elte, biológiai intézet, növényrendszertani, Ökológiai és...
TRANSCRIPT
![Page 1: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/1.jpg)
Prebiotikus szintézisek
Könnyű Balázs
ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék
![Page 2: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/2.jpg)
Tartalom
● Az élet minimál modellje● Szerves anyag szintézis a világűrben● Szerves anyag szintézis az Ősföldön● Prebiotikus információhordózó molekulák● Eigen-paradoxon● Metabolikus replikátor modell (MRM)● Evolúciós folyamtok az MRM koncepcióval
![Page 3: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/3.jpg)
I. Az élet minimál modellje
![Page 4: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/4.jpg)
Élet kritériumok I.
Reális (abszolút) életkritériumok (minden élőlényre igaz):
1. Inherens (belső lényegből fakadó) egység: „az egység (…) elemeinek nem egyszerű uniója, hanem új egység, amely (…) új minőségi tulajdonságokat hordoz”.
2. Anyagcsere: anyag és Energia lép a rendszerbe, ott átalakul majd a hulladék anyagok elhagyják a rendszert.
3. Stabilitás: a rendszer belső folyamatainak olyan speciális szerveződési módja, amely lehetővé teszi a rendszer folyamatos működését és a külső környezet változásainak ellenére is állandó marad (~homeosztázis).
4. Információhordozó alrendszer: a teljes rendszer felépítéséről tartalmaz információt
5. Szabályozottság és vezéreltség: a folyamatok szabályozottak (vö. enzimek) de bizonyos folyamatok vezéreltek (vö. egyedfejlődés).
![Page 5: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/5.jpg)
Élet kritériumok II.
1. Növekedés és szaporodás*: egysejtűeknél a szaporodás egy része a növekedés, de többsejtűeknél a szaporodás a növekedés közvetett módon kapcsolódnak.
2. Öröklődő változatosság*: az egyedet felépítő információ nem pontosan adódik át az utódba.
3. Halandóság: biogeokémiai ciklusok.
* evolúciós egység kritériuma
Potenciális (lehetséges) életkritériumok (nem minden élő egységre igaz, de az evolúcióhoz nélkülözhetetlen):
![Page 6: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/6.jpg)
Az élő (sejt) minimál modellje
Ai: anyagcsere alrendszer
(autokatalitikus)
pV: információ-tároló alrendszer (vö.: DNS)
(autokatalitikus)
Tm: határoló (membrán) alrendszer
(autokatalitikus)
Autokatalizis:
A + B = 2A + C
Gánti Tibor: Az élet principiuma. 1978.,Gondolat, Budapest
![Page 7: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/7.jpg)
INFRABIOLÓGIA
Anyagcsere (A)ŐslevesŐspizza
Membrán (T)
Információ tároló (replicator) (pV)Hyperciklus
ATLipid Világ
pVARNS Világ
MRM
pVTSCM
pVTASCM
Az első élő sejt
Szathmáry, 2007 alapján
![Page 8: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/8.jpg)
Az élet építőköveiFunkció Monomer Makromolekula
katalizátor (enzim, ribozim)
Aminosav, nukleotid (bázis, cukor, P)
Fehérje, RNS
információ hordozó
nukleotid(bázis, cukor, P)
DNS / RNS
membrán zsírsavak
micella, lipid vezikulum
Szintézis helye:
● Világűr
● Ős-Föld
![Page 9: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/9.jpg)
II. Szerves anyag szintézis a világűrben
![Page 10: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/10.jpg)
A Naprendszer és alkotóinak kialakulása
● Szupernova robbanások és csillagközi por● A csillagközi porban helyi sűrűsödések● Ezek a csomók lesznek a nap és a bolygó-
kezdemények● Nap kb. 4.5 Milliárd évvel ezelőtt alakul ki● Föld kb. 4 Milliárd évvel ezelőtt alakul ki● Erős meteorzápor (4.1-3.8) – szerves
anyag behozatal
![Page 11: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/11.jpg)
● Csillagközi felhőben UV besugárzásra képződnek egyszerűbb és bonyolultabb (PAH – polyciklikus aromás szénhidrogének)
●
Szerves anyagok az űrben
Ehrenfreund 2010
![Page 12: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/12.jpg)
Lehetséges reakciók a csillagközi jégben
![Page 13: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/13.jpg)
● A formaldehid és a hidrogén cianid a legreakcióképesebb és a legegyszerűbben előállítható molekulák, mely kiinduló pontjai lesznek a további szerves anyag képződésnek is
Pizzarello 2006
![Page 14: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/14.jpg)
A széntartalmú meteorok szerves
vegyületeink mennyisége és a
C atom szám
Cleaves 2011
![Page 15: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/15.jpg)
Cleaves 2011
A C atom szám növelésével az egyenes láncú
molekulák aránya csökken az
elágazóékhoz képest
![Page 16: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/16.jpg)
● A csillagközi porban a királis molekulák egyik konformációja már feldúsul – mechanizmus vitatott: a hidegben való lassú keletkezés, a csillagköd polarizált fénye
![Page 17: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/17.jpg)
III. Szerves anyag szintézis az Ősföldön
![Page 18: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/18.jpg)
Miller-Urey kísérlet
• Metán (CH4)
• Ammónia (NH3)
• Hidrogén (H2)
• Víz (H2O)
• Elektromos kisülés
![Page 19: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/19.jpg)
Eredmény: cukor, aminosav, N-tartalmú heterociklusos vegyületek
(mindaz ami megtalálható az élő sejtben)
Johnson 2008
![Page 20: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/20.jpg)
Szathmary 2003, Zubay 2001
Autokatalitikus!!!
A Miller-Urey féle kísérletek kémiai háttere I.
Formóz reakció (Butlerov 1861):
![Page 21: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/21.jpg)
A formóz reakció alapja:1) Aldol-addíció Sav-katalizált:
Bázis-katalizált:
![Page 22: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/22.jpg)
A formóz reakció alapja:2) Oxo-Enol tautomerizáció Sav-katalizált:
Bázis-katalizált:
![Page 23: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/23.jpg)
Benner 2010b
Számos biomolekula képződhet a formóz reakcióból kiindulva
![Page 24: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/24.jpg)
A Miller-Urey féle kísérletek kémiai háttere II.
Strecker-szintézis:
(A reakció sokkalta bonyolultabb mint sem egy diára ráférne)
NEM autokatalitikus!!!
![Page 25: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/25.jpg)
Lipid szintézis
Fischer-Tropsch-típusú szintézis:
● magas hőmérséklet
● nagy nyomás (>10atm)
● katalizátor: Co, Fe
Rushdi 2001
![Page 26: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/26.jpg)
Rushdi 2001
![Page 27: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/27.jpg)
Cape 2011, Deamer 2005
![Page 28: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/28.jpg)
Ősleves elmélet
• Az ősi Föld légköre kezdetbe redukáló gázelegyből állt (metán, ammónia, hidrogén stb.)
• A gázelegy elemei villámlások által reakcióba lépetek egymással
• Az ősóceánba oldódtak és még változatosabb biológiailag fontos molekulák jöttek létre, amelyek közül egyesek képesek autokatalitikus módon gyarapodni (vö. formoz reakció)
• A változatos biomolekulákból létrejött önszerveződéssel az első sejt
Szép, de vannak problémák…
Miller kísérletei alapján született meg az elképzelés:
![Page 29: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/29.jpg)
Még ha ki is alakulnak komplex reakció-hálózatok, amelyek előállítanak minden szükséges molekulát, enzimek hiányában az oldal reakciók „megölik” a rendszert.
Az Ősleves problémai I.
![Page 30: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/30.jpg)
A formóz-reakció „halála”
● Formaldehid reagál a NH3-al és csökken a további reakciók lehetősége
![Page 31: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/31.jpg)
● Maillard-reakció: cukor + aminsav → bonyolult szerkezetű molekulák (ez játszódik le a konyha sütéskor is, ezért barnul meg és lesz illata, íze az ételnek)
● Miller-féle reakció végül a Maillard reakciónak köszönhetően megakad és „kátrányt” képez (a Formóz- és a Maillard-reakció versenyzik a cukrokért – molekuláris kompetíció)
![Page 32: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/32.jpg)
Az Ősleves problémai II.
