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