6. ELÄMÄN ALKU
6. ELÄMÄN ALKU
6. ELÄMÄN ALKU
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>6.</strong> <strong>ELÄMÄN</strong><br />
<strong>ALKU</strong><br />
Kirsi Lehto<br />
22.09.2011
<strong>6.</strong>1. Mitä se elämä olikaan…?<br />
• Geneettiseen informaatioon perustuva<br />
molekyyliverkosto joka pystyy uudistumaan<br />
ja ylläpitämään itseään –<br />
• --- ja informaation muuntumisen kautta aina<br />
sopeutumaan uusiin olosuhteisiin<br />
(populaatioiden kehittyminen, evoluutio)
Elämän toimiva yksikkö on solu<br />
• Solut rakentuvat<br />
– Kalvot lipideistä<br />
– Geneettinen informaatio<br />
nukleotideista<br />
– Rakenteet, kemialliset katalyytit<br />
proteiineista (aminohapoista)<br />
– Energiayhdisteet ja rakenteet<br />
sokereista ja niiden<br />
polymeereista<br />
– Liuottimena vesi<br />
Kaikki toisistaan riippuvaisena<br />
monimutkaisena verkostona<br />
→ itseään YLLÄPITÄVÄ<br />
KONEISTO
Elämän yhteinen perusta: Geneettinen<br />
informaatio ohjaa toimintoja ja rakenteita<br />
• Geneettisen informaation<br />
rakenne (DNA), geneettinen<br />
koodi ja sen<br />
ilmentämiskoneisto ovat<br />
samanlaiset kaikissa eliöissä<br />
→ Periytyy yhteisestä<br />
alkuperästä<br />
• Informaatio syntyy<br />
vuorovaikutuksessa<br />
ympäristön kanssa
P<br />
P<br />
Geenisekvenssit muodostuvat<br />
A, T, G ja C nukleotideista<br />
4<br />
5<br />
3<br />
O<br />
2<br />
1<br />
O<br />
OH<br />
Nukleotidit liittyvät toisiinsa<br />
Fosfo-di-esteri-sidoksella<br />
sokerimolekyylien 3' ja 5 ' hiiliatomien<br />
välillä. Nukleotidiketju<br />
kasvaa aina 5 ' suunnasta 3 '<br />
suuntaa
Geneettisen informaation rakenne<br />
– DNA-juosteet kopioituvat toisistaan,<br />
RNA taas DNAsta, edestakaisin, aina<br />
hännästä alkuun ja takaisin häntään<br />
– A ja T (U), G ja C – nukleotidit<br />
aina toisikseen<br />
– Kaksisuuntainen rakenne<br />
mahdollistaa informaation<br />
kopioimisen<br />
Peilikuvaksi ja siitä takaisin
Translaatio:<br />
Ribosomit kääntävät geneettisen informaation<br />
(DNAn nukleotidijärjestyksen, ensin kopioituna<br />
lähetti-RNA nukleotidijärjestykseksi)<br />
polypeptidien aminohappojärjestykseksi<br />
geneettisen koodin avulla<br />
Geneettinen koodi: kolme peräkkäistä nukleotidia<br />
vastaa tiettyä aminohappoa<br />
Aminohappoja käytössä 20 eri laista, näillä erilaiset<br />
sähköiset tai polaariset ominaisuudet
Translaatiokoneiston mRNA, tRNA ja ribosomit<br />
• Siirtäjä-RNAt (tRNA) pieniä, noin 70<br />
nukleotidia, RNA juosteita, jotka laskostavat<br />
tyypilliseen L:n muotoiseen rakenteeseen –<br />
jokaista aminohappoa varten on olemassa oma<br />
tRNA.<br />
• tRNA:n toisessa päässä on kolme nukleotidia<br />
(antikodoni), joka tunnistaa mRNAsta ko.<br />
aminohapon oman koodin.<br />
• Ribosomi on suuri molekyylikompleksi<br />
(aitotumallisissa 85 proteiinia ja 4 RNAta ja<br />
esitumallisissa n 50 proteiinia ja 3 RNAta).<br />
• lukee mRNAta ja liittää aminohapot toisiinsa<br />
sen mukaisessa järjestyksessä, geneettisen<br />
koodin mukaisesti.
Translaatiokoneiston alkuperä?<br />
Informaation perusteella tuotetut proteiinit ovat koko<br />
koneiston säätelytekijöitä.<br />
Miten koneisto saattoi käynnistyä ennen kuin proteiineja oli<br />
olemassa?<br />
MUNAN ja KANAN ONGELMA<br />
Koneiston keskeiset ovat ovat RNAta<br />
rRNA molekyylit katalyyttisiä!!!<br />
→ Kaikki translaatiokoneiston toimivat osat ovat RNAta,<br />
ja ovat molekyylifossiileja RNA maailman ajalta
<strong>ELÄMÄN</strong> <strong>ALKU</strong>UN LIITTYVIÄ<br />
KYSYMYKSIÄ<br />
• Mistä ja miten RNA maailma syntyi?<br />
• Mistä sen komponentit (ribonukleotidit) tulivat?<br />
Miten ne pystyivät ketjuuntumaan? Miten ketjut<br />
pystyivät kopioitumaan?<br />
• RNAn informaatio aluksi rakenteellista – mistä<br />
tämä ENSIMMÄINEN info tuli?<br />
• Edelsikö RNA-maailmaa joku muu (ohjaava)<br />
informaatio-formaatti?
...lisää kysymyksiä<br />
• Missä sopivat olosuhteet? Riittävästi<br />
lähtöaineita, olosuhteet jotka suosivat<br />
kompleksisten molekyylien muodostusta?<br />
• Miten replikoituva koneisto pystyi<br />
saavuttamaan riittävän kompleksisuuden?<br />
• Miten (ja miksi) proteiinisynteesi<br />
käynnistyi?<br />
• Mistä tulivat aminohapot?<br />
• Miten (ja miksi) syntyi geneettinen koodi<br />
• Miten (ja miksi) syntyivät solukalvot?
<strong>6.</strong>2. Missä ja milloin elämä alkoi?<br />
• Milloin<br />
Vanhimmat<br />
säilyneet Isuakalliot<br />
Länsi-<br />
Grönlannissa ovat<br />
n. 3 800 milj.<br />
vuotta vanhoja ja<br />
sisältävät<br />
eloperäisiä (?)<br />
hiilisedimenttejä<br />
(M. Rosing 1999)
Barbetonin viherkivestä löydettyjen<br />
fossiilien välitön ympäristö (3.5Gvuotta)<br />
• anaerobinen<br />
• korkea UV<br />
• hyvin vulkaaninen<br />
• myrskyisä<br />
• korkeat vuorovedet<br />
• lämpötila?<br />
• ilman koostumus?<br />
• mantereet? – matalia vesiä<br />
Elämä tarvitsi suojapaikkoja, tarpeeksi vakaat olosuhteet ja<br />
suljetun ympäristön jotta monimutkaistumisen kemia olisi<br />
mahdollista.<br />
Elämä saattoi käyttää ympäristön voimakkaita gradientteja<br />
energialähteenä<br />
Hydrothermal veins
Viimeinen yhteinen esi-isä, LUCA<br />
• Monimutkainen solukoneisto<br />
rakentunut vaiheittain, alkaen<br />
mahdollisimman<br />
yksinkertaisista toimivista<br />
(kopioituvista) rakenteista<br />
→ LUCA<br />
LUCAlla oli jo olemassa<br />
• geneettinen informaatio<br />
• proteiinisynteesikoneisto<br />
• solurakenne – ainakin jonkinlaisia kalvostoja ja<br />
kalvoproteiineja<br />
• yksinkertaisia energian muuntoreaktioita<br />
• nukleotidien synteesi ja hajoitusreittejä
Lukemistoja varhaisimmista<br />
Barberton (3.5 G Vuotta):<br />
elämänmuodosita<br />
F. Westall et al, 2006, Phil Trans R Soc B 361, 1857<br />
F. Westall, G Southam, 2006, ”The Early record of Life”,<br />
Archaen geodynamics and Environments, Geophysical<br />
monograph 164, AGU<br />
Isua (3.9 G Vuotta): M. T. Rosing 1999 Science 283, 674
<strong>6.</strong>3. Elämän syntyyn liittyviä<br />
faktoja ja hypoteeseja
Heterotrofinen hypoteesi<br />
• Oparin (1938), Haldane (1929) ja Horowitz (1945)<br />
kehittivät ”Heterotroofisen hypotesin”, nimi<br />
hämäävä, oikeastaan KEMOTROFINEN!<br />
• Kaikki tarvittavat komponentit olivat prebioottisesti<br />
tuotettuina ”valmiina” ympäristössä.<br />
