Czy ewolucja biologiczna była poprzedzona przez abiotyczną selekcję fotochemiczną?

Transkrypt

1 Czy ewolucja biologiczna była poprzedzona przez abiotyczną selekcję fotochemiczną? Andrzej L. Sobolewski Instytut Fizyki Polska Akademia auk

2 Evolucja życia na Ziemi czas

3 Biosfera (obraz dostępny naszym zmysłom)

4 Poza horyzont ; świat fizyka

5 Kosmos Sięganie w głąb Kosmosu cofanie się w czasie Cofanie się w czasie na Ziemi sięganie do skali mikro-nano

6 Przykład: poznanie mechanizmów molekularnych reakcji życia - fotosyntezy Światło Tlen Dwutlenek węgla Węglowodany Korzenie Minerały Woda

7 Układ naturalnej fotosyntezy Makro Skale poznania: 1mm=10-2 m =0,01m Gołe oko Mikro 1µm=10-6 m =0, m Mikroskop optyczny Mikroskop elektronowy ano 1nm=10-9 m= =0, m

8 Krystalografia rentgenowska białek (skala atomowa) obraz dyfrakcyjny wiązka promieni X krystaliczna substancja obraz dyfrakcyjny mapa gęstości elektronowej model atomowy fazowanie dopasowanie uściślenie

9 Kompleks fotosyntetyczny (rozdzielczość 1.9Å=0,19nm) Umena i inn., ature, 2011

10 Cegiełki życia: białka -helisa -kartka wiązania wodorowe węgiel azot tlen wodór

11 Cegiełki życia: aminokwasy grupa karboksylowa grupa aminowa ieprzeliczalnie bogaty świat białek jest zbudowany z zaledwie 20 aminokwasów, posiadających ten sam motyw amono-kwasowy, a różniących się pomiędzy sobą jedynie grupą chemiczną w pozycji R. p.: dla R=wodór glicyna, a dla R=fenol tyrozyna. glicyna tyrozyna R R węgiel azot tlem wodór

12 Cegiełki życia: DA wiązanie wodorowe zasada

13 Cegiełki życia: zasady DA Praktycznie cała informacja genetyczna jest kodowana w DA przy pomocy czterech tzw. zasad DA, tworzących ze sobą jedynie dwie pary komplementarne. adenina guanina tymina cytozyna Pary zasad Watsona-Cricka A-T G-C węgiel azot tlen wodór

14 Dlaczego właśnie te czasteczki wybrała atura HC H H 2 H O H H 2 adenina guanina tymina uracyl cytozyne H pirol O H H 3 C spośród bogatego zbioru węglowodorów heteroaromatycznych? pirymidina pirydon diaminopurina flavina Węglowodory aromatyczne: płatki grafenowe H O H H O H 2 H 2 O H H O H O H 2 H H O O benzen naftalen perylen koronen

15 Sekwencja zdarzeń dotycząca wczesnej historii życia na Ziemi Jakie było kryterium selekcji wybranych przez aturę cegiełek molekularnych do zbudowania Życia na Ziemi?

16 Evolucja życia na Ziemi Pre-biotyczna zupa : odporność na promieniowanie UV mogła stanowić istotne kryterium czas

17 Blaknięcie kolorów: cząsteczki organiczne nie są odporne na światło słoneczne

18 Korozja plastyku

19 UV Kwant promieniowania UV jest z punktu widzenia cząsteczki pociskiem. Aby nie ulec zniszczeniu cząsteczki odporne na promieniowanie powinny mieć rodzaj wewnętrznej kamizelki kuloodpornej.

20 Kevlar: tkanina kamizelek kuloodpornych tkanina włókna struktura molekularna węgiel tlen azot wodór Wiązania wodorowe Energia kinetyczna pocisku jest zamieniana na energię drgań atomów tworzących strukturę włókien kevlaru.

21 Poza horyzont ; świat fizyki kwantowej

22 Poziom sub-atomowy (mikroskop sił atomowych) 1Å=0.1 nm= m= m szkielet jądrowy cząsteczki Obserwowane chmury elektronowe Struktura falowa elektronu elektron w stanie podstawowym elektron w stanie wzbudzonym 1Å gęstośc rozkładu elektronów Obliczone chmury elektronowe

23 Równanie Schrödingera (1926r) operator zawierający informacje o fizyce układu energia cząsteczka wodoru + + funkcja falowa opisująca położenia i prędkości cząstek układu Hamiltonian cząsteczki wodoru Hamiltonian dowolnego układu jąder i elektronów model Bohra Równanie Schrödingera model chmury elektronowej

24 Energia potencjalna Cząsteczka wodoru R=0.45Å dystans międzyjądrowy, R(Å) stan wzbudzony hν R=3.0Å stan podstawowy R=1.5Å D 0 R=0.74Å obserwowana długość wiązania międzyjądrowego Wzbudzona światłem cząsteczka wodoru rozpada się na tworzące ją atomy wodoru

25 Energia Fotodestrukcja Molekularne (foto)transformacje ionization hυ fluorescencja UV/VIS abs S 1 wewnętrzna konwersja Aby szybko powrócić do stanu podstawowego, wzbudzona optycznie cząsteczka musi posiadać dostęp do tunelu zapewniającego bezpieczny zjazd. S 0 Współrzędne reakcji

26 Zamiana energii potencjalnej w kinetyczną (dwie ścieżki: bezpieczna i ryzykowna)

27 Powierzchnie energii potencjalnej złożonego układu atomowego Conical Intersection

28 Fotoreakcyjnośc vs. Fotostabilność Udana Fotochemia fotoreaktywność Wewnętrzna Konwersja= =ieudana Fotochemia fotostabilność Wewnętrzna Konwersja= =ieudana Fotochemia forma przejściowa forma przejściowa produkt przerwanie przerwanie substrat substrat substrat współrzędna reakcji współrzędna reakcji współrzędna reakcji

29 Fotostabilnośc molekularna Fotostabilna cząsteczka musi posiadać bardzo wydajny i szybki kanał dezaktywacji bezpromienistej wzbudzenia optycznego, który przetwarza energję elektronową na ciepło oscylacji w stanie podstawowym, aby uniknąć kanałów foto-reaktywnych.

30 Zasady DA mają krótki czas życia w stanie wzbudzonym, (w przeciwieństwie do długożyjących heteroaromatów) nukleotydy (femtosekundy) H H 2 zasady DA/RA (pikosekundy) H H 2 heteroaromaty (nanosekundy) H 2 uracyl 5-aminouracyl tymidyna guanine cytozyna 2,6-diaminopurine (7H) adenozyna adenina 4,5-diaminopirymidina cytydyna tymina guanozyna 5-hydroxyuraciy 1ps=10-12 s 1ns=10 2,4-diaminopirymidyna -9 s 1fs=10-15 s τ fl >10-9 s Rosnący Czas Życia w Stanie Wzbudzonym

31 Pytanie: Jaki jest wewnętrzny mechanizm zamiany energii wzbudzenia optycznego cząsteczki na ciepło jej oscylacji? Winno być zastąpione pytaniem: Jakie przekształcenie cząsteczki (rozciąganie, zginanie, skręcanie, itp.) prowadzi do przecięcia powierzchni energii potencjalnej stanu wzbudzonego ze stanem podstawowym?

32 Fotofizyka adeniny atomów = = 39 wewnętrznych stopni swobody Pytanie: Które z 39 wewnętrznych stopni swobody adeniny prowadzą do przecięcia stanu wzbudzonego ze stanem podstawowym?

33 Energia Wyjaśnienie zagadki kanału 3 w benzenie S 1 IC IC fl abs Wzbudzony z pewnym nadmiarem energii benzen przestaje świecić ponieważ sztywny pierścień aromatyczny benzenu mięknie na skutek wzbudzenia optycznego i układ uzyskuje dostęp do kanału powrotu bezpromienistego do stanu podstawowego tzw. kanał 3. S 0 Sobolewski, 1990 Sobolewski, Woywod, Domcke, 1993

34 Fotofizyka adeniny S 1 S 0 hν τ 1ps Dokładnie ten sam mechanizm determinuje czas życia stanu wzbudzonego adeniny zapewniając jej wysoki stopień odporności na promieniowanie UV - fotostabilność Perun, Sobolewski, Domcke, 2005

35 Adenina vs. 2-aminopuryna H 2 H H H 2 nie fluoryzuje silnie fluoryzuje Przestawinei grupy aminowej z pozycji 7 (adenina) do pozycji 2 (2-aminopuryna) zamienia niefluoryzującą adeninę w barwnik laserowy.

36 Fotofizyka 2-aminopuryny S 1 S 0 hν τ ns Dostęp do kanału zaniku bezpromienistego wzbudzonej 2- aminopuryny uniemożliwia bariera energii potencjalnej w stanie wzbudzonym. Perun, Sobolewski, Domcke, 2006

37 Wniosek I: Zasady DA posiadają wbudowany mechanizm ultra-szybkiej zamiany energii wzbudzenia optycznego na ciepło oscylacji, dzięki któremu są stosunkowo odporne na promieniowanie UV Stan podstawowy Stan wzbudzony Twarde w stanie podstawowym zasady DA zamieniają się w miekkie na skutek wzbudzenia optycznego i bardzo skutecznie zamieniają potencjalnie destrukcyjną energię fotonu UV na stosunkowo bezpieczne ciepło drgań atomów je tworzących.

38 Cząsteczki życia z Kosmosu? Mechanizm ten jest na tyle skuteczny, że umożliwia cząsteczkom przeżycie twardego promieniowania UV panującego w Kosmosie.

39 Preselekcja supramolekularnych struktur Życia Mechanizm fotostabilności operujący w pojedynczych zasadach staje się nieaktywny z chwilą ich wbudowania w spiralę DA ze względu na usztywniający wpływ oddziaływań międzycząsteczkowych i wiązań wodorowych. DA UV czas

40 Międzycząsteczkowe wiązanie wodorowe guanina cytozyna węgiel azot tlen wodór Wiązanie cząsteczek na skutek oddziaływań elektrostatycznych pomiędzy ich polarnymi (kwasową XH i zasadową Y) grupami D X-H...Y X,Y=,O

41 Ważna własność wiązań wodorowych: GC dimer G i C monomery G C G C węgiel azot tlen wodór Wiązanie wodorowe klej typu post-it: skleja stosunkowo mocno cząsteczki, a po jego rozerwaniu cząsteczki odzyskuja swoją tożsamośc molekularną.

42 Ta własność wiązań wodorowych jest wykorzystywana w procesie replikacji DA

43 Fotofizyka pary zasad GC guanina cytozyna X-H...Y Pytanie jakie sobie zadaliśmy brzmiało: jak wygląda krzywa energii potencjalnej w stanie wzbudzonym pary GC jeśli będziemy poruszać protonem tworzącym wiązanie wodorowe? Sobolewski & Domcke, 2004

44 Fotofizyka pary zasad GC *(G) *(C) CI [fs] CI LE(G) LE(C) abs IC CT(GC) (G) (C) Doprowadziło to do odkrycia nowego mechanizmu, który zapewnia bezpieczną dezaktywację wzbudzenia elektronowego i powrót cząsteczek do stanu podstawowego.

45 Badania prowadzone na przestrzeni ostatnich 10 lat wykazały, że jest to uniwersalny mechanizm operujący we wszystkich związanych wodorowo strukturach materii biologicznej. A-T AMP Gly-Phe-Ala β-glukoza pary zasad DA nukleotydy polypeptydy polycukry Proces wydajnej zamiany kwantów promieniowania UV na ciepło drgań atomów w układach związanych wodorowo wydaje się być uniwersalnym mechanizmem odpowiedzialnym za fotostabilność materii biologicznej Sobolewski i inn.,

46 Związane wodorowo podstawowe struktury Życia DA celuloza -helisa

47 Wniosek II: Wiązania wodorowe są kluczem nie tylko do funkcjonalności materii biologicznej, lecz także do jej fotostabilności DA białka UV/VIS R Sobolewski & Domcke The chemical physics of the photostability of life EuroPhysics ews 37 (2006) 21 R IR R R

48 Dziękuję za uwagę!