Az őslégkör korántsem biztos, hogy redukáló volt, azaz nem biztos, hogy csak metán, hidrogén és ammónia volt benne.
Bizonyíték: ősi kőzetekben találtak eloxidálódott vasat, ami az őslégkör semlegességére ill. enyhén oxidatív jellegére utal.
Abban mindenki egyetért hogy a mai 21 V/V% O2 biológiai eredetű, de abiotikus folyamatok révén megjelenhetett 1-2 V/V% O2 (az anaerob baktériumokat nem gátolja!)
Towe 1996, Lane 2002
![Page 33: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/33.jpg)
Új kísérlet: Miller-féle kísérletek megismétlése semleges v. oxidatív gázeleggyel (N2, H2O és CO/CO2). A CO2 gátolja a HCN képződést!
Eredmény: az eredeti kísérlethez hasonlóan sokféle biomolekula.
Miyakawa 2002
![Page 34: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/34.jpg)
Az ősleves túlságosan híg oldat, kevés molekulát tartalmazhatott.
A biomolekulák származhatnak meteoritokból és üstökösökből is, amelyek a Földre érkeztek kb. 4 milliárd évvel ezelőtt. A csillagközi porban találtak szerves molekulákat!
Az Ősleves problémai III.
Kiszáradó lagúnákban lokális koncentráció növekedés.
(??Panspermia??)
![Page 35: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/35.jpg)
Sok fontos biomolekula nem szintetizálódik azonos körülmények között.
Hogyan lehetne azt a két merőben különböző környezetet „egyesíteni”, hiszen mind a C + D mind a G + H szükséges építőelem?
A +B C +D
pH<7
pl.: aminosavak
E +F G +H
pH>7
pl.: membrán alkotó és cukrok
Az Ősleves problémai IV.
![Page 36: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/36.jpg)
Miller-féle kísérletekben mind L-, mind D-formájú aminosavak és cukrok létrejönnek, amelyek egymás polimerizációját keresztbe gátolják.
Ma viszont az összes élőlényben (kevés kivételtől eltekintve) csak L-aminosavak és D-cukrok vannak jelen (stereospecifitás).
Hogyan tűnt el az egyik fajta forma teljesen?
Az Ősleves problémai V.
![Page 37: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/37.jpg)
Számos biokémiai reakció valójában kondenzáció, azaz vízkilépéssel járó kémia reakció.
Hogyan képződhet végtermék-gátlás nélkül polipeptid (fehérje) vagy polinukleotid (RNS, DNS)?
Az Ősleves problémai VI.
glicin alanin
Peptid kötés
ALANIN
H
H
H
GLICIN
+
H
H
H
H
N C
H
C
C
O
OHOH
O
C
H
H
CN N
H
H
C
H
H
C
O
N
H
C
H
C
C
O
O H
H HH
+ O
H
H
![Page 38: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/38.jpg)
Ásványi felszínek szerepe a korai evolúciós folyamatokban
1) katalizátor
2) szetreoszelektivitás
3) UV sugárzás elleni védelm
![Page 39: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/39.jpg)
A felületnek erőteljes katalizáló hatása van (vö.: szervetlen katalizátorok, enzimek)!
A felület kötött szubsztrátok lokális koncentráció növekedés miatt megnő az ütközések száma, ami a kémiai reakciók gyakoribb lefolyásához vezet.
Felület mint katalizátor
• Katalizátor (reakció sebesség gyorsítása)
• Specifikus (kevés mellékreakció)
• Sztereospecifikus
![Page 40: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/40.jpg)
a formóz reakció működik:
● szervetlen katalizátorokkal (Ca2+, Pb2+)
● neutrális pH-n (az eredeti erősen lúgos közegben működött csak!).
Simonov 2007b
![Page 41: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/41.jpg)
Benner 2010b
![Page 42: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/42.jpg)
Elősegíti a vízkilépéssel járó biokémiai (kondenzációs) reakciókat.Oldatban:
A + B = C + D
Mozgási szabadsági fokok:
3 3 3 3
Felülethez kötötten:
A + B = C + D
Mozgási szabadsági fokok:2 2 2 3
A rendezetlenség mértéke (entrópia) nő!