→ Elämä syntyi olemassa olevista komponenteista<br />
spontaanin, kemiallisen organisoitumisen kautta<br />
– Orgaanisten molekyylien synteesi<br />
– Kopiotuvan kompleksin muodostuminen
RNA tuli ennen proteiinisynteesiä<br />
• Geneettisen koodin kuljettaja<br />
• Translaatiokoneiston keskeiset osat muodostuvat<br />
RNAsta<br />
• Itsekatalyyttinen +<br />
• voi sisältää informaatiota<br />
→ RNA maailma<br />
• Kemiallisesti vaikea:<br />
– nukleotidien synteesi<br />
– polymerisoituminen<br />
• suuri taipumus tehdä muuta kuin 3´ –5´ sidoksia!<br />
– Informaation tuotto tyhjästä (N ≥ n.50)<br />
– Variaatioita → LUO ja HÄVITTÄÄ informaatiota
Nukleotidien ja polynukleotidien muodostuksen ongelmia:<br />
Joyce 2002, Nature 418:214
Muita mahdollisia polynukleotidijuosteita<br />
PNA tai TNA – ehkä nämä ensin??<br />
• Helpompi kemia kuin RNA:lla<br />
• Kiraaliton selkäranka<br />
• Samat emäsosat kuin RNA:lla<br />
⇒ Mahdollistaa siirron RNA juosteeksi
PROTEIINIEN ILMESTYMINEN ?<br />
• Varsinaisia proteiineja ei voinut olla heti (”rakennusohjeet ja<br />
koneisto puuttuivat”)<br />
• Proteiinisynteesikoneisto TOSI VAIKEA TUOTTAA!!!<br />
• ensimmäiset ”tuotetut” proteiinit täysin sattuman varaisia<br />
• Aiemmin saattoi olla proteiininkaltaisia molekyylejä?<br />
– aminohappojen tioesterit (-COOH:n paikalla –CO-S-R 1 )<br />
– Pystyvät itse polymeroitumaan (ketjuuntumaan)<br />
⇒ Aminohappopolymeerejä<br />
• Energiarikkaita molekyylejä<br />
• Ei tarvita geneettistä infoa näiden tuottamiseen →<br />
sattumanvaraisia ⇒ ei ole toistettavissa, ei voi kehittyä ...
Kalvostot ensin?<br />
• Komponentit pitää sitoa yhteen<br />
• Hiilivetyketjuja<br />
• Yli kymmenen hiilen ketjut muodostavat<br />
spontaanisti kalvoja veden pinnalle<br />
• ”Merenvaahto”<br />
– Merenvaahto veden pinnalle kertyvistä hydrofobisista<br />
molekyyleistä<br />
– kuplia → voi sulkea sisäänsä erilaisia molekyylejä<br />
Ongelmia:<br />
– kalvo ei ole läpäisevä<br />
– ”solujen” jakautuminen ei onnistu tarkasti<br />
• Nykyisin tehdään lipidikeinosoluja
Solukalvojen synty – hypoteeseja ??<br />
kuivaaminen<br />
kosteuttaminen<br />
lamelleista syntyy<br />
uudelleen vesikkeleitä<br />
vesikkelit<br />
muodostavat<br />
lamelleja<br />
(Deamer et al. 1994)<br />
Ongelmia:<br />
-aineenvaihdunnan vaikeus<br />
-solunjakaantumiskoneiston puuttuessavesikkellä<br />
ei ole mitään jatkuvuutta
Solukalvojen synty – lisää<br />
• Solukalvot syntyivät<br />
vasta geneettisesti<br />
tuotettujen<br />
proteiinien<br />
ohjaamina<br />
• Aluksi tarvittiin joku<br />
muu rajaava pinta!!<br />
hypoteeseja
Joku muu rajaava pinta?<br />
• Pintakemiaa?<br />
– Saven päällä<br />
• RNAn polymerisointi<br />
– Läpäisemättömien vesikkeleiden ulkopinnalla<br />
– Vesikuplat jään sisällä<br />
• nukleotidiemästen prebioottinen synteesi sekä<br />
polymerisoituminen ovat tehokkaampia kylmissä<br />
olosuhteissa<br />
– Metallisaostumien huokosissa<br />
MUSTISSA TAI VALKEISSA SAVUTTAJISSA
Kaikki komponentit rinnakkain?<br />
• Elämän komponenteilla voimakas keskinäinen<br />
vuorovaikutus<br />
• <strong>ALKU</strong>LIEMI (PRIMORDIAL SOUP) – KAIKKI<br />
KOMPONENTIT KEHITTYVÄT SAMASSA<br />
SULJETUSSA TILASSA<br />
→ toiminnalliset komponentit pitää saada lopulta<br />
saman ’kuoren’ ( = solukalvon) sisään<br />
→ yhteinen valintaetu → elävä yksikkö<br />
→ vuorovaikutteinen, takaisin säädelty kehittyminen
Prebioottinen<br />
Solullinen<br />
Rinnakkaiskehitys??<br />
”ESIAINEENVAIHDUNTA”<br />
Polynukelotidien synteesi<br />
RNA replikaatio<br />
Solukalvo??<br />
RNAn ohjaama peptidisynteesi, satunnainen!<br />
Translaation kehittyminen<br />
Solukalvo??<br />
Proteiinientsyymien toiminta alkaa<br />
VALMIS AINEENVAIHDUNTA<br />
Tarvitaan:<br />
Nukleotideja+<br />
s-peptidejä<br />
pintakemiaa<br />
tRNA, rRNA<br />
”m”RNA
Lukemisto tälle kerralle<br />
• Martin W, Russell MJ (2003) On the origin<br />
of cells: An hypothesis for the evolutionary<br />
transitions from abiotic geochemistry to<br />
chemoautotrophic prokaryotes, and from<br />
prokaryotes to nucleated<br />
cells. Philosophical Transactions of the<br />
Royal Society of London. 358, 59-85.<br />
• http://www.gla.ac.uk/projects/originoflife/html/200
<strong>6.</strong>4. Biomolekyylien alkuperä<br />
• Pelkistyneitä hiiliyhdisteitä<br />
• Kuumat lähteet, mustat savuttajat ?<br />
• Saatavana paljon energiaa, kemikaaleja, vettä<br />
• Kaikki kiehuu ja hajoaa helposti<br />
• Sopiva vaihettumisvyöhykekö?<br />
• Yhteinen esi-isä (hyper)termofiili<br />
– Johtuiko siitä että syntyi kuumassa lähteessä<br />
– Vai siitä että vain nämä selvisivät katastrofista?<br />
• Komeetat ?<br />
– Energiaa (UV), vettä, mineraaleja, hiiltä, jäiset olosuhteet<br />
• Ilmakehä ? Vuorovesilammikot? Maaperä ?
Biomolekyylien spontaani<br />
synteesi ilmakehän molekyyleistä<br />
• Hypoteesi (Oparin ja Urey):<br />
– Pelkistävän ilmakehän kaasut<br />
– Saturnuksen (!) kaltainen pelkistävä CH 4, NH 3,<br />
H 2 O, H 2 ilmakehä seos<br />
• Miller ja Urey:n kokeet:<br />
– Pullossa pelkistävät kaasut + vesi<br />
– Salamointia/Auringon valoa<br />
– Kokeilivat hieman erilaisia kaasuseoksia
Aminohappojen prebioottinen<br />
synteesi<br />
• Miller + Urey (1953-55): Kokeilivat erilaisia<br />
pelkistäviä kaasuseoksia → Pieniä orgaanisia<br />
aineita RCHO, HCN, NH 3 → Orgaanisia happoja<br />
ja aminohappoja (noin 15-50 erilaista), riippuen<br />
ennen kaikkea H 2 :n määrästä.<br />
• H 2 +CO, H 2 +CH 4 tuottivat<br />
• CO 2 –pitoisessa ilmakehässä ei<br />
• Mustissa savuttajissa ~Millerin ja Ureyn<br />
olosuhteet:<br />
150 C, 10 bar, HCN, H 2 CO, NH 3 , metallikatalyytit<br />
→ aminohappoja
Mutta: Varhaisen ilmakehän<br />
koostumus oli: CO 2 , N 2 , H 2 O,<br />
(CO, H 2 )
Aminohapot syntetoituvat formaldehydin (H 2 C=O),<br />
vetysyanidin (HCN) ja ammoniakin (NH 3 ) reaktioista<br />
Streckerin reaktio:<br />
CH 4 , NH 3<br />
pyrolyysi<br />
CH 4 +NH 3 +H 2 O+H 2 S fotolyysi<br />
Phenylalaniini, Tyrosiini +NH 3 Tryptofaani<br />
Kysteiini<br />
Puuttuvat aminohapot: lysiini, arginiini, histidiini
Sokereiden/Riboosin<br />
prebioottinen synteesi<br />
• (Deoxi)Riboosi on osa DNA/RNAta<br />
• Sokereiden synteesi tunnettu jo yli 100 vuotta<br />
• Formoosi reaktio:<br />
– Formaldehydi CH 2 O+ sopivia katalyyttejä, 100C<br />
– tulee paljon sokereita, jotka muuntuvat toisikseen<br />
– myös riboosia, mutta hyvin vähän. Miten saataisiin<br />
lisää?<br />
• Jos lähtöaineena alussa formaldehydin lisäksi<br />
myös glykoaldehydiä CHO - CH 2 OH niin tulee<br />
paljon riboosia. (löytyvät jo avaruudesta!)
