6. ELÄMÄN ALKU
6. ELÄMÄN ALKU
6. ELÄMÄN ALKU
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<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