1 / 49

A minim ális sejt és az anyagcsere autokatalitikus magja

A minim ális sejt és az anyagcsere autokatalitikus magja. Biokémia II – Anyagcsere Dr. Kun Ádám, Ph.D. okleveles biológus, okleveles vegyész. Az RN S Világ. Kódolja. Replikál Monomert állít elő. A DNS / fehérje világ előtt …. Ma élő élőlényekben Az információDNS-ben tárolódik

delila
Download Presentation

A minim ális sejt és az anyagcsere autokatalitikus magja

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. A minimális sejtés az anyagcsere autokatalitikus magja Biokémia II – Anyagcsere Dr. Kun Ádám, Ph.D. okleveles biológus, okleveles vegyész

  2. Az RNSVilág

  3. Kódolja ReplikálMonomert állít elő A DNS / fehérje világ előtt… Ma élő élőlényekben • Az információDNS-ben tárolódik • Fehérjék az enzimek Fehérje DNS

  4. Replikálódik, hogy enzimet kapjunk RNS RNS Reakciókat katalizál, monomert állít elő … egy RNS világ volt RNS enzimként is működhet és információt is tárolhat! DNSstabilabb és a fehérjék jobb enzimek

  5. RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában I Természetes RNS enzimek (ribozim) Mindegyik RNS hasítást katalizál • I. Csoportbeli intronok • II. Csoportbeli intronok • RNáz P • Kalapácsfej • Hajtűhurok • Hepatitis Delta Vírus • Neurospora Varkund Satelite RNA Joyce, G. (2002) Nature 418:214-221 alapján

  6. ATP RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában II: Koenzimek NADP FAD • Koenzimek: valamilyen specifikus kémiai csoport átadásában résztvevő metabolitok (rengeteg reakcióban) • Acetyl koenzim A (koenzim A): acetyl csoport • NADH, FADH2 (NAD+, FAD): hidrogén és elektron • ATP (ADP): nagyenergiájú foszfát CoA NAD

  7. RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában III • Dezoxi-ribonukleotidok ribonukleotidokból keletkeznek (de ezt valószínűleg ribozimek nem tudják katalizálni). • Riboswitches: Génreguláció vélhetően legősibb formája. Az mRNS térszerkezete határozza meg, hogy lefordítódik fehérjévé.

  8. RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában IV: Transzláció • mRNS • tRNS • riboszóma A DNS  fehérje „átmentet” (transzláció) RNS közvetítésével történik Riboszómában a peptidil transzfert egy ribozim végzi!

  9. RNS világ lehetőségei: • RNS szintézis: Nukleotid képzés pirimidinből és aktivált ribózból; Polinukleotidok 5’ foszforilációja; 5’ foszfát aktiválása 5’,5’ pirofoszfát kötött nukleotid kapcsolással; Ligáz aktivitás; • Legjobb szintetáz kb. 200 bázis hosszú és 14 nuklotidot tud egy templát alapján hozzákapcsolni egy oligonukleotid lánchoz 97.5%-os másolási hűséggel. • Protein szintézis: Minden lépés megoldható. Aminosavak aktiválása (sokféle aminoaciláció); Peptid kötés kialakítás (peptidil transzfer) • Membrán transzfer • Redoxi reakciók(NAD függő alkohol dehidrogenáz) • Egyéb reakciók(amid kötés bontás, alkiláció, porfirin metiláció, kén alkiláció, Diels-Alder cikloaddíció, amid kötés kialakítás, hidas bifenil izomeráció)

  10. Információ replikációEigen Paradoxona

  11. Információ replikáció • A replikáció nem hibátlan (főleg nem replikáz és javító mechanizmusok nélkül) • A másolás pontossága korlátozza a fenntartható információ hosszát. • Mekkora információ (milyen hosszú RNS szál) tartható meg adott másolási pontosság mellett?

  12. „Replikáció” egy példája RNA RNA RNA RNA RNA RGA RNA RNA RNA RNX RNA RNA RNH DNM RNA RNA RNA RQA RNA RNJ RPA WORLD WORLF WORLD WORLL IDRYD WORLD WORLD KORLD WORLD WORLD WORLD WERLD WORUD WORLD WORHD WORLD WORLD WORWD WORLD WORLD WRRLD HYPOTHESIS EYPKTHYSII HYPEXHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPETHESKS HYYOTHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPOTHESIS HYPOSHESIS HYPOTMESIS HTPOTHESIS CYPOTGESIS HYPOTHEGIA HYPOXHLSIS HYPXTHESIS HYPOTHESIS HYPUTHESIS

  13. Eigen Pradoxona és a hibaküszöb Nincs enzim nagy genom nélkül, és nincs nagy genom enzim nélkül N hossz lnsa mesterkópia szelekciós fölényeq másolási pontosság Swetina és Schuster 1998 alapján

  14. A szekvenciát kellmegtartani Mutáns: rátermettség 0 Structure has tobe maintained RNS RNS Mutáns: AUCGUCUGUCGGCGAU Azonos rátermettség Szekvencia vs. Szerkezet Átíródik DNS fehérje GCATGACTCATATGC ATCGTCTGTCGGCGAT GCAUGACUCAUUAUGC

  15. 1D-2D-3D szerkezet AAACAGAGAAGUCAACCAGAGAAACACACGUUGUGGUAUAUUACCUGGUA

  16. RNSszerkezet • Az enzimaktivitás a szerkezettől függ • A ribozim fenotípusa a szerkezete • Kevesebb szerkezet van, mint szekvencia • Egy kevés mutáció általában nem változtatja meg a szerkezetet • Szerkezet könnyebben fenntartható, mint a szekvencia. (fenotipikus hibaköszöb)

  17. Az élet kódja: TranszlációA genetikai kód eredete

  18. Transzláció eredete • Fehérjék jobb katalizátorok(4 kémiailag hasonló bázis vs. 20 kémiailag sokféle aminosav) • Mivel az RNS központi szerepet játszik a transzlációban, így valószínűleg az RNS világban „találták fel”

  19. Kódtábla

  20. Néhány tény a genetikai kódról • Közel univerzális • Redundáns • Miért triplet? • A triplet optimális a reverzibilis kapcsolódáshoz • Miért 20 aminosav? • Az enzim sokféleség növekszik a több aminosavval, de a mutációs robusztusság csökken. • A kód optimálizált mutációs robosztusságra

  21. Oligo-nukleotidokásványi felszínen nukleotidok A megfejtetlen rejtély RNS ribozimok

  22. Kódolja replikáljamonomert állít elő monomertállít elő A megfejtetlen rejtély fehérje DNS RNS Membrán

  23. Anyagcsere

  24. Minimális sejt

  25. Minimum sejt • Top – down: Meglevő szervezetek genomjából indulunk ki • Bottom – up: Minimális funkciók, élő sejt szintézise

  26. Minimum sejt – felülről lefelé • A gének legkisebb lehetséges halmaza, amivel fenntartható egy működő sejt a legjobb körülmények között (minden forrás rendelkezésre áll, nincs környezeti stressz) • Bioinformatika • Knock-out kísérletek • 206 gén

  27. Konzerválódott fehérjék • Legjobban a transzláció és az RNS polimerázok konzerválódtak • Metabolizmusban viszont kevés konzerválódott (több genom összehasonlításában) enzim van • A konzerváltság nem jelenti, hogy laborban elengedhetetlen (kilőhető). Például repair nélkül a sejt jól él, de fennmaradhat-e?

  28. Minimum sejt – funkciók I • DNS metabolizmus (replikáció, módosítás, javítás és hasítás) 16 gén • RNS metabolizmus (transzkripció, transzláció, RNS degradáció) 106 gén • Fehérje feldolgozás (módosítás, felgombolyodás, áthelyezés, lebontás) 15 gén • Sejtszintű működés (osztódás, transzport) 5 gén

  29. Minimum sejt – funkciók II • Köztes metabolizmus és energetika • Glikolízis (10 gén) • ATP szintézis, H+ gradiens (9 gén) • Pentóz-foszfát út (3 gén) • Lipid metabolizmus (7 gén) • Nukleotid bioszintézis (15 gén) • Kofaktor bioszintézis (12 gén) • Egyéb (8 gén)

  30. Az Élet Szikrájaaz anyagcsere autokatalitikus magja • Mitől több – ha több - az élő sejt egy zsák enzimnél és némi DNS-nél? • Mitől lesz élő egy sejt?

  31. Gánti kemoton elmélete

  32. Egy zsák enzim és DNS • Legyen egy sejtünk, amiben csak enzimek és DNS (RNS) van. • A környezetben minden tápanyag jelen van, amit az élőlény fel tud venni (optimális mennyiségben) Enzimek Nincsen kis molekulasúlyú metabolit! DNA/RNA H2O, H+, CO2, Fe2+, CNO, NO2-, NO3-, HPO42-, SO42-, O2, cukrok, aminosavak, alkoholok

  33. Egy zsák enzim és DNS • Működőképes-e ez a sejt? • Kell-e valaminek eleve a sejtben lennie, hogy a metabolizmus beinduljon? Enzimek ??? DNA/RNA H2O, H+, CO2, Fe2+, CNO, NO2-, NO3-, HPO42-, SO42-, O2, cukrok, aminosavak, alkoholok

  34. Elméleti kísérlet! • Legyen egy reakcióhálózatunk • Adjuk meg a felvehető anyagok listáját • Mi termelhető meg a reakciólista alapján? • Ha minden megtermelhető, akkor az élő sejt nem több egy zsák enzimnél. • Ha nem termelhető meg minden, akkor mi kell még?

  35. Reakcióhálózatok • Eubacteria • Escherichia coli • Heliobacter pylori • Staphylococcus aureus • Lactococcus lactis • Streptomyces coelicolor • Geobacter sulfurreducens • Synechocystis • Archea • Methanosarcina barkeri • Eukarióta • Saccharomyces cerevisiae • Minimális metabolizmus

  36. Escherichia coli • Reakció szám: 931 • Metabolitok száma: 761 • Megtermelhető metabolitok: 692 • Külső molekulák: 53 • Makromolekulák: 3 • Külső molekulákból megtermelhető: 315 • Hozzáadandó: ATP

  37. Az anyagcsere autokatalitikus magja • Escherichia coli • Heliobacter pylori • Staphylococcus aureus • Lactococcus lactis • Streptomyces coelicolor ATP ATP ATP ATP ATP

  38. Az anyagcsere autokatalitikus magja • Methanosarcina barkeri • Geobacter sulfurreducens • Synechocystis ATP + NAD ATP + NAD + THF + CoA ATP + NAD + THF + CoA + cukor

  39. ATP Autokatalitikus molekulák • ATP • NAD (NADP) • Koenzim A • THF • Kinon • Cukor NAD CoA

  40. Az Élet Szikrája ATP = energia eleve kell a szervezeteknek, hogy éljenek.

  41. Anyagcsere főbb útvonalai

  42. Szénhidrát metabolizmus Glikolízis Pentóz foszfát út Citromsav ciklus Energia metabolizmus Oxidatív foszforiláció Calvin ciklus Lipid metabolizmus Nukleotid bioszintézis Purin metabolizmus Pirimidin metabolizmus Aminosav metabolizmus Nucleotid Salvage Pathway Kofaktor bioszintézis Anyagcsere főbb útvonalai

  43. Glikolízis

  44. Pentóz-foszfát út

  45. Citromsav ciklus

  46. Calvin ciklus

  47. Anyagcsere autokatalitikus magja

  48. Ajánlott irodalom • John Maynard-Smith és Szathmáry Eörs: Az evolúció nagy lépései. Scientia, Budapest, 1997 • Bálint Miklós: Molekuláris biológia I-II. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 2000 • Ádám Veronika (szerkesztő): Orvosi biokémia. Semmelweis, Budapest, 1996 • Láng Ferenc (szerk.): Növényélettan. Eötvös Kiadó

More Related