Vladimír Kopecký Jr. Fyzikální ústav Univerzity Karlovy v Praze Oddělení fyziky biomolekul

Transkript

1 Formování stavebních bloků života aneb molekuly tvořící život Vladimír Kopecký Jr. Fyzikální ústav Univerzity Karlovy v Praze ddělení fyziky biomolekul kopecky@karlov.mff.cuni.cz istorický přehled J. L. Bada and A. Lazcano, Science 300 (2003) Prebiotická 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 (Univ. of ouston) syntéza bází nukleových kyselin Aleksandr Ivanovič parin ( ) J. B. S. aldane ( ) Stanley L. Miller ( ) 1

2 Prebiotická evoluce složení atmosféry Atmosféra Složení Redukční 4, 3, 2, 2, 2 2, 2, 2, 2 2, 2, 2 eutrální 2, 2, 2 xidační č 2, 2, 2, 2 Původní parinův návrh redukční atmosféry obsahoval 4, 3, 2, 2 Shodné složení plynů užil i Miller ve svém experimentu eutrální a oxidační atmosféry nevedou k abiotické syntéze aminokyselin Původní experimentální aparatura S. L. Millera Prebiotická syntéza aminokyselin V roce 1952 provádí S. L. Miller experiment (v laboratoři.. Ureyho) se silně redukční atmosférou S. L. Miller, Science 117 (1953) Prebiotická syntéza aminokyselin výtěžek 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)

3 Prebiotická 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) Pokusy jsou kritizovány (teplota <120 je přijatelnější) K. arada and S. W. Fox, ature 201(1964) 335. J. G. Lawless &. D. Boynton, ature 243 (1973) 450. Prebiotická syntéza aminokyselin Modifikace Millerova experimentu odstranění elektrod a nahrazení UVvýbojkou Při ozařování směsi 4, 2 6, 3 a 2 UV zářením ( nm) vzniká převážně Gly, Ala a kys. α- aminobutanová Při 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. Prebiotická syntéza vs. atmosféra Experimenty předpokládaly silně redukční atmosféru Prvotní atmosféra byla pravděpodobně mírně redukční Do atmosféry unikaly vulkanické plyny (především a 2 ) a 2, který mizel do kosmu Přítomnost 4 a 3 závisí na oxidačních možnostech zemské kůry Atmosféra ale nebyla oxidační do ca. 2,5 Gy J. F. Kasting, Science 259 (1993)

4 Prebiotická syntéza aminokyselin Atmosférické podmínky jsou klíčové pro syntézu aminokyselin I když jsou výtěžky v atmosféře malé, nejsou nulové, sic! G. Schlesinger, S. L. Miller, J. Mol. Evol. 19 (1983) Prebiotická syntéza aminokyselin repete Původní provedení Millerova experimentu s parogenerátorem Pára generuje v jiskrové komoře radikály reagující s AA i s prekurzory Podtržené AA byly pozorovány poprvé A. P. Johnson et al., Science 322 (2008) 404. Prebiotická syntéza aminokyselin repete Vulkanická aparatura generuje vetší pestrost aminokyselin při zachování výtěžku I když nebyla atmosféra redukční, redukované plyny a výboje běžně provází výbuchy sopek! Prekurzory a AA se vymyjí z atmosféry Klasický design Vulkanický Tiché vybíjení AA standardy PL A. P. Johnson et al., Science 322 (2008)

5 Prebiotická syntéza aminokyselin 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 Stabilita aminokyselin v přítomnosti minerálů Efekt teploty a tlaku na poločas života leucinu (Leu). Pokus byl proveden ve vodném roztoku, v nepřítomnosti minerálů. Efekt přidání minerálního pufru na stabilitu Leu. Experimentální tlak byl 50 MPa. J. A. Brandes et al., 30th Lunar and Planetary onference, ouston (2003), pp Stabilita aminokyselin v přítomnosti minerálů Vysoké tlaky a teploty degradují aminokyseliny, ale urychlují polymerizační reakce Přítomnost minerálů, především sulfidů kovů (FeS a is) má stabilizační účinek Minerály mohly hrát roli stabilizujícího prostředí u hydrotermálních pramenů (tlaky ca MPa) Efekt tlaku na stabilitu Leu v přítomnosti minerálů. Experiment prováděn při teplotě 200 a inkubaci vzorku 24 hodin. J. A. Brandes et al., 30th Lunar and Planetary onference, ouston (2003), pp