Felület mint katalizátor
![Page 43: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/43.jpg)
Agyagásvány felszínen nukleotidok is és aminosavak is könnyebben polimerizálódnak (kb. 50 tagú polimerekig).
polimerizáció
hidrolízis
![Page 44: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/44.jpg)
● Agyagásvány (montmorillonit)● Aktivált nukleotidok (imidazollal)
30-50 nukleotidból álló oligomerek
Feltételezhető bizonyíték: a mai biomolekulák többsége negatív töltésű kémiai csoportokat hordoz (pl. foszfát, karbonát), amivel pozitív töltésű felszínekhez tudnak kötődni (pl. pirit).
Ferris 2002
![Page 45: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/45.jpg)
Engelhart et al. 2013
A nukleotidok a 3’-5’ kapcsolódást is jobban preferálják a felszínen mint oldatban, ahol gyakoribb a 2’-5’ kapcsolódás. Van-e haszna a 2’-5’ kapcsolódásnak?
![Page 46: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/46.jpg)
A felület képes kiválogatni a L- ill. D-formájú molekula párok közül az egyiket.
Sztereoszelektivitás
Kalcium karbonát kristályon több különböző felületi struktúrát azonosítottak, amelyek a racém elegy különböző komponenseit különböző képen kötik.
![Page 47: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/47.jpg)
Bielski 2007
Egyes izomerek több, mások kevesebb -OH csoporttal kötődnek a felszínhez(pl CaCO
3),
ami az eantiomerek szétválását segíti
![Page 48: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/48.jpg)
UV sugárzás elleni védelem
Adenin függő hajtű ribozim (ADHR) elveszíti enzim aktivitását UV fényben az ásvány hiányában (A) és megtartja ásvány jelenlétében (B)Kontroll: nincs UV, ásvány nincs (C) ill. van (D)
Biondi 2007
![Page 49: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/49.jpg)
Őspizza
a molekulák a pozitív töltésű pirit (FeS2-- vas-kén
világ) felszínhez kötődnek és magas hőmérsékleten (~250°C) valamint nagy nyomáson (~200MPa) szerves molekulák képződnek szervetlenekből kémiai energia segítségével (kemoautrófia):
Energia forrás:
FeS + H2S = FeS2 +H2
Szénforrás: CO vagy CO2
Szathmáry 2003
![Page 50: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/50.jpg)
Aminosav szintézis a vas-kén világban
Guzman 2011
![Page 51: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/51.jpg)
● Autokatalitikus
● Mellékreakciók biomolekulákat állítanak elő
● ZnS katalizátor
Fordított Szent-Györgyi-Krebs ciklus (rTCA)
Guzman 2011
![Page 52: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/52.jpg)
rTCA
UV fénnyel aktivált ZnS katalizátorral
Guzman 2011
![Page 53: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/53.jpg)
Alternatív megoldások a
prebiotikus szintézisek problémáira
A nukleotidok, nem a cukor+bázis+foszfát útvonalon állnak össze
Powner 2009
![Page 54: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/54.jpg)
„Fagyott világ”
Víz-jég eutektikumban a nukleotidok könnyebben polimerizálódnak ha az oldat híg és van benne Mg2+ és Pb2+, mert a monemerek feldúsulnak a jég-alkotta mátrixban
Monnard 2003
![Page 55: ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és ...plantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/prebiotikus_szintezisek.pdf · evolúciós folyamatokban 1) katalizátor 2)](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041622/5e400ab353bce9429510fe67/html5/thumbnails/55.jpg)
Ősleves vs. ŐspizzaŐsleves elmélet
• sokféle biomolekula
• kémiailag nehezen elképzelhető
Őspizza elmélet
• kevesebb fajta biomolekula
• kémiailag realisztikusabb
Őspalacsinta elmélet
Sokféle molekula képződött az őslégkör-ősleves rendszerben, amelyek aztán felülethez kötődtek és bonyolult biomolekulákká (DNS, RNS, fehérje stb.)
alakultak.