Riboosin synteesi:<br />
Sokereiden synteesi formaldehydistä<br />
formose-reaktion kautta (Butlerow 1861):<br />
Sokereiden synteesi glykoaldehydifosfaatista<br />
ja formaldehydistä:
Nukleotidien emäsosien<br />
prebioottinen synteesi<br />
• 4HCN (vetysyanidi) + NH=CH–NH 2 (Formamidiini)<br />
→ A,G<br />
– m.m. -10 ...-30C jäähtyneessä vetysyanidi liuoksessa<br />
• Syanoasetyleeni+Urea+Syanaatti → U,T,C<br />
– m.m. ”Kuivan laguunin” olosuhteet
Saladino et al. 2005:<br />
(S et al, 2005, ChemBioChem, 6, 1368,<br />
S el al 2005, J Bio Chem, 280, 35658<br />
S el al 2006, J Bio Chem 281, 5790,<br />
S el al 2006, ChemBioChem, 7, 1707)<br />
Nukleotidien emäsosien<br />
ja asyklonukleotidien<br />
muodostaminen<br />
suoraan formamiidista<br />
• Formamiidi syntyy kun<br />
vetysyanidiin sekoitetaan<br />
vettä.<br />
• Formamiidi on vesiliukoinen, vakaa, 100%<br />
• Emäsosien katalysointi tapahtuu eri fosfaateilla<br />
• Tuotaa myös puriini ja adeniini asyklonukleotidejä (32-34) ja Nformylglysiniä<br />
ja karbodiimidiä (pieni lineaarinen molekyyli,<br />
joka toimii aminohapoissa).
Nukleosidien prebioottinen<br />
synteesi<br />
• Emäsosien ja riboosien<br />
yhteenliittyminen<br />
• Prebioottisesti vaikea reaktio,<br />
paljon vääriä tuotteita!<br />
• Magnesiumsuolat, ja<br />
kuumentaminen<br />
• Toimii puriineilla (A+G),<br />
mutta ei ole onnistuttu<br />
tekemään pyrimidiineillä<br />
(muut)
cyanamide<br />
Pyrimidine ribonucleotide assembly options<br />
urea<br />
cyanoacetaldehyde<br />
cyanoacetylene<br />
glycoaldehyde<br />
2-AMINO-OXAZOLE<br />
ANHYDRO-ARABINO-<br />
NUCLEOSIDE<br />
INORGANIC<br />
PHOSPHATE<br />
glyseraldehyde<br />
MW Powner et al. Nature 459, 239-242 (2009) doi:10.1038/nature08013<br />
Formose reaction<br />
furanose form of ribose<br />
DOES NOT WORK<br />
β- ribocytidine<br />
2’,3’-phosphate
Nukleotidien polymeroituminen<br />
• Kemisteille vaikea reaktio<br />
• Max n. 20-50 mittaisia oligomeerejä<br />
( = polymeerejä)<br />
• Arvellaan olevan jo lähellä toimivan<br />
kokoisia.<br />
• Perustuu sähköiseen sitoutumiseen (+<br />
varautuneitten alumiinisilikaattilevyjen<br />
pinnalle).
Mononukleosideista oligonukleotideihin<br />
Tarvitaan<br />
– Aktivoituja nukleotideja<br />
– Katalyysiä: metalli-ionit tai savi
... ja jääkiteiden sisällä<br />
• Polymeroituminen –18C:ssa voi olla<br />
tehokasta.<br />
• Konsentraatio ja rauhoittuminen<br />
• Komeetat, Europa, superjääkaudet?
Kanavarioti et al. 2001, Astrobiology 1:271-281<br />
Eutechtic Phases in Ice Facilitate Nonenzymatic Nucleic Acid Synthesis
Change language