Mikrobioloogia I
tutvustus. Elu teke
Maal.
Loengu autor dots. Tiina AlamäeTartu Ülikool, Molekulaar- ja Rakubioloogia InstituutTartu 2017 Mikrobioloogia I 2017
https
://www.youtube.com/watch?v=qCn9
2mbWxd4https://
www.youtube.com/watch?v=qCn92
mbWxd4
Mikrobioloogia I 2017
Mikrobioloogia I
annotatsioon
Käsitletakse prokarüootide (arhede ja
bakterite) teket Maal, mikrobioloogia
ajalugu, prokarüootide kohta eluslooduse
kolmedomeenses süsteemis, kaasaegse
bakterisüstemaatika põhialuseid,
võrreldakse prokarüootset rakku
eukarüootsega, tuuakse välja arhede
iseärasused.
Esitatakse andmeid prokarüootse raku
siseehituse kohta: iseloomustatakse
membraane, rakukesta, kapsleid, organelle,
varuaineid, vibureid,
spoore jne.
Käsitletakse prokarüootide paljunemist,
liikumisviise, suhteid ümbritseva
keskkonnaga (sh
Mikro t
bio e
loom
gia I p
20 e
17 ratuuri, rõhu,
kiirguse, desinfitseerivate ainete ja
konservantide, hapniku ja pH toimet
mikroorganismidele).
Loengute teemad
1. Mida uurib mikrobioloogia? Elu teke Maal.
2. Mikrobioloogia ajalugu.
3. Prokarüootide koht eluslooduse süsteemis.
Prokarüootide nimetamine ja prokarüootide
suurus.
4. Prokarüootide kirjeldamisel ja
süstematiseerimisel kasutatavad tunnused.
Kaasaegne prokarüootide süsteem.
5. Mikroorganismide rühmad (kujurühmad).
6. Eu- ja prokarüootse raku võrdlus. Arhede
eripära.
Arhed kui ekstremofiilid.
Mikrobioloogia I 2017
7.
Bakteriraku membraan , kest (sein) ja
kapsel .
8.
Organellid ja sisaldised,
varuained , nende
süntees.
9. Endospoorid, sporogenees.
10. Bakterite
viburid , bakterite liikumine ja
selle viisid,
piilid , bakterite kleepumine
pindadele
11.
Bakterid ja keskkond.
12. Temperatuuri toime mikroobidele.
13. Rõhu ja kiirguse toime mikroobidele.
Hapniku ja pH toime mikroobidele.
14. Bakterite kasv ja paljunemine.
15. Keemiliste ainete toime mikroobidele.
Steriliseerimine ja
Mi d
krobi e
ol s
oog iin
a I 2fi01t7seerimine.
Mida uurib mikrobioloogia?
•
Mikroobe (mikroorganisme).
Bakterid , arhed,
mikroseened ja pärmid,
algloomad . Meie oma
kursuses räägime peamiselt bakteritest ja
arhedest.
• Mikrobioloogia uurib nende objektide ehitust,
ainevahetust, geneetikat, genoome.
• Seotud tihedalt ka inimese, loomade ja taimede
molekulaarbioloogiaga (
Escherichia coli ehk
soolekepike kui töövahend molekulaarbioloogilises
töös).
• Mikroobidega seotud ka biotehnoloogilised
rakendused (vaktsiinide, antibiootikumide jt
ravimite tootmine, aminohapete ja vitamiinide
mikrobioloogiline süntees jne).
• Keskkonnatehnoloogilised rakