Szczypta (al)chemii i nauk pokrewnych

Szczypta (al)chemii i nauk pokrewnych

... dla humanistów

Wojciech Grochala

Uniwersytet Warszawski Centrum Nowych Technologii

Wykład VI – Chemia życia

Misja chemii

Dynamiczna samoorganizacja

Wojciech Grochala

Chemia supramolekularna

atom – cząsteczka – supracząsteczka – kryształ – obiekt

NANO (MEZO) MIKRO MAKRO


Nierównowaga termodynamiczna

Życie

Wojciech Grochala

CO2 + H2O 1/6 C6H12O6 + ½ O2 ……


CO2 + H2O

Nierównowaga c.d.

Protektorat chemiczny

Wojciech Grochala

• bez H2O : spontaniczny samozapłon ciała

• bez ściany komórkowej: wnętrze identyczne z zewnętrzem (osmoza)

• różnica potencjałów chem. OUT/IN;

• autoreplikacja wymaga nierównowagi i dopływu energii


C6H12O6 6 (C + H2O)

Niższa energia (swobodna)

Obieg materii

Głównie C, H & O

Wojciech Grochala

Proste związki chemiczne


Materia złożona Proste związki chemiczne

C6H12O6

Giordano Bruno sp. z o.o.: XX w.

Obieg materii, c.d.

& energii

Wojciech Grochala

C6H12O6


?

Fotosynteza niezbędna? Początek życia?

Chemosynteza

5.5 mln lat

Wojciech Grochala


Jask. Movile (1986)

7-10% O2, 2-3.5% CO2 1-2% CH4, 8-12 mg/l H2S, NH3

48 gat. w tym 33 endemity

Chemosynteza

5.5 mln lat

Wojciech Grochala


Jask. Movile (1986)

7-10% O2, 2-3.5% CO2 1-2% CH4, 8-12 mg/l H2S, NH3


Chemosynteza

5.5 mln lat

Wojciech Grochala


Jask. Movile (1986)

7-10% O2, 2-3.5% CO2 1-2% CH4, 8-12 mg/l H2S, NH3


Skład chemiczny

Życie

Wojciech Grochala


Wszechświata (H, He) Ukł. Słonecznego Ziemi organizmów żywych człowieka

Dlaczego węgiel?

Kameleon

Wojciech Grochala


Sztywne Giętkie

• dostępny (wraz z H, O & N) • reaktywny • wystarczająco kinetycznie trwałe

wiązania C–C • możliwość funkcjonalizowania

cząsteczek (chemia ORGANICZNA) • możliwość wpływania na

geometrię

Transmutacja (1828)

“Nieudacznik”

Wojciech Grochala


Friedrich Wöhler 1800–1882

cyjanian amonu mocznik

Początek chemii organicznej!

+NH3

CO2 + H2O H2CO3

Burza w szklance wody

Chemia prebiotyczna

Wojciech Grochala

eksperyment Millera–Ureya, Uniw. w Chicago (1952)


Harold Clayton Urey 1893–1981

Stanley Lloyd Miller 1930–2007

H2O, CH4, NH3, H2 + PIORUNY … • 11 z 20 aminokwasow! (1996) • > 20 ! (2007) • modyfikacje: CO2, N2, H2S, SO2 …

1st exp.: glycine, α- and β-alanine

“primordial soup”


Chemia prebiotyczna

Wojciech Grochala

eksperyment Millera–Ureya, Uniw. w Chicago (1952)


Harold Clayton Urey 1893–1981

Stanley Lloyd Miller 1930–2007

H2O, CH4, NH3, H2 + PIORUNY … • 11 z 20 aminokwasow! (1996) • > 20 ! (2007) • modyfikacje: CO2, N2, H2S, SO2 …

1st exp.: glycine, α- and β-alanine

“primordial soup”


Abiogeneza: monomery polimer

Wojciech Grochala


Także 1952: • Wollman (William) M. MacNevin CH4 + H2O nierozp. żywice 1978: • A. Bar-nun, H. Hartman CO2 + H2O alkohole, aldehydy i kwasy karboksylowe (fotoliza UV) 1961: • Joan Oró HCN + NH3 + H2O adenina! 1967: pozostałe zasady nukleinowe C5H5N5 = 5 x HCN

e– , hν

Zapach i kolor…

“…identyczny z naturalnym”

Wojciech Grochala


Robert Burns Woodward 1917–1979

quinine, cholesterol, cortisone, strychnine, lysergic acid, reserpine, chlorophyll, cephalosporin & colchicine, penicyline, vit. B12

Synteza totalna “Era woodwardiańska”

Roald Hoffmann (Safran) 1937–…

Zapach i kolor…

“…identyczny z naturalnym”

Wojciech Grochala


Robert Burns Woodward 1917–1979

quinine, cholesterol, cortisone, strychnine, lysergic acid, reserpine, chlorophyll, cephalosporin & colchicine, penicyline, vit. B12

Synteza totalna “Era woodwardiańska”

Roald Hoffmann (Safran) 1937–…

Katastrofa tlenowa

Śmierć i Życie

Wojciech Grochala

Wielkie wymieranie bakterii beztlenowych!


Ca. 2.22–2.45 mld lat temu GOE

Atm. redukująca Atm. utleniająca

3O2

Śmierć i Życie, c.d.

Wojciech Grochala

• Wolne (dwu)rodniki: niskie bariery reakcji • Okiełznanie drapieżnego reagenta (spalanie) • Eksplozja życia… • … i śmierci (wolne rodniki: kancerogeny,

mutageny, …)


• 1O2 singletowy! • Natleniajcie czerwone wino (Fe2+ Fe3+)!

barrique

Kwas taninowy

3O2

Śmierć i Życie, c.d.

Wojciech Grochala

• Wolne (dwu)rodniki: niskie bariery reakcji • Okiełznanie drapieżnego reagenta (spalanie) • Eksplozja życia… • … i śmierci (wolne rodniki: kancerogeny,

mutageny, …)


• 1O2 singletowy! • Natleniajcie czerwone wino (Fe2+ Fe3+)!

barrique

Kwas taninowy

Fe w dwóch odsłonach

Fe vs. Co vs. “teflon”

Wojciech Grochala


• Fe2+ Fe3+ hemoglobina (strunowce)

barrique

Hem

• Android Ash i sztuczna hemoglobina (Co salen) • Perfluorodekalina (eksp. z żabą) (“teflon”)

krew tętnicza (Fe3+) + krew żylna (Fe2+)

Fe w dwóch odsłonach

Fe vs. Co vs. “teflon”

Wojciech Grochala


• Fe2+ Fe3+ hemoglobina (strunowce)

barrique

Hem

• Android Ash i sztuczna hemoglobina (Co salen) • Perfluorodekalina (eksp. z żabą) (“teflon”)

krew tętnicza (Fe3+) + krew żylna (Fe2+)

Oxycyte

F-t-butylcyclohexane C10F20

Rozwój życia

Drzewo genealogiczne

Wojciech Grochala


Najstarsze skamieliny

Nasze siostry bakterie

Wojciech Grochala

Stromatolity – Prekambr; ślady po cyjanobakteriach!


Par

k n

ar. G

laci

er

3.5

mld

lat

Zach. Australia 3.48 mld lat

Big jump: organizmy fraktalne

XIX-w. dylematy

Wojciech Grochala


Najstarsze organizmy prekambryjskie aka najstarsze znane org. wielokomórkowe (fauna ediakarańska) A. Murray (1868)

eksplozja kambryjska okres kriogeński

Nie wiadomo w ogóle czy to ZWIERZĘTA!

Zajęło cztery lata zanim Elkanah Billings odważył się wysunąć hipotezę, że mogą to być skamieniałości organizmów żywych. Ich prosty kształt był powodem, dla którego współcześni Billingsowi odrzucili jego propozycję i uznali skamieniałości za struktury powstałe skutek ucieczki gazu, nieorganiczne konkrecje lub nawet sztuczki, spłatane przez złośliwego Boga, aby odwieść ludzi od wiary…

Charniodiscus 565–555 MA

Organizmy fraktalne, c.d.

Dickinsonia: ruch?!

Wojciech Grochala


Despite Charnia's fern-like appearance, it is not a plant or alga because the nature of the fossilbeds where specimens have been found demonstrate that it originally lived in deep water, well below the photic zone where photosynthesis can occur

Charnia masoni 579–555 MA (1957)



Dickinsonia: ruch?!

Wojciech Grochala




Dickinsonia costata 558–555 MA

do 1.4 m



Dickinsonia: ruch?!

Wojciech Grochala





do 1.4 m

Mawsonites spriggi

Tateana inflata (= 'Cyclomedusa' radiata



Dickinsonia: ruch?!

Wojciech Grochala





do 1.4 m

Mawsonites spriggi

Tateana inflata (= 'Cyclomedusa' radiata Archaeonassa-type (late Edicarian)

Fraktale

Warszawa rządzi!

Wojciech Grochala


obiekt samo-podobny (tzn. taki, którego części są podobne do całości) albo "nieskończenie subtelny" (ukazujący subtelne detale nawet w wielokrotnym powiększeniu)

Benoît Mandelbrot 1924–2010

Wacław Franciszek Sierpiński

1882–1969

Fraktale w Przyrodzie

Prosta genetyka!

Wojciech Grochala



Romanesco Broccoli

Skrętność

Życie a rękawiczki

Wojciech Grochala


enancjomery

laevus & dexter

χείρ (cheir) - dłoń

2D

Ludwik Pasteur 1882–1969

Homochiralność – skąd?

Życie jest niesymetryczne!

Wojciech Grochala


23 L–aminokwasy proteinogeniczne (+bardzo niewiele D) D–cukry (+ bardzo niewiele L) Enzymy sa chiralne! vs. Zapach mięty & kminku! Burkholderia caryophylli potrafi metabolizować L–glukozę!

Nadmiar enancjomeryczny izowaliny (2009) – idea Rubinsteina (1983)

• Przypadek + kinetyka (wzmocnienie chiralne)

• Promieniowanie spolaryzowane 17%

• FeS2 + kalcyt (powierzchnia)

1879 L. Sohncke 65 grup przestrz. (z 230)

Systematyka & taksonomia

Genom projects!

Wojciech Grochala

Arystoteles + Teofrast z Eresos: roślinki i zwierzątka (520 gat.) Karol Linneusz "Systema naturae“ (1758): systematyka 2-członowa (8 tys. gat.) Kladystyka współczesna: (8.74±1.3 mln gat., 2011), w tym: 6.5 mln – ląd (znanych 14%) 2.2 mln – oceany (znanych 9%)


Karol Linneusz 1707–1778

podobieństwo

pokrewieństwo

dwa gatunki są bardziej spokrewnione (później rozdzieliły się od wspólnego przodka) im bardziej ich DNA, RNA i białka są bardziej podobne

Systematyka & taksonomia, c.d.

3 DOMENY

Wojciech Grochala


jądrowce Thomas Cavalier-Smith (1983–8): Cesarstwo: Procaryota Bacteria – bakterie (wszystkie prokarionty) Cesarstwo: Eucaryota Protozoa (jednokomórkowe eukarionty nie zaliczone do innych królestw) Chromista (niektóre glony, np. brunatnice i okrzemki i pewne heterotrofy) Fungi – grzyby Plantae – rośliny (łącznie z zielenicami i krasnorostami) Animalia – zwierzęta

http://pl.wikipedia.org/wiki/Bakterie

http://pl.wikipedia.org/wiki/Pierwotniaki

http://pl.wikipedia.org/wiki/Chromisty

http://pl.wikipedia.org/wiki/Grzyby

http://pl.wikipedia.org/wiki/Ro%C5%9Bliny

http://pl.wikipedia.org/wiki/Zwierz%C4%99ta

Początki życia

+ poziomy transfer genów…?

Wojciech Grochala


?

last universal common ancestor, LUCA

“LUCA był termofilnym lub mezofilnym proteoeukariontem, od którego pochodzą współczesne eukarionty a bakterie i archeany pojawiły się na jego wczesnych etapach ewolucji. Pochodzący od progenotów proteoeukariont mógł zawierać DNA, jednak za prawdopodobne uznaje się, że genom tego organizmu był zbudowany z RNA, a zmiana na DNA nastąpiła dopiero po wykształceniu trzech domen.”

3.5-3.8 mld lat

Jądro komórkowe eukariontów mogło powstać w wyniku wbudowania w komórkę kompleksu wirusów DNA

http://pl.wikipedia.org/wiki/J%C4%85dro_kom%C3%B3rkowe

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wirusy

Początki życia

+ poziomy transfer genów…?

Wojciech Grochala


?

last universal common ancestor, LUCA

“LUCA był termofilnym lub mezofilnym proteoeukariontem, od którego pochodzą współczesne eukarionty a bakterie i archeany pojawiły się na jego wczesnych etapach ewolucji. Pochodzący od progenotów proteoeukariont mógł zawierać DNA, jednak za prawdopodobne uznaje się, że genom tego organizmu był zbudowany z RNA, a zmiana na DNA nastąpiła dopiero po wykształceniu trzech domen.”

3.5-3.8 mld lat

Komin hydrotermalny Do +350 oC Do 300 atm Brak światła Endemity

Jądro komórkowe eukariontów mogło powstać w wyniku wbudowania w komórkę kompleksu wirusów DNA

http://pl.wikipedia.org/wiki/J%C4%85dro_kom%C3%B3rkowe

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wirusy

Bioróżnorodność

Przewaga bakterii

Wojciech Grochala


King Phillip Came Over From Greater Spain

11

12 15

Kusząca alternatywa

Panspermia…?

Wojciech Grochala

• chemia w warunkach kosmicznych (0-gravity)

• chemia kosmosu (ok. 200 znanych cząsteczek ISMs)


LUCA (Last Universal Common Ancestor)

I TO ma być “początek”?!

Wojciech Grochala


Genom LUCA musiał zawierać co najmniej 500-1000 genów (2008)

Zidentyfikowano co najmniej 140 domen białek tworzących prawdopodobnie proteom LUCA (2012)

Rekonstrukcja sekwencji domen białkowych wskazuje, że charakteryzowały się one wysoką hydrofobowością Fenyloalanina (F), Izoleucyna (I), Leucyna (L) & Valina (V) – FILV

Z (jakiego?) oleju do wody?

Poznaj kuzyna! “My name is LUCA…”

Komórka i jej ŚCIANA

Duże cząsteczki

Wojciech Grochala


• Zwierzęta: fosfolipidy + kanały białkowe

• Rośliny: pektyna • Grzyby: chityna • Bakterie:

peptydoglykan (cukro-białko)

Fosfolipidy w wodzie – micella

Fosfatydylo-cholina

Komórka i jej ŚCIANA

Duże cząsteczki

Wojciech Grochala


• Zwierzęta: fosfolipidy + kanały białkowe

• Rośliny: pektyna • Grzyby: chityna • Bakterie:

peptydoglykan (cukro-białko)

Fosfolipidy w wodzie – micella

Fosfatydylo-cholina

Komórka bakteryjna

1D 2D

Wojciech Grochala


“Błona lipidowa jest nieprzepuszczalna więc w przypadku samorzutnego postania miceli, transport z i do byłby raczej mało możliwy, stąd życie raczej zaczęło się poza takimi układami (błona komórkowa umożliwa wymianę materii poprzez kanały białkowe).”

Liczba komórek bakter. w ludzkim ciele…

A WIRUS?

"organisms at the edge of life"

Wojciech Grochala


Cząstki wirusa (wiriony) złożone z: i) materiału genetycznego (DNA lub/i RNA) ii) ochronnej otoczki proteinowej iii) i czasami zewnętrznej koperty lipidowej

(dla ochrony gdy są poza żywą komórką)

Wyewoluowały z: • plazmidów? (progressive, up the hill) • bakterii? (regressive, down the hill)

1. Przenoszą materiał genetyczny 2. Reprodukują się (ale NIE przez podział kom.!) 3. Ewoluują przez dobór naturalny

the most abundant biological entities on Earth and they outnumber all the others put together infect all types of cellular life including animals, plants, bacteria and fungi

Love-me, love-me-not

Mechanizmy obronne

Wojciech Grochala


antyciała (immunoglobuina =

proteina)

Guanozyna (nukleozyd)

Aciclovir™ (falszywy n.)

Love-me, love-me-not

Mechanizmy obronne

Wojciech Grochala


antyciała (immunoglobuina =

proteina)

Guanozyna (nukleozyd)

Aciclovir™ (falszywy n.)

bakteriofagi

Love-me, love-me-not, c.d.

Czy TO jest ŻYCIE?

Wojciech Grochala


MS2 3569 nukleotydów RNA

(1976)

Escherichia coli Mr Kowalski

Główni podejrzani

“RNA world hypothesis” (1967)

Wojciech Grochala

• RNA • DNA • Białka • Tłuszcze • Cukry


“Aktualnie uważa się, że RNA jest najbardziej pierwotne z tego to powodu, że katalizuje powstawanie białek a nie odwrotnie.

Nie wiadomo skąd się wzięło RNA. ”

(chromosomalne)

1–1,000 kbp

zdolne do replikacji (~jak wirus)

http://en.wikipedia.org/wiki/Base_pair

Główni podejrzani

“RNA world hypothesis” (1967)

Wojciech Grochala

• RNA • DNA • Białka • Tłuszcze • Cukry


“Aktualnie uważa się, że RNA jest najbardziej pierwotne z tego to powodu, że katalizuje powstawanie białek a nie odwrotnie.

Nie wiadomo skąd się wzięło RNA. ”

(chromosomalne)

1–1,000 kbp

zdolne do replikacji (~jak wirus)

http://en.wikipedia.org/wiki/Base_pair

RNA vs. DNA

HIV

Wojciech Grochala


Pojedyńczy zwitek

D vs. R: RNA mniej trwałe niż DNA bardziej podatne na hydrolizę

+Reverse transcriptase…

Spiegelman Monster

Pre-RNA: PNA, TNA, GNA…!

Wojciech Grochala


Fragment 218 nukleotydów zdolnych do reprodukcji przez RNA replication enzyme (polimeraza, kodowana przez RNA) 1965

Sol Spiegelman 1914–1983

1997: Eigen & Oehlenschlager nawet 48 nukleotydów się replikuje

1975: Sumper & Luce nawet zasady nukleinowe mogą się replikować w obecności polimerazy…!

The very beginning?

(not quite)

Wojciech Grochala


J.D. Bernal: biopoesis, the process of living matter evolving from self-replicating but nonliving molecules (passing through a number of intermediate stages) 1969

Autoreplikacja (autokataliza) – molekularne replikatory NIEADDYTYWNOŚĆ

SYNTEZA TEMPLATOWA

Louis Pasteur: “living things come only from other living things”

Defnicja życia 2.0 & …

Więc chyba jednak RNA!

Wojciech Grochala


Jerzy Dzik: “obiekty żywe – czyli zdolne do ścisłego dziedziczenia właściwości autokatalitycznych, które podlegają losowej zmienności”

Silesaurus opolensis Polonosuchus silesiacus

2003 J. Dzik

2005 T. Sulej

230 mln lat

Kataliza! M. Powner i wsp. (2009)

Status: 2015

Status prawny? Kiedy… DUSZA?

Wojciech Grochala


Cells emerged at least 3.5 billion years ago. The current belief is that these cells were heterotrophs. The early cell membranes were probably more simple and permeable than modern ones, with only a single fatty acid chain per lipid. Lipids are known to spontaneously form bilayered vesicles in water, and could have preceded RNA, but the first cell membranes could also have been produced by catalytic RNA, or even have required structural proteins before they could form.

A 2012 study led by A. Mulkidjanian suggests that inland pools of condensed and cooled geothermal vapour have the ideal characteristics for the origin of life. Scientists discovered in 2002 that by adding a montmorillonite clay to a solution of fatty acid micelles (lipid spheres), the clay sped up the rate of vesicles formation 100-fold. B & Mo & O – kataliza powstawania RNA (NA MARSIE???)

4.6 vs. 3.5 billion ya

Symbioza & inter-breeding

Transfer (genów) horyzontalny

Wojciech Grochala

Mariaż (i rozwód???) z cyjanobakterią


W 2008 roku Tal Dagan i William Martin przebadali pół miliona genów pobranych z 181 prokariotów i stwierdzili, że ponad 80% z nich nosi oznaki horyzontalnego transferu zwiększona różnorodność genetyczna

Jądrowce:

mitochondrium chloroplasty

• Własne DNA (mitoch. & plastom) • ATP podobne do nukl. adenozyny Homo sapiens (5% neandertalczyka)

goryl australopitek H. erectus

H. neandertalensis

H. sapiens

H. heidelbergensis

Przodkowie za Mieszka I: 43 gener. 4400 mld

Dziękujemy Ci, bakterio!

Szokujące mezalianse

Wojciech Grochala


Dziedziczność grup krwi (A, B, AB, 0) sero-antropologia, rasy żyjące i wymarłe konflikt serologiczny (przed odkryciem Rh!)

Grupa 0 jako najbardziej archaiczna? Teoria Plejad

"teza walki na śmierć i życie za mało uwzględnia zjawisko symbiozy, nie słyszy harmonii jako zasadniczej melodii natury" "walka o byt nie jest jedynym hasłem życia, istnieje może prawo, które byśmy nazwać mogli prawem najmniejszego cierpienia"

Ludwik Hirszfeld 1884–1954

Deutsch English Français Italiano Norsk bokmål Polski

http://de.wikipedia.org/wiki/Ludwik_Hirszfeld

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ludwik_Hirszfeld



http://it.wikipedia.org/wiki/Ludwik_Hirszfeld

http://no.wikipedia.org/wiki/Ludwik_Hirszfeld



http://pl.wikipedia.org/wiki/Ludwik_Hirszfeld

Przyczynek do ewolucji

Powstanie Homo sapiens…

Wojciech Grochala

Zbawienne mutacje i pasy van Allena.


O śmierci komórki, klonowaniu, Frankensteinie i Golemie innym razem…

Szamanizm vs. zorza polarna: -epilepsje i wizje wrodzone -brak ciągłości genet. (dziedziczności)

Wielkie wymieranie (x6)

Orzeł czy reszka?

Wojciech Grochala

Sześć (?) pouczających przypadków zagłady życia na Ziemi:


99.9 % gatunków wymarło (background extinction rate 1–13 mln lat, ssaki ~1 mln)

O–S

Fauna morska, fossils

Late D

P–Tr

Tr–J K–Pg

(H)

Cm1,2

Snowball Earth: 650 Ma

Wielkie wymieranie (x6), c.d.

Śmierć na wiele sposobów…

Wojciech Grochala


O–S

Late D

P–Tr

Tr–J

K–Pg

(H)

Cm1,2

Ruch Gondwany na biegun płd. (globalne ochłodz., zlodowac., spadek poz. morza), 2x spadek poziomu CO2 (poprzedzający)

“Wielkie Wymieranie” –96% mor. & 70% ląd. kręgowców, przyczyna ? gaz cieplarniany (metan) z hydratów?

2x, na lądzie rośliny i owady, wymierają trylobity, przyczyna ?

Tuż przed rozpadem Pangei, przyczyna ?

Impakt asteroidy, 66,038,000 ± 11,000 ya (Ir)

Chicxulub crater (~180 km) bolid 10 km

100 teraton TNT

Klimat, wpływ człowieka ?

Superkontynent Pannotia zaczyna się rozpadać, przyczyna ?

Skąd nadejdzie “koniec świata”?

Kupcie sobie bilet na Marsa

Wojciech Grochala

100-letnia perspektywa: Piękne Yellowstone. Near Earth Object (NEO) Program


http://neo.jpl.nasa.gov/risks/ http://volcanoes.usgs.gov/observatories/yvo/

55 x 80 km

2,1 mln, 1,3 mln 0,64 mln

Od 1980 r., > 1000 obiektów identyfikowalnych

http://neo.jpl.nasa.gov/risks/

http://volcanoes.usgs.gov/observatories/yvo/

http://volcanoes.usgs.gov/observatories/yvo/

Zamiast zakończenia

ET: fobie i nadzieje

Wojciech Grochala


Zamiast zakończenia

ET: fobie i nadzieje

Wojciech Grochala


Samotność, horror vacui i życie pozaziemskie

Szczypta (al)chemii i nauk pokrewnych

Documents