Formování stavebních bloků života aneb molekuly tvořící život

Transkript

1 Formování stavebních bloků života aneb molekuly tvořící život istorický přehled Vladimír Kopecký Jr. Fyzikální ústav Univerzity Karlovy v raze ddělení fyziky biomolekul //atrey.karlin.mff.cuni.cz/~ofb/kopecky.html kopecky@karlov karlov.mff.cuni.czcz J. L. Bada and A. Lazcano,, Science 300 (2003) rebiotická evoluce 1924 A. I. parin ukazuje, že prvotní organismy musely být heterotrofní a užívat anaerobní fermentaci,, navrhuje vznik života za přítomnosti 3, uhlovodíků a sloučeni +kov (karbidů) 1927 J. B. S. aldane ukazuje na nepřítomnost 2 a 3 v prvotní atmosféře 1938 parin přichází s ideou redukční atmosféry,, přítomnosti UV záření a výbojů v prvotní atmosféře 1953 S. L. Miller a. Urey (Univ. of hicago) syntéza aminokyselin 1961 J. ró ó (Univ( Univ. of ouston) syntéza bází nukleových kyselin Aleksandr Ivanovič parin ( ) 1980) J. B. S. aldane ( ) 1964) Stanley L. Miller (*1930) rebiotická evoluce složení atmosféry Atmosféra Složení Redukční 4, 3, 2, 2, 2 2, 2, 2, 2 2, 2, 2 eutrální 2, 2, 2 xidační 2, 2, 2, 2 ůvodní parinův návrh redukční atmosféry obsahoval 4, 3, 2, 2 Shodné složení plynů užil i Miller ve svém experimentu eutrální a oxidační atmosféry nevedou ůvodní experimentální k abiotické syntéze aminokyselin aparatura S. L. Millera rebiotická syntéza aminokyselin rebiotická syntéza aminokyselin výtěžek V roce 1952 provádí S. L. Miller experiment (v laboratoři.. Ureyho) ) se silně redukční atmosférou S. L. Miller, Science 117 (1953) Sloučenina Relativní výtěžek kys.. mravenčí 1000 glycin 270 kys. glukonová 240 alanin 146 kys.. mléčná 133 β-alanin 64 kys.. octová 64 sarkosin 21 kys.. jantarová 17 močovina 9 -methylalanin 4 kys. glutamová 3 kys. asparagová 2 S. L. Miller, Biochim. Biophys.. Acta 23 (1957)

2 rebiotická syntéza aminokyselin arada a Fox modifikovali Millerův experiment dstranili elektrody a nahradili je píckou s ohřevem a s přidáním křemenného písku jako katalyzátoru Zvyšuje se podíl proteinogenních aminokyselin (Ala, Gly, Asp, Glu, Lys,, Trp, is, Asn) okusy jsou kritizovány (teplota <120 je přijatelnější) K. arada and S. W. Fox, ature 201(1964) 335. J. G. Lawless and. D. Boynton, ature 243 (1973) 450. rebiotická syntéza aminokyselin difikace Millerova experimentu odstranění elektrod a nahrazení UV- výbojkou ři ozařování směsi 4, 2 6, 3 a 2 UV zářením ( nm) vzniká převážně Gly,, Ala a kys. α- aminobutanová ři ozáření směsi 4,, 3 a 2 UV-zářením ( nm) vzniká Gly,, Ala, Val,, hydrazin,, močovina, formaldehyd, etc. Formaldehyd či sirovodík je možno užít jako fotosensibilizační činidla (při expozici nm) W. Groth &. von Weyssenhoff, aturwissenchaften 44 (1957) Dododnova & A. L. Sidorova, Biophysics 6 (1961) 14. rebiotická syntéza aminokyselin Stabilita aminokyselin v přítomnosti minerálů vznikající Steckerovou reakcí s aldehydy mohou racemizovat,, reakce s ketony vede k neracemizujícím aminokyselinám Meziprodukt Stackerovy syntézy aminonitril R( 2 ) má krátký poločas rozpadu 1000 let při 0 Reakce musí probíhat relativně rychle Je závislá na koncentraci 3 a, na p a teplotě 3 mohl být při p 8,1 rozpuštěn v oceánech; v plynném stavu je rozkládán UV-zářením Efekt teploty a tlaku na poločas života leucinu (Leu). okus byl proveden ve vodném roztoku, v nepřítomnosti minerálů. Efekt přidání minerálního pufru na stabilitu Leu. Experimentální tlak byl 50 Ma. J. A. Brandes et al., 30th Lunar and lanetary onference, ouston (2003), pp Stabilita aminokyselin v přítomnosti minerálů jako katalyzátory Vysoké tlaky a teploty degradují, ale urychlují polymerizační reakce řítomnost minerálů, především sulfidů kovů (FeS a is) má stabilizační účinek Minerály mohly hrát roli stabilizujícího prostředí u hydrotermálních pramenů Efekt tlaku na stabilitu Leu v přítomnosti (tlaky ca Ma) minerálů. Experiment prováděn při teplotě 200 a inkubaci vzorku 24 hodin. J. A. Brandes et al., 30th Lunar and lanetary onference, ouston (2003), pp Meziplanetární hmota obsahu s převahou L-L formy o % Syntéza cukrů ze směsi glykolaldehydu a formaldehydu (p 5,4; 50 ) za přítomnosti aminokyselin s převahou jedné formy ukazuje vychýlení izomerie cukrů ve prospěch opačné formy Vzniká asymetrie až 60 % a cukry ve vodném prostředí snadno racemizují,, sic! Threosa může nahradit ribózu v molekule RA, sic! Efekt aminokyselinového katalyzátoru na asymetrickou syntézu threosy a erythrosy z glykolaldehydu.. S-ivalineS značí L-2-aminoL 2-methyl butiric acid. S. izzarelo and A. L. Weber, ature 303 (2004) 1151.

3 Abiotická syntéza adeninu V roce 1960 při reminiscencích na Millerův pokus získal John ró adenin z roztoku a 3 cirkulujícím ve shodné aparatuře po několik dní. Výtěžnost reakce je 0,5 %, vedlejšími produkty jsou 4-aminoimidazol4 aminoimidazol-5- karboxyamid a kyanidový polymer. 2 + hydrogen cyanide cyanide 2 2 formamidin 2 diaminomaleonitrile ( tetramer) 2 2 formamidin aminomaleonitrile ( trimer) 2 J. ró, Biochem. Biophys. Res. ommun.. 2 (1960) adenine Abiotická syntéza adeninu V roce 1966 ukázali Ferris a rgel,, že limitující část róva cyklu lze obejít dvoufotonovým procesem 2 2 diaminomaleonitrile ( tetramer) hν 2 2 diaminofumaronitrile hν Reakce mohla být v podmínkách primitivní Země urychlena v eutektickém roztoku a 2, kde během měsíců při teplotách 10 až 30 samovolně vzniká tetramer 2 J.. Ferris and L. E. rgel,, J. Am. hem.. Soc. 88 (1966) adenine Abiotická syntéza purinů Syntéza purinů je obdobná k syntéze adeninu Výtěžky ostatních purinů jsou 10 až 40 nižší než pro adenin adenine diaminopurin isoguanine hypoxantine guanine xantine J. W. Schopf (Ed.): Life s origin. Univ. of alifornia ress (2002) ) p. 94. Abiotická syntéza cytosinu a uracilu Reakcí kyanoacetylenu s vzniká cytosin,, reakce vyžaduje nerelistické koncentrace (>0,1( M) Reakce kyanoacetylenu s močovinou nevede k detekovatelnému množství cytosinu,, ale při simulaci podmínek vypařování v lagunách (cyklické koncentrování látek) lze získat > 50% % výtěžek cytosinu Uracil vzniká deaminací z cytosinu cyanoacetylene cyanoacetaldehyde 2 urea 2 2 cytosine uracil M.. Robertson and S. L. Miller, ature 375 (1995) Krok ke světu RA a aminokyselinám 2S S - guanidine 2 2 phenol 3 indole 2 imidazole ukry Abiotická syntéza cukrů ukry vznikají Butlerovovou syntézou (1861) za alkalických podmínek Reakce je katalyzována a() 2 a a 3, jílové minerály mohou při 100 také sloužit jako katalyzátory s malým výtěžkem evýhody Butlerovovy syntézy Generuje velké množství rozmanitých cukrů >40 ukry vznikají jako racemická směs L a D formy (pouze D-ribosaD je přítomna v organismech) reverse aldol ukry mají podobné vlastnosti a nelze je snadno koncentrovat formaldehyd glykoladehyd glyceraldehyd dihydroxyaceton J. W. Schopf (Ed.): Life s origin. Univ. of alifornia ress (2002) ) p. 97. ETSY EXSY. Reid and L. E. rgel, ature 216 (1961) 455.

