leverans genom meteoriter och kometer

Molekyltäthet i förhållande till vatten i kometer

Syntes av mer kompliceradeförbindelser-purinbaser

- 2 purinbaser (adenin, guanin) i DNA/RNA

- syntes genom polymerisering av HCN via diaminomaleonitril (Ferris & Orgel, 1966)

Syntes av mer kompliceradeförbindelser-pyrimidinbaser

Syntes av mer komplicerade förbindelser-proteiner

- bildning av proteiner/peptider energetisk ofördelaktig i vatten (men fördelaktig i gasfasen)

- Möjlighet: Katalys på mineralytor

- eller peptidbind- ning med hjälp av aerosoler

Kräver energi i vatten

Möjliggörs p. g. a. amphifil karaktär av aminosyror (polar huvud,opolar svans)

Abiotisk syntes av DNA/RNA även svarare att förstå

Kiralitet - en egenskap av många biomolekyler

Det finns olika former av kiralitet, den viktigaste formenär centrokiralitet:

Om en kolatom har bunden till 4 olika atomer/grupper, finnsdet två olika enantiomerer, som förhåller sig som bild ochspegelbild, och inte är kongruenta.

Händerna har samma egenskap, därför hetar den kiralitet(från grekisk = hand.

Som man ser, har aminosyror (bortsett från glycin) den här egenskapen.

Egenskaper av enantiomerer

Enantiomerer har samma fysikaliska och kemiska egenskaper,utanför en: I lösning vrider de polarisationsytan av ljus åtolika håll.

Kiralitet upptäcks av L. Pasteur i vinsyra

Vinsyrans enantiomererbildar kristallarsom förhållasig som bild ochspegelbild

Nomenklatur av kirala förbindelserD-L nomenklatur (Fischer)

Man tecknar molekylen så att längsta kolkedjan är vertikal, ochden högst oxiderade ändan visar upp.

Om den tyngste atom eller atomgrupp, som är bunden till kirala atomen visar till höger, talar man om D(dexter)-formen, i andra fallet om L(laevus)-formen.

under ytan

över ytan

Emil Fischer

Andra nomenklatur: R-S

Man vrider molekylen att den lättaste atom(grupp), som bindartill den kirala atomen visat nedåt (bakom pappersytan)

Sedan numerera man de 3 andra atomer efter nedgående tyngd.

Om de är lika, avgör de atomer som är bunden till den (Dubbelbindningar räknas som 2 bindningar till samma atom, och trippelbindningar som 3).

Om numerering löper medurs R(rectus)-form, om moturs S-sinister(form)

COOH

C H

CH3

NH21

23

HOOC

C H

CH3

NH21

2 3

S-alanin R-alanin

Varför är det viktig för livet ?

I naturen hittar man nästan uteslutande L-aminosyror och D-sockrar

Var ligger skälet till detta: I rymden eller på jorden ?

D-ribos