6 jako katalyzátory Meziplanetární hmota obsahu aminokyseliny s převahou L-formy o 2 9 % 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-ivaline značí L-2-amino 2-methyl butiric acid. S. Pizzarelo and A. L. Weber, ature 303 (2004) A. Weber, rig. Life Evol. Biosphere 28 (1997) 259 Báze nukleových kyselin 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-aminoimidazol-5-karboxyamid a kyanidový polymer. 2 + hydrogen cyanide cyanide aminomaleonitrile ( trimer) 2 2 diaminomaleonitrile ( tetramer) 2 formamidin 2 aminoimidazole carbonitrile 2 formamidin 2 adenine J. ró, Biochem. Biophys. Res. ommun. 2 (1960) Báze nukleových kyselin Abiotická syntéza adeninu V roce 1966 ukázali Ferris a rgel, že limitující část róva cyklu lze obejít dvoufotonovým procesem 2 2 hν 2 hν 2 2 diaminomaleonitrile ( tetramer) diaminofumaronitrile 2 aminoimidazole carbonitrile adenine Reakce mohla být v podmínkách primitivní Země urychlena v eutektickém roztoku a 2, kde během měsíců při teplotách 10 až 30 samovolně vzniká tetramer J. P. Ferris and L. E. rgel, J. Am. hem. Soc. 88 (1966)

7 Báze nukleových kyselin Abiotická syntéza purinů Syntéza purinů je obdobná k syntéze adeninu Výtěžky ostatních purinů jsou 10 až 40 nižší než pro adenin aminoimidazole carbonitrile 2 aminoimidazole carbonitrile adenine diaminopurin isoguanine 2 hypoxantine guanine xantine J. W. Schopf (Ed.): Life s origin. Univ. of alifornia Press (2002) p. 94. Báze nukleových kyselin 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 urea cytosine uracil cyanoacetaldehyde M. P. Robertson and S. L. Miller, ature 375 (1995) Báze nukleových kyselin Krok ke světu RA a nukleovým kyselinám 3 2S S guanidine 2 2 phenol 3 indole 2 imidazole J. W. Schopf (Ed.): Life s origin. Univ. of alifornia Press (2002) p

8 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-ribosa je přítomna v organismech) ukry mají podobné vlastnosti a nelze je snadno koncentrovat reverse aldol formaldehyd glykoladehyd glyceraldehyd dihydroxyaceton PETSY EXSY. Reid and L. E. rgel, ature 216 (1961) 455. ukry Stabilita v závislosti na teplotě a p Stupeň rozkladu ribosy jako funkce pd udaný pro různé teploty. Poločas 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., Proc. atl. Acad. Sci. USA 92 (1995) ukry Jsou cukry vhodný stavební materiál? 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) d (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., Proc. atl. Acad. Sci. USA 92 (1995)

9 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 Pyrofosfát PP i se odštěpí Vzniká + nabitý 1 ukleofilním atakem se naváže báze glykosidickou vazbou Užíváno nukleosid fosforibosyl transferásami S 2 reakce PP i se váže na RA Vzniká positivně nabitý 1 ukleofilním atakem se naváže báze glykosidickou vazbou za současného odštěpení PP i P. J. Urnau and D. P. Bartel, ature 395 (1998) ukleotidy Pradávná alternativa ATP? ukleosid trifosfáty Substrát moderního života Velice silně polární molekula ízká chemická reaktivita - - P - P - P 2 ukleosid fosforoimindazolidy Modelový prebiotický substrát Méně polární, více permeabilní Vysoká chemická reaktivita 3 - P 2 J. P. Ferris et al., ature 381 (1996) Membránové lipidy Syntéza mastných kyselin Mastné kyseliny jsou syntetizovány v cyklických krocích, zřejmě bez paralely s biosyntézou Fischer Tropschova syntéza v modifikaci oonera (1979) syntetizuje řetězce až 21 uhlíků dlouhé za vysokého tlaku, teploty a v přítomnosti i nebo Fe jako katalyzátoru (užíváno v organické chemii): n + 2n 2 n 2n + n 2 n + (2n + 1) 2 n 2n Stetterova tvorba nasycených uhlovodíků v přítomnosti FeS a S v neutrálním p, při anaerobních podmínkách a teplotě = 2, =, 2 2 S 2 3 S 2 2 X 2 = 2 (X =, S, 2 ) 9