4 ukry Stabilita v závislosti na teplotě a p ukry Jsou cukry vhodný stavební materiál? Stupeň rozkladu ribosy jako funkce pd udaný pro různé teploty. oločas rozpadu při pd 7,4 a 100 je 74 min., při dnů, při 0 44 let Stupeň rozkladu aldos při pd 7,4 a teplotě 100 v 50 mm fosfátovém pufru vs. molární frakce (X) volného aldehydu R. Larralde et al., roc. atl. Acad. Sci.. USA 92 (1995) estabilita cukrů je diskvalifikuje jako významnou součást prebiotické evoluce ukry bylo možno v prebiotické evoluci uchovávat prostřednictvím cyklu ribosa+ + kyanohydrin (hydrolýza) kys. aldonová (stabilní dlouhodobě) (enzymaticky) ribulosa (izomerizace) ribosa ukry musely být nahrazeny v prvním genetickém materiálu např. peptidy nebo jinou necukernou kostrou Glykolýza je zřejmě jedním z prvních zdrojů energie, ale musela se vyvinout až po prebiotické evoluci R. Larralde et al., roc. atl. Acad. Sci.. USA 92 (1995) ukleotidy RA katalyzovaný vznik nukleotidu Syntéza nukleotidů je závislá na vzniku glykosidické vazby Vazba se tvoří mezi 1 ribosy a 9 purinu nebo 1 pyrimidinu S 1 reakce yrofosfát i se odštěpí S 2 reakce Vzniká + nabitý 1 i se váže na RA ukleofilním atakem se Vzniká positivně nabitý 1 naváže báze ukleofilním atakem se naváže báze glykosidickou vazbou glykosidickou vazbou za současného Užíváno nukleosid odštěpení i fosforibosyl transferásami. J. Urnau and D.. Bartel, ature ature 395 (1998) ukleotidy radávná alternativa AT? ukleosid trifosfáty Substrát moderního života Velice silně polární molekula ízká chemická reaktivita ukleosid fosforoimindazolidy Modelový prebiotický substrát Méně polární, více permeabilní Vysoká chemická reaktivita J.. Ferris et al., ature 381 (1996) hemická evoluce biomolekul z Vznikl život na ledové Zemi hrál zřejmě nejdůležitější roli při vzniku biomolekul V atmosféře snadno vzniká působením výbojů a je nesnadno destruovatelný UV zářením Bohužel snadno reaguje s 2 za vzniku formamidu a posléze tetramer puriny pyrimidiny nitrily kyanamid kyanacetylen aminonitrily dikyanamid porfyriny kyanovinylfosfát polypeptidy puriny porfyriny polymery kondenzační činidla

5 nebo v horkém zřídle? v Darwinově teplém rybníčku ikdo to nerad horké Složitost první organické syntézy Teplota tání DA dle zastoupení G + párů Analýza společného předka na základě zastoupení G + párů v rra oločasy rozpadů jednotlivých bází ři dní, A G U 12 let, při let, A G U let oločasy rozpadů cukrů ři minut, při 0 44 let R. Larralde et al. AS 92 (1995) S. Levy & S. Miller Science 302 (1998( 1998) ) 618. ancyzc et al.. Science 302 (2003) 618. Spletité cesty života