Biologisk enfald. enheten i mångfalden. Anders Liljas Biokemi och Strukturbiologi

Transkript

1 Biologisk enfald enheten i mångfalden Anders Liljas Biokemi och Strukturbiologi

2 Naturen har en enorm mångfald av livsformer. I luften, på land och i vattnet

3 Charles Darwin ( ) Darwin studerade först medicin i Edinburgh för att bli läkare liksom sin far. Han tyckte varken om studierna eller att ta hand om sjuka. Sedan började han studera teologi i Cambridge för att kanske bli landsortspräst. Tiden i Cambridge ägnades åt mycket annat, t ex skalbaggssamlande, geologi, ridning och jakt fick han möjlighet att göra en fem år lång världsomsegling med skeppet Beagle. Resan blev livsavgörande. Darwin studerade bl a geologin och de livsformer han såg. Han samlade in material i mängd. Materialet studerades vidare i hemmet i Down, Kent. Släktskapen mellan arter blev det centrala studiet.

4 Darwins slutsats Enkla former av liv har uppstått för länge sedan och sedan utvecklat sig till de livsformer vi idag känner. Allt liv på jorden har ett och samma ursprung och verkar härröra från en enda urcell. Darwins hypotes, om ett gemensamt ursprung för allt levande, har blivit alltmer central under senare delen av 1900-talet. Hypotesen stöds numer av ett mycket stort antal observationer.

5 Vad förenar alla former av liv? DNA beskriver hur cellens proteiner skall vara uppbyggda. DNA är uppbyggt av 4 byggstenar (nukleotider). A, C, G, T Alla organismer använder samma nukleotider. Proteiner är uppbyggda av 20 aminosyror Alla organismer använder samma 20 aminosyror.

6 För att förstå den biologiska världen måste vi kunna se den, ned till sina minsta beståndsdelar. Kan man se DNA och proteiner? Metoder att se : Elektronmikroskopi NMR Kristallografi Beräkningsmetoder

7 Wilhelm Conrad Röntgen. Nobelpris i fysik Röntgen gav möjligheter att se sådant man tidigare inte kunnat se! Wikipedia Wikipedia Röntgenstrålningen används inom medicinen, men har också många andra användningsområden.

8 Far och son Bragg. Nobelpris i fysik 1915 Wikipedia William Henry Wikipedia William Laurence Började vid University of Adelaide vid 15. Fil kand 1908 i fysik och kemi.

9 Herrarna Bragg kunde med röntgenstrålning visa hur atomstrukturen av t ex koksalt, NaCl, ser ut.

10 Röntgenspridning Ett klassiskt röntgenspridningsfotogram av DNA. Rosalind Franklin Drag en fiber av DNA DNA-fiber Röntgen Film Motsvarar ett avstånd på 3.4Å. Copyright: Nobelstiftelsen

11 1953 Crick & Watson tolkade spridningsmönstret. F. Crick, J. Watson & Wilkins Nobelpris i medicin 1962 Man kan se DNA! Wikipedia

12 3.4Å FUNKTION ÄR STRUKTUR! När man kunde se DNA avslöjades funktionen.

13 Slutklämmen i Watson och Cricks banbrytande artikel: It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material talets största kemiska och biologiska upptäckt presenteras med ett brittiskt understatement!

14 Hur kan DNA med fyra byggstenar fungera som arvsanlag? Datorer använder bara två: 0 och 1! Med 20 aminosyror behövs det minst 20 kombinationer av ACGT. Ord på två bokstäver ger 4x4=16 ord. Ord med tre bokstäver ger 4x4x4=64 ord!

15 Klarlade den genetiska koden Avläsningen av DNA görs med tre bokstäver åt gången. 64 olika ord används för 20 aminosyror. Man måste också ha START och STOPP! Robert W H Gobind Marshall W Holley Korana Nirenberg Nobelpris i Medicin 1968

16 1966 Den genetiska koden är universell 1sta basen U C A G 2ra basen U C A G Phe F Ser S Tyr Y Cys C U Phe F Ser S Tyr Y Cys C C Leu L Ser S STOP STOP A Leu L Ser S STOP Trp W G Leu L Pro P His H Arg R U Leu L Pro P His H Arg R C Leu L Pro P Gln Q Arg R A Leu L Pro P Gln Q Arg R G Ile I Thr T Asn N Ser S U Ile I Thr T Asn N Ser S C Ile I Thr T Lys K Arg R A Met M Thr T Lys K Arg R G Val V Ala A Asp D Gly G U Val V Ala A Asp D Gly G C Val V Ala A Glu E Gly G A Val V Ala A Glu E Gly G G 3je basen Nirenberg et al., 1961, 1964

17 Hur mycket papper går åt att skriva ut det mänskliga genomet, 3Gbp? TAGCATTTACCATAGGATACTATATTA 3000 tecken per sida Båda sidor 2500 ark i en låda 200 lådor!

18 Nukleotidsekvenserna av allt fler genom klarläggs. De flesta gener kodar för proteiner, men många gener kodar för RNA-molekyler! Bioinformatiken kan utgå från nukleotidsekvenser som översätts till aminosyresekvenser. Är proteiner besläktade bör de ha liknande sekvens. Om mindre än 20-25% av aminosyresekvensen är likartade kan man inte dra säkra slutsatser om släktskap även om proteinerna har samma funktion. Proteinernas struktur är mer konserverad än sekvenserna.

19 Max Ferdinand Perutz Nobelpris 1962 John Cowdery Kendrew Nobelpris 1962 Utvecklade metoder att se proteiners struktur med röntgendiffraktion och löste de första proteinstrukturerna.

20 Copyright: Nobelstiftelsen Strukturen av hämoglobin vid 5Å upplösning

21 Elektrontäthetskarta av myoglobin vid 2Å upplösning. Copyright: Nobelstiftelsen Man kan se proteiner! Copyright: Nobelstiftelsen Strukturen av myoglobin (1959).

22 Divergent evolution Sekvenserna kan ha samma ursprung men har divergerat så kraftigt att släktskapen är oklar. Om man känner proteinernas struktur kan ev. släktskap bli helt uppenbar. Strukturerna visar också att proteiner med olika funktion kan ha samma ursprung. Genduplikation med divergent utveckling. Proteindomäner, t ex för nukleotidbindning (t ex ATP) återfinns hos många olika proteiner.

23 ATP är energivalutan i alla organismer. Vi förbrukar minst en halv kroppsvikt ATP per dag! ATP tillverkas och förbrukas på samma sätt hos alla organismer. P i ATP ADP P i

24 Ett vattenhjul drivs av olika vattennivåer ATP produceras med hjälp av ett hjul som drivs runt av vätejoner, H +

25 Vi kan se en molekylär nanomotor: ATP syntas John Walker Nobelpris 1998 ATP-syntas ser likadant ut i såväl bakterier som människor

26 ADP + Pi ATP-syntas OSCP ATP Syntetiserar ATP. Måste rotera för att fungera. F 1 α β α d H + F 6 Stator δ ε γ H + Rotor C a b Fo H + H + H + H + H + H + Copyright: Liljas et al. Textbook of Structural Biology. World Scientific

27 Atomstruktur av en molekylär nanomotor: ATP syntas

28 Hur våra arvsanlag? Arvsanlagen (DNA) kopieras till mrna och på ribosomerna enligt den genetiska koden. Ribosomer finns i alla celler. Ribosomerna är konstruerade på samma sätt i alla organismer. Vi har ärvt detta molekylkomplex från de tidigaste levande organismerna.

29 1964 Watson, angående translationssystemet: Unfortunately, we cannot accurately describe at the chemical level how a molecule functions unless we know first its structure. FUNKTION ÄR STRUKTUR!

30 RNA polymeras kopierar DNA till RNA. Både sekvens och struktur visar på stark släktskap mellan alla organismer. Roger Kornberg. Strukturen av RNA polymeras Nobelpris i kemi 2006

31 RNA polymerase. Komplex av 14 proteiner. mrna DNA som kopieras. Negativ sträng av DNA.

32 mrna Kodon A G G T C T A C C G A T Val Tyr Arg Protein aa1 aa2 aa3 Val Tyr Arg aa7 aa8 aa9 aa10 aa11 aa12 aa13 aa14 Hur görs proteiner?

33 trna: substratet i translationen. Den klassiska klöverbladsstrukturen Strukturen av trna har formen av ett L. 75Å mellan antikodon och änden där aminosyran binder! Ribosomen måste vara byggd att passa. trna ser lika ut i alla organismer

34 1978 E. coli rrna sekvens och sekundärstruktur (Brosius et al. 1978, 1980). 16S RNA 4 domäner 23S RNA 6 domäner 5S RNA rrna är konserverad i alla organismer. Samma domäner men olika lopar.

35 Släktskap mellan ribosomala proteiner Eukarya Archaea E:80 (33,47) E:11 (5,6) AE:35 (13,22) A: 0 A:68 (28,40) BE:1 (0,1) BAE:33 (15,18) BA: 0 B:22 (8,14) Translationssystemet är det mest konserverade. B:56 (23,33) Bacteria

36 färdigt protein av RNA till protein görs på ribosomen. växande protein trna mrna

37 Nobelpriset i kemi 2009 Venkatraman Ramakrishnan Thomas A. Steitz Ada E. Yonath för studier av ribosomens struktur och funktion

38 2000- Kristallografiska strukturer av ribosomer E P A 50S 30S Yusupov et al., 2001

39 Översättningen av mrna till protein görs på ribosomen. trna mrna Avläsnings -centrum Peptid -överförings -centrum växande protein

40 Ribosomen är konstruerad på samma sätt i alla organismer!

41 Naturen har en enorm mångfald av livsformer. Mikroorganismer, bakterier. Udda platser för mikroorganismer: Djupt ner i vulkanisk mark I radioaktivt avfall I heta källor ( C) I kall miljö (-15 C) I ett gram jord finns det 4x10 7 mikroorganismer. De gör nyttigt arbete! På jorden finns det 7x10 9 människor, men troligen 5x10 30 mikroorganismer. Ingen vet hur många arter det finns? , ? De flesta mikroorganismer är okända! Nya bakterieformer utvecklas hela tiden för att överleva ogästvänliga miljöer och våra försök att döda dem. Resistens! Nya typer av virus utvecklas hela tiden.

42 Mus och människa är kusiner! Gemensam förfader för år sedan. Cirka gener. 1% är olika! De flesta ligger i samma ordning! Man kan ta en morotsgen och göra proteinet i en kanin. Man kan göra mänskliga proteiner i bakterier! Eller omvänt! VI ÄR ALLA SLÄKT!

43 Några gemensamma molekylsystem Aminosyrorna 20 bygger upp våra proteiner Nukleotiderna A; C; G; T bygger upp våra arvsanlag Genetiska koden vår gemensamma ordbok Ribosomen som översätter den till proteiner Energivalutan ATP och dess syntes Mycket annat. Vi har en gemensam anmoder!