10 hemická evoluce biomolekul z 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 nitrily kyanamid kyanacetylen aminokyseliny puriny pyrimidiny aminonitrily aminokyseliny polypeptidy aminokyseliny dikyanamid puriny aminokyseliny porfyriny porfyriny polymery kyanovinylfosfát kondenzační činidla Vznikl život na ledové Zemi nebo v horkém zřídle? 10

11 v Darwinově teplém rybníčku ikdo to nerad horké Teplota tání DA dle zastoupení G + párů Analýza společného předka na základě zastoupení G + párů v rra Poločasy rozpadů jednotlivých bází Při dní, A G U 12 let, při let, A G U let Poločasy rozpadů cukrů Při minut, při 0 44 let R. Larralde et al. PAS 92 (1995) S. Levy & S. Miller Science 302 (1998) 618. ikdo to nerad horké Zastoupení izotopů, Si a umožňuje stanovit teplotu pradávných oceánů (55 85,<40, resp.) Fosfor je nezbytný biogenní prvek (dnes v koncentracích ) V jihoafrických sedimentech z 3,2 3,5 Gyr již zastoupen 9,3 19,9 (6 8 v magmatickém apatitu či meteoritech) Teplota oceánů vychází na Schéma možného cyklu fosfátu a železa v oceánu Archeánu R. E. Blake et al, ature 464 (2010) ; M. T. ren et al., ature 462 (2009)

12 Složitost první organické syntézy ancyzc et al. Science 302 (2003) 618. evýhody extrémních prostředí Prostředí Vysoké p (10 14) ízké p (<0,5) Vysoká salinita (5 M al) Vysoká teplota (<100 ) ízká teplota (< 20 ) Ionizační záření UV záření Složení hydrolizuje cukry, RA, lipidy, denaturuje proteiny, inhibuje řadu prebiotických reakcí inhibuje Steckerovu reakci a polymeraci na purinové báze, depurinuje DA, hydrolizuje a denaturuje proteiny ničí membrány, denaturuje proteiny ničí membrány, degraduje cukry, denaturuje proteiny a DA, racemizuje aminokyseliny zpevňuje membrány, zvyšuje koncentrace solí, snižuje metabolickou přeměnu vytváří volné radikály, ničí všechny biomolekuly degraduje aminokyseliny, cukry a náze, působí mutagenně. J. leaves, J.. halmers, Astrobiology 4 (2004) 1 9. Spletité cesty života 12

13 Doporučená literatura D. Deamer, J. W. Szostak (eds.): The origins of life. old Spring arbor Laboratory Press, ew York {ejlepší současný soubor vědeckých prací na téma vzniku života} M. Gargaud, B. Barbier,. Martin, J. Reisse (eds.): Lectures in astrobiology (Vol 1: From prebiotic chemistry to the origin of life on Earth). Springer, Berlin eidelberg {Učebnice astrobiologie vyžadující hlubší znalosti} J. I. Lunine: Astrobiology (A multidisciplinary approach). Pearson Education & Addison Wesley, ew York {První a skutečně základní učebnice astrobiologie} J. W. Schopf (ed.): Life s origin (The beginnings of biological evolution). University of alifornia Press, Berkeley Los Angeles London {Skvělá kniha shrnující veškeré poznatky z prebiotické evoluce} G. Zubay: rigins of life on earth and in the cosmos. Wm.. Brown Publishers, Bosoton, {Velmi hezká učebnice o vzniku života} 13