A minimA minimális sejtális sejt és az és az anyagcsere autokatalitikus magjaanyagcsere autokatalitikus magja

Biokémia II – AnyagcsereBiokémia II – Anyagcsere

Dr. Kun Dr. Kun Ádám, Ph.D.Ádám, Ph.D.okleveles biológus, okleveles vegyészokleveles biológus, okleveles vegyész

Az Az RNRNSS VilágVilág

A DNS / fehérje világ előttA DNS / fehérje világ előtt……

Ma élő élőlényekbenMa élő élőlényekben Az információDNS-ben Az információDNS-ben

tárolódiktárolódik Fehérjék az enzimekFehérjék az enzimek

FehérjeFehérje DNSDNS

Kódolja

ReplikálMonomert állít elő

… … egy RNS világ voltegy RNS világ volt

RNS enzimként is működhet és RNS enzimként is működhet és információt is tárolhatinformációt is tárolhat!!

DNS stabilabb és a fehérjék jobb enzimek

RNRNSS RNRNSS

Replikálódik, hogy enzimet kapjunk

Reakciókat katalizál, monomert állít elő

RNS világ bizonyítékai a mai RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában Iszervezetek biokémiájában I

Természetes RNS enzimek (ribozim)Természetes RNS enzimek (ribozim)Mindegyik RNS hasítást katalizálMindegyik RNS hasítást katalizál– I. Csoportbeli intronokI. Csoportbeli intronok– II. Csoportbeli intronokII. Csoportbeli intronok– RNáz PRNáz P– KalapácsfejKalapácsfej– HajtűhurokHajtűhurok– Hepatitis Delta VírusHepatitis Delta Vírus– NeurosporaNeurospora Varkund Satelite RNA Varkund Satelite RNA

Joyce, G. (2002) Nature 418:214-221 alapján

RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában II: biokémiájában II: KoenzimekKoenzimek

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 ATP

CoA

FADNADP

NAD

RNS világ bizonyítékai a mai RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában IIIszervezetek biokémiájában III

Dezoxi-ribonukleotidok Dezoxi-ribonukleotidok ribonukleotidokból keletkeznek ribonukleotidokból keletkeznek (de ezt (de ezt

valószínűleg ribozimek nem tudják katalizálni).valószínűleg ribozimek nem tudják katalizálni).

Riboswitches: Riboswitches: Génreguláció vélhetően Génreguláció vélhetően legősibb formája. Az mRNS térszerkezete legősibb formája. Az mRNS térszerkezete határozza meg, hogy lefordítódik fehérjévé.határozza meg, hogy lefordítódik fehérjévé.

RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek RNS világ bizonyítékai a mai szervezetek biokémiájában IVbiokémiájában IV: : TranszlTranszlációáció

mRNSmRNS tRNStRNS riboszómariboszóma

A DNS fehérje „átmentet” (transzláció) RNS közvetítésével történik

Riboszómában a peptidil transzfert egy ribozim végzi!

RNS világ lehetőségei:RNS világ lehetőségei:

RNS szintézisRNS szintézis: : Nukleotid képzés pirimidinből és aktivált ribózbólNukleotid képzés pirimidinből és aktivált ribózból; ; Polinukleotidok 5Polinukleotidok 5’’ foszforilációja foszforilációja; ; 55’ foszf’ foszfát aktiválása 5át aktiválása 5’,5’’,5’ pirofoszfát pirofoszfát kötött nukleotid kapcsolássalkötött nukleotid kapcsolással; ; Ligáz aktivitásLigáz aktivitás;;

Legjobb Legjobb szintetázszintetáz kb. 200 bázis hosszú és kb. 200 bázis hosszú és 14 nuklotidot14 nuklotidot tud egy templát alapján hozzákapcsolni egy oligonukleotid tud egy templát alapján hozzákapcsolni egy oligonukleotid lánchoz 97.5%-os másolási hűséggel.lánchoz 97.5%-os másolási hűséggel.

Protein szintProtein szintézisézis: : Minden lépés megoldható. Aminosavak Minden lépés megoldható. Aminosavak aktiválása (sokféle aminoaciláció)aktiválása (sokféle aminoaciláció); ; Peptid kötés kialakítás (peptidil Peptid kötés kialakítás (peptidil transzfer)transzfer)

MembrMembráán transn transzzferfer RedoxRedoxi reakcióki reakciók (NAD (NAD függő alkohol dehidrogenázfüggő alkohol dehidrogenáz)) Egyéb reakciókEgyéb reakciók (amid kötés bontás, alkiláció, porfirin metiláció, kén (amid kötés bontás, alkiláció, porfirin metiláció, kén

alkiláció, Diels-Alder cikloaddíció, amid kötés kialakítás, hidas bifenil alkiláció, Diels-Alder cikloaddíció, amid kötés kialakítás, hidas bifenil izomeráció)izomeráció)

Információ replikációInformáció replikációEigen ParadoxonaEigen Paradoxona

Információ replikációInformáció replikáció

A replikáció nem hibátlan A replikáció nem hibátlan (főleg nem replikáz (főleg nem replikáz

és javító mechanizmusok nélkül)és javító mechanizmusok nélkül)

A másolás pontossága korlátozza a fenntartható A másolás pontossága korlátozza a fenntartható információ hosszát.információ hosszát.

Mekkora információMekkora információ (milyen hosszú RNS szál) (milyen hosszú RNS szál)

tartható meg adott másolási pontosság mellett?tartható meg adott másolási pontosság mellett?

„„Replikáció” egy példájaReplikáció” egy példájaRNARNARNARNARNARGARNARNARNARNXRNARNARNHDNMRNARNARNARQARNARNJRPA

WORLDWORLFWORLDWORLLIDRYDWORLDWORLDKORLDWORLDWORLDWORLDWERLDWORUDWORLDWORHDWORLDWORLDWORWDWORLDWORLDWRRLD

HYPOTHESISEYPKTHYSIIHYPEXHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPETHESKSHYYOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOSHESISHYPOTMESISHTPOTHESISCYPOTGESISHYPOTHEGIAHYPOXHLSISHYPXTHESISHYPOTHESISHYPUTHESIS

N hossz

lns a mesterkópia szelekciós fölényeq másolási pontosság

Eigen Pradoxona és a hibaküszöbEigen Pradoxona és a hibaküszöb

ln

1sNq

Nincs enzim nagy genom nélkül, és nincs nagy genom Nincs enzim nagy genom nélkül, és nincs nagy genom enzim nélkülenzim nélkül

Swetina és Schuster 1998 alapján

SzekvenciaSzekvencia vs. vs. SzerkezetSzerkezet

DNDNSS fehérjefehérje

Átíródik

ATCGTCTGTCGGCGAT GCATGACTCATATGC

A szekvenciát kellmegtartani

Mutáns:

rátermettség 0

GCAUGACUCAUUAUGC

Structure has tobe maintained

Mutáns:

Azonos rátermettség

RNRNSS RNRNSS

AUCGUCUGUCGGCGAU

1D-2D-3D szerkezet1D-2D-3D szerkezet

aaacaGAGAAGUcaACCAg|||||

A G AA

AUGGUcCAUUAUAUG

AC A

GUG

CACG|||

uu

1

10

20 30

40

50

5’

3’

H1

loop A

H2 H3 H4

loop BaaacaGAGAAGUcaACCAg

|||||A G AA

AUGGUcCAUUAUAUG

AC A

GUG

CACG|||

uu

1

10

20 30

40

50

5’

3’

H1

loop A

H2 H3 H4

loop B

AAACAGAGAAGUCAACCAGAGAAACACACGUUGUGGUAUAUUACCUGGUA

RNRNSS szerkezetszerkezet

Az enzimaktivitás a Az enzimaktivitás a szerkezettszerkezettől függől függ A ribozim fenotípusa a szerkezeteA ribozim fenotípusa a szerkezete Kevesebb szerkezet van, mint szekvenciaKevesebb szerkezet van, mint szekvencia Egy kevés mutáció általában nem változtatja Egy kevés mutáció általában nem változtatja

meg a szerkezetetmeg a szerkezetet Szerkezet könnyebben fenntartható, mint a Szerkezet könnyebben fenntartható, mint a

szekvencia. (szekvencia. (fenotipikus hibaköszöbfenotipikus hibaköszöb))

Az élet kódja: TranszlációAz élet kódja: TranszlációA genetikai kód eredeteA genetikai kód eredete

Transzláció eredeteTranszláció eredete

Fehérjék jobb katalizátorokFehérjék jobb katalizátorok (4 (4 kémiailag kémiailag hasonló bázis vs. hasonló bázis vs. 20 20 kémiailag sokféle kémiailag sokféle aminosavaminosav))

Mivel az RNS központi szerepet játszik a Mivel az RNS központi szerepet játszik a transzlációban, így valószínűleg az RNS transzlációban, így valószínűleg az RNS világban „találták fel”világban „találták fel”

KódtáblaKódtábla

Néhány tény a genetikai kódrólNéhány tény a genetikai kódról

Közel univerzálisKözel univerzális RedundánsRedundáns Miért triplet?Miért triplet?

– A triplet optimális a reverzibilis kapcsolódáshozA triplet optimális a reverzibilis kapcsolódáshoz Miért 2Miért 200 aminosav aminosav??

– Az enzim sokféleség növekszik a több Az enzim sokféleség növekszik a több aminosavval, de a mutációs robusztusság aminosavval, de a mutációs robusztusság csökkencsökken..

A kód optimálizált mutációs robosztusságraA kód optimálizált mutációs robosztusságra

A megfejtetlen rejtélyA megfejtetlen rejtély

RNRNSS

Oligo-nukleotidokásványi felszínennukleotidok

ribozimok

uaagagcguuCg-CcCgcgguaguaaGc AgG

|||||| |||A

GAACACGA CAC GUUaUgAcug||| ||| ||||||||||GAC

GCU GUG-A-CGGuAuUggc

CUC-GC-GA-UC-GU-AC-G

A

g

aua

UUAGU

GUaUUGUCA|||||||||CguAgCAGUU

uGGA

AA

aCuUuaaC||||||||uGaAauuGc

gau

-U-

3’

5’AA640

650

680

730

740

690

660

670

700710

720

750

760

770

780II

III

IV V

VI

uaagagcguuCg-CcCgcgguaguaaGc AgG

|||||| |||A

GAACACGA CAC GUUaUgAcug||| ||| ||||||||||GAC

GCU GUG-A-CGGuAuUggc

CUC-GC-GA-UC-GU-AC-G

A

g

aua

UUAGU

GUaUUGUCA|||||||||CguAgCAGUU

uGGA

AA

aCuUuaaC||||||||uGaAauuGc

gau

-U-

3’

5’AA640

650

680

730

740

690

660

670

700710

720

750

760

770

780II

III

IV V

VI

DNDNSS

A megfejtetlen rejtélyA megfejtetlen rejtély

fehérjefehérje RNRNSS

Kódolja

replikáljamonomert állít elő

MembrMembráánn

monomertállít elő

AnyagcsereAnyagcsere

Minimális sejtMinimális sejt

Minimum sejtMinimum sejt

Top – down: Meglevő szervezetek Top – down: Meglevő szervezetek genomjából indulunk kigenomjából indulunk ki

Bottom – up: Minimális funkciók, élő sejt Bottom – up: Minimális funkciók, élő sejt szintéziseszintézise

Minimum sejt – felülről lefeléMinimum sejt – felülről lefelé

A gének legkisebb lehetséges halmaza, A gének legkisebb lehetséges halmaza, amivel fenntartható egy működő sejt a amivel fenntartható egy működő sejt a legjobb körülmények között (minden forrás legjobb körülmények között (minden forrás rendelkezésre áll, nincs környezeti stressz)rendelkezésre áll, nincs környezeti stressz)

BioinformatikaBioinformatika Knock-out kísérletekKnock-out kísérletek 2206 g06 génén

Konzerválódott fehérjékKonzerválódott fehérjék

Legjobban a transzláció és az RNS Legjobban a transzláció és az RNS polimerázok konzerválódtakpolimerázok konzerválódtak

Metabolizmusban viszont kevés Metabolizmusban viszont kevés konzerválódott (több genom konzerválódott (több genom összehasonlításában) enzim vanösszehasonlításában) enzim van

A konzerváltság nem jelenti, hogy laborban A konzerváltság nem jelenti, hogy laborban elengedhetetlen (kilőhető). elengedhetetlen (kilőhető). Például repair Például repair nélkül a sejt jól él, de fennmaradhat-e?nélkül a sejt jól él, de fennmaradhat-e?

Minimum sejt – funkciók IMinimum sejt – funkciók I

1.1. DNS metabolizmus (replikáció, módosítás, DNS metabolizmus (replikáció, módosítás, javítás és hasítás) 16 génjavítás és hasítás) 16 gén

2.2. RNS metabolizmus (transzkripció, RNS metabolizmus (transzkripció, transzláció, RNS degradáció) 1transzláció, RNS degradáció) 106 g06 génén

3.3. Fehérje feldolgozás (módosítás, Fehérje feldolgozás (módosítás, felgombolyodás, áthelyezés, lebontás) 15 felgombolyodás, áthelyezés, lebontás) 15 géngén

4.4. Sejtszintű működés (osztódás, transzport) Sejtszintű működés (osztódás, transzport) 5 gén5 gén

Minimum sejt – funkciók IIMinimum sejt – funkciók II

Köztes metabolizmus és energetikaKöztes metabolizmus és energetika1.1. Glikolízis Glikolízis (1(10 g0 gén)én)

2.2. ATP szintézis, HATP szintézis, H++ gradiens gradiens (9(9 g gén)én)

3.3. Pentóz-foszfát út Pentóz-foszfát út (3(3 g gén)én)

4.4. Lipid metabolizmus Lipid metabolizmus (7(7 g gén)én)

5.5. Nukleotid bioszintézis Nukleotid bioszintézis (15(15 g gén)én)

6.6. Kofaktor bioszintézis Kofaktor bioszintézis (12(12 g gén)én)7.7. Egyéb (8 gén)Egyéb (8 gén)

Az Élet SzikrájaAz Élet Szikrája az anyagcsere autokatalitikus magjaaz anyagcsere autokatalitikus magja

Mitől több – ha több - Mitől több – ha több - az élő sejt egy zsák az élő sejt egy zsák enzimnél és némi enzimnél és némi DNS-nél?DNS-nél?

Mitől lesz élő egy sejt?Mitől lesz élő egy sejt?

Gánti kemoton elméleteGánti kemoton elmélete

Egy zsák enzim és DNSEgy zsák enzim és DNS

Legyen egy sejtünk, Legyen egy sejtünk, amiben csak enzimek amiben csak enzimek és DNS (RNS) van.és DNS (RNS) van.

A környezetben A környezetben minden tápanyag jelen minden tápanyag jelen van, amit az élőlény fel van, amit az élőlény fel tud venni (optimális tud venni (optimális mennyiségben)mennyiségben)

Enzimek

DNA/RNA

Nincsen kis molekulasúlyú

metabolit!

H2O, H+, CO2, Fe2+, CNO, NO2-, NO3

-, HPO42-,

SO42-, O2, cukrok, aminosavak, alkoholok

Egy zsák enzim és DNSEgy zsák enzim és DNS

Működőképes-e ez a Működőképes-e ez a sejt?sejt?

Kell-e valaminek eleve Kell-e valaminek eleve a sejtben lennie, hogy a sejtben lennie, hogy a metabolizmus a metabolizmus beinduljon?beinduljon?

Enzimek

DNA/RNA

???

H2O, H+, CO2, Fe2+, CNO, NO2-, NO3

-, HPO42-,

SO42-, O2, cukrok, aminosavak, alkoholok

Elméleti kísérlet!Elméleti kísérlet!

Legyen egy Legyen egy reakcióhálózatunkreakcióhálózatunk Adjuk meg a Adjuk meg a felvehető anyagokfelvehető anyagok listáját listáját Mi termelhető meg a reakciólista alapján?Mi termelhető meg a reakciólista alapján?

1.1. Ha minden megtermelhető, akkor az élő Ha minden megtermelhető, akkor az élő sejt nem több egy zsák enzimnél.sejt nem több egy zsák enzimnél.

2.2. Ha nem termelhető meg minden, akkor mi Ha nem termelhető meg minden, akkor mi kell még?kell még?

ReakcióhálózatokReakcióhálózatok EubacteriaEubacteria

– Escherichia coliEscherichia coli – Heliobacter pyloriHeliobacter pylori– Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus– Lactococcus lactisLactococcus lactis– Streptomyces coelicolorStreptomyces coelicolor– Geobacter sulfurreducensGeobacter sulfurreducens– SynechocystisSynechocystis

ArcheaArchea– Methanosarcina barkeriMethanosarcina barkeri

EukariótaEukarióta– Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae

MinimMinimálisális metaboli metabolizmuszmus

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

ATP

Az anyagcsere autokatalitikus magjaAz anyagcsere autokatalitikus magja

Escherichia coliEscherichia coli

Heliobacter pyloriHeliobacter pylori

Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus

Lactococcus lactisLactococcus lactis

Streptomyces coelicolorStreptomyces coelicolor

ATP

ATP

ATP

ATP

ATP

Az anyagcsere autokatalitikus magjaAz anyagcsere autokatalitikus magja

Methanosarcina barkeriMethanosarcina barkeri

Geobacter sulfurreducensGeobacter sulfurreducens

SynechocystisSynechocystis

ATP + NAD

ATP + NAD + THF + CoA

ATP + NAD + THF + CoA + cukor

Autokatalitikus molekulákAutokatalitikus molekulák

ATPATP NAD (NADP)NAD (NADP) Koenzim AKoenzim A THFTHF KinonKinon CukorCukor

ATP

CoA

NAD

Az Élet SzikrájaAz Élet Szikrája

ATP = energia eleve kell a ATP = energia eleve kell a szervezeteknek, hogy éljenek.szervezeteknek, hogy éljenek.

Anyagcsere főbb útvonalaiAnyagcsere főbb útvonalai

Anyagcsere főbb útvonalaiAnyagcsere főbb útvonalai

Szénhidrát Szénhidrát metabolizmusmetabolizmus– GlikolízisGlikolízis– Pentóz foszfát útPentóz foszfát út– Citromsav ciklusCitromsav ciklus

Energia metabolizmusEnergia metabolizmus– Oxidatív foszforilációOxidatív foszforiláció– Calvin ciklusCalvin ciklus

Lipid metabolizmusLipid metabolizmus

Nukleotid bioszintézisNukleotid bioszintézis– Purin metabolizmusPurin metabolizmus– Pirimidin metabolizmusPirimidin metabolizmus

Aminosav Aminosav metabolizmusmetabolizmus

Nucleotid Salvage Nucleotid Salvage PathwayPathway

Kofaktor bioszintézisKofaktor bioszintézis

GlikolízisGlikolízis

Pentóz-foszfát útPentóz-foszfát út

Citromsav ciklusCitromsav ciklus

Calvin ciklusCalvin ciklus

Anyagcsere autokatalitikus Anyagcsere autokatalitikus magjamagja

Ajánlott irodalomAjánlott irodalom

John Maynard-Smith és Szathmáry Eörs: Az John Maynard-Smith és Szathmáry Eörs: Az evolúció nagy lépései. evolúció nagy lépései. Scientia, Budapest, Scientia, Budapest, 19971997

Bálint Miklós: Molekuláris biológia I-II. Bálint Miklós: Molekuláris biológia I-II. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 2Műszaki könyvkiadó, Budapest, 2000000

Ádám Veronika Ádám Veronika (szerkesztő):(szerkesztő): Orvosi Orvosi biokémia. biokémia. Semmelweis, Budapest, 1996Semmelweis, Budapest, 1996

LLáng Ferenc (szerk.): Növényélettan. áng Ferenc (szerk.): Növényélettan. Eötvös KiadóEötvös Kiadó