Vad är liv ?

1. Vad är liv ? A. Brack : Livet baserar på lilla roboter som kan göra kopier av sig själv och har förmågan utveckla sig (göra fel) vid reproduktionen L.E. Orgel : Living organisms are CITROENS – Complex Information, Transforming Reproducing Objects that Evolve by Natural Selection NASA Exobiology programme: “Life is a self-sustained chemical system capable of undergoing Darwinian evolution” Ofta krävs också förmåga till identisk reproduktion (Problem:virus)

2. Ideer om livets upkomst Abiogenes: Spontan utforming av liv ut av abiotiska substanser - Kina: bladlöss generas spontant från bamburör - Indien: Flygor bildas från svett och lort - Grekland: Livet uppstår överalt när förhållanden är fördelaktiga - Van Helmont: Möss uppstår från korn och en svettig skjorta (Vissa forskare är lite tveksam om detta experimentet) - Redi (1688): Fluglarvar kommer inte från rutten kött när man lindar in det (Omne vivum ex ovo) Francesco Redi (1626-1697) Jan B. Van Helmont (1577-1644)

4. Ideer om livets upkomst - Van Leuvenhoek uppptäckte mikroorganismer (baciller spiriller, kokker) i 1675 - Många experiment följade för att visa hur mikroorganismerkommer uppstår i vatten (Från luften-Geuze öl, Louis Joblot 1718) - Louis Pasteur (1864): svanflaskexperiment visade att sterili- sation hindrar bildning av mikro organismer L. Pasteur Jäsning av Geuze öl

5. Pasteur’s lycka: Inga sporer i soppan (resistent mot kokning) Några av hans flaskor är fortfarande sterila ! Pasteur : “Teorin om spontan utbildning (Abiogenes) kommer aldrig att återhämta sig från den dödliga slagen av detta enkla experiment”

6. Charles Darwin: Kemisk utveckling av liv • “It is often said that all the conditions for the • first production of a living organism are present, • which could ever have been present.” • But if (and Oh! what a big if!) we could • conceive in some warm little pond, with all • sorts of ammonia and phosphoric salts, light, • heat, electricity, etc., present, that a • protein compound was chemically formed ready • to undergo still more complex changes, at the • present day such matter would be instantly • devoured or absorbed, which would not have • been the case before living creatures were formed.” Charles Darwin - Utveckling av liv längre process - kemisk utveckling kommer före den biologiska

7. Livets byggstenar - Vatten - Fetter - Proteiner - Kolhydrater - Nukleinsyror

8. Vatten - funkar som dipol - Bildning av H-broar - hydration av jonförbindelser (saltar) - anomali (is flyter på vatten) - egenskaper av vatten möjliggör kemiska reaktioner som är omöjliga i andra lösningsmedel Fasdiagramm av H2O “Vätebroar” i H2O Hydration

9. Fettsyror och lipider Principiell struktur av fetter: Fettsyreglycerolester Det finns mättade, omättade (en dubbelbindning) och poly- omättade (flera dubbelbind- ningar)

10. Egenskaper av fetter Hydrofila och hydrofoba lösningsmedel: Hydrofila lösningsmedel (väte, etanol): Molekyler kan bilda H-broar Hydrofoba (bensin, olja): Molekyler saknar den här möjligheten Hydrofila och hydrofoba lösningsmedel kan inte blandas. Fetter är amphifiler (har hydrofil och hydrofob ända) hydrofil hydrofob

11. Egenskaper av fetter Hydrofila och hydrofoba poler attrahera varandra - kan bilda membraner - membraner organiserar sig i vesikler - grundstruktur för cell- membraner och celler - joner kan inte lätt genom- tränger membranen

12. Kolhydrater Allmän formel Cn(H2O)n: Kan bildas af formaldehyd genom aldolkondensation (Butelerov 1861) (under närvaro av lera, calciumhydroxid (Ca(OH)2), kalk (CaCO3). A. M. Butlerov - energireservoarer (sockrar, amylose (mjöl)) - strukturbildare (cellulose)

13. Kolhydrater Kan bilda 5-(furanoser) och 6-(pyranoser)ringer Ringerna kan forma polymerer (amylose)

14. Proteiner är polymerer av (20) aminosyror Carboxyl grupp Amino grupp Rest grupp Bindas av polyamid (peptid)- bindning

15. Roll av proteiner - bildar enzymer (biokatalysatorer för biokeiska reaktioner) - är polymerer av (20) aminosyror Enzymer är mycket selektiva och efficienta

16. DNA/RNA - bärare av genetisk information - 5 nukleobaser - bunden till ribos - ribosenheter för- knippad med fosfat- broar - DNA har dubbel- strängstruktur - strängerna samman- hålls med H-broar Nukleobas H-bro Fosfor- syra Ribos

17. Nukleobaser - 2 purinbaser (Dubbelring): adenin (A), guanin (G) - 3 pyrimidinbaser: cytosin (C), thymin (T, endast DNA), uracil (U, endast RNA)

18. DNA H-broar selektiva (G-C, A-T), utgör genetisk kod DNA bildar stabil dubbel- helix

19. Proteinsyntes 3-basparar koderar en aminosyra DNA koperas till messenger m-RNA aminosyror förknippas till transporter t-RNA med 3 typiska basparar Ribosomer syntetis- erar proteiner enligt sekvensen

20. F. Wöhler Organisk eller anorganisk ? - Tidigare troddes att levande varelser innehåller en “vis vitalis”: Detta skullre omöjliggör att syntetisera “organiska substanser”, t. ex. fett, proteiner från icke-levande “oorganiska” substanser i laboratioriet. Berzelius: “Konsten kan inte kombinera inorganisk materie på samma sätt som levande naturen” Friedrich Wöhler 1898: Ammoniumcyanat “oorganisk” Urinämne “organisk” J. J. Berzelius Gränsen mellan organisk och oorganisk kemi är hel villkorlig

21. Viktiga klasser av organiska förbindelser Kolväten (RH), R = kolvätegrupp Exempel: Metan R=CH3 Alkoholer (ROH), Exempel: Metanol R=CH3 Karboxylsyror (RCOOH), Exempel: Ättiksyra R=CH3 Aldehyder (RCHO), Exempel: Formaldehyd R=H

22. Viktiga klasser av organiska förbindelser Ketoner (R1COR2), Exempel: Aceton R1=R2=CH3 Nitriler (RCN), Exempel: Acetonitril R=CH3 Mättade förbindelser: Bara enklaC-C bindningari R-gruppen Laurinsyra Omättade förbindelser: Dubbel och/eller trippelC-C bindningari R-gruppen CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH Oleinsyra

23. Kemisk evolution Strecker-syntes av aminosyror: A. Strecker A. Oparin: Kemisk evolution (i likhet med Darwin’s evolution) “At first we found carbon scattered in the form of separate atoms, in the red hot stellar atmospheres. We then found it as a component of hydrocarbons which appeared on the surface of the Earth.(…) In the waters of the primitive ocean these substance formed more complex compounds. Proteins and similar substance appeared.(…) [They] (…) acquired a more and more complex and improved structure and were finally transformed into primary living beings – the forbears of all life on Earth.” A.I. Oparin

24. Urey-Miller experiment (1953) Urladdning i en CH4, NH3, H2O och H2 - leder till bildning av aminosyror Varför dessa gaser ? - CH4, NH3, H2O och H2 upptäcktes i gasplaneter - man trodde att de första atmosfärer liknade varandra - Gasplaneter ansågs att ha deras primitiva atmosfär kvar - aminosyresyntes ansags att följa Strecker-mekanism

25. Problem • Jordlika planeter har inte tillräckligt mass att infånga H2 • från solära akkretionsdisken (minsta mass 10-15 jordmassor) • Jordens (också Venusens och Marsens) atmosfär förändras mycket • genom utgassning från jordmanteln och import av komponenter • genom komet-och meteoritinslag. • - Kanske domineras den första jordatmosferen av CO2 och N2O. • - Spår av O2 hindrar aminosyresyntesen. • - Urey-Millersyntesen leder till • racemater (blandning av optisk aktiva • former, diskuteras senare i detalj)

26. Annan möjlighet: UV-instrålning • Fotolys av atmosfärmolekyler leder till reaktiva radikaler • som kan reagera vidare att forma biomolekyler • också beroende av atmosfärens sammansättning • vi kan iaktta sådana processer i atmosfären av • saturnmånen Titan

27. NH R C N C n Exempel: Titan’s jonosfär • Saturnmånen Titan har en atmosfär som domineras av N2 • spår av CH4, andra kolväte och HCN (cyanväte) närvarande • genom solvinden och UV bryts N2 ned. N2 + hn 2N N-atomer kan reagera vidare: N + C2H4 CH3CN + H Nitriler kan reagera vidare: Tholin (möjlig struktur) nRCN + nHCN  Tholiner bildar Titan’s dimma

28. Tholiner Titans dimma Tholiner kan hydrolysera: Titan’s haze layer from Cassini H2O amino acids, nucleobases

29. Gasblandning Motsvarande planetatmosfär Organiska produkter Electrisk urladdning Fotolys CH4 + NH3 + H2O (+ H2) Jätteplaneter RH (mättad & omättad) HCN & andra nitriles (mättad) RCO2H H2CO, andra aldehyder Ketones & alcohols Fast: Aminosyror & kväveheterocyclar efter hydrolys RH (mest mättad ) HCN RCN (mättad ) if N/C <1 RNH2 om N/C >1 H2CO, andra aldehyder Ketoner & alkoholer Fast:   Aminosyror efter hydrolys CH4 + N2 (+ H2O) Titan, Triton RH (mättad & omättad) HCN & andra nitriler ((mättad & omättad), också HC3N and C2N2 H2CO, andra aldehyder ketoner & alkoholer Fast:   Aminosyror & kväveheterocyclar efter hydrolys RH (mättad & omättad) H2CO & other aldehydes with low yields Fast:   Organiska syror CO + NH3 + H2O HCN, oxygenated organic compounds Fast:   Aminosyror efter hydrolys CO2 + N2 + H2O + CO/H2 Primitiv jord ? RH (mest mättad) HCN, andra nitriler (mättad) H2CO, andra aldehyder, ketoner Fast:   Aminosyror efter hydrolys CO2 + N2 + H2O (+O2) Primitiv jord ? Venus, Mars (jorden nu) Ingen syntes

30. Betydelse av atmosfärprocesser i syntes av biomolekyler - Det är mycket svårt att få informationer av tidiga jordens atmosfär. - Chyba och Sagan (1992) upsskattade att produktionen a biomolekyler genom atmosfärprocesser kan variera stort vid ändring av atmosfärens sammansättning.

31. Hydrothermal vents

32. Hydrothermal vents • finns i närheten av sprickor mellan • oceaniska plattor • vatten tränger i och förångas • vattenånga medför gaser (H2, H2S • CO, CO2, CH4) • hög temperatur (350o C) • vatten i omkrets kring 4o C • lera och mineraler verkar som • katalysatorer • brå förhållanden för molekylsyntes • …….men också för deras förstörning Hydrothermal vent

33. Leverans genom meteoriter och kometer Molekyltäthet i förhållande till vatten i kometer

34. Syntes av mer komplicerade förbindelser-purinbaser - 2 purinbaser (adenin, guanin) i DNA/RNA - syntes genom polymerisering av HCN via diaminomaleonitril (Ferris & Orgel, 1966)

35. Syntes av mer komplicerade förbindelser-pyrimidinbaser

36. Syntes av mer komplicerade förbindelser-proteiner - bildning av proteiner/peptider energetisk ofördelaktig i vatten (men fördelaktig i gasfasen) - Möjlighet: Katalys på mineralytor - eller peptidbind- ning med hjälp av aerosoler Kräver energi i vatten

37. Möjliggörs p. g. a. amphifil karaktär av aminosyror (polar huvud, opolar svans) Abiotisk syntes av DNA/RNA även svarare att förstå

38. Kiralitet - en egenskap av många biomolekyler Det finns olika former av kiralitet, den viktigaste formen är centrokiralitet: Om en kolatom har bunden till 4 olika atomer/grupper, finns det två olika enantiomerer, som förhåller sig som bild och spegelbild, och inte är kongruenta. Händerna har samma egenskap, därför hetar den kiralitet (från grekisk ceir = hand. Som man ser, har aminosyror (bortsett från glycin) den här egenskapen.

39. Egenskaper av enantiomerer Enantiomerer har samma fysikaliska och kemiska egenskaper, utanför en: I lösning vrider de polarisationsytan av ljus åt olika håll. Kiralitet upptäcks av L. Pasteur i vinsyra Vinsyrans enantiomerer bildar kristallar som förhålla sig som bild och spegelbild

40. Nomenklatur av kirala förbindelser D-L nomenklatur (Fischer) Man tecknar molekylen så att längsta kolkedjan är vertikal, och den högst oxiderade ändan visar upp. Om den tyngste atom eller atomgrupp, som är bunden till kirala atomen visar till höger, talar man om D(dexter)-formen, i andra fallet om L(laevus)-formen. över ytan under ytan Emil Fischer

41. Andra nomenklatur: R-S Man vrider molekylen att den lättaste atom(grupp), som bindar till den kirala atomen visat nedåt (bakom pappersytan) Sedan numerera man de 3 andra atomer efter nedgående tyngd. Om de är lika, avgör de atomer som är bunden till den (Dubbelbindningar räknas som 2 bindningar till samma atom, och trippelbindningar som 3). Om numerering löper medurs R(rectus)-form, om moturs S-sinister(form) NH2 NH2 1 1 H H C C 2 2 3 3 HOOC CH3 CH3 COOH S-alanin R-alanin

42. Varför är det viktig för livet ? I naturen hittar man nästan uteslutande L-aminosyror och D- sockrar Var ligger skälet till detta: I rymden eller på jorden ? D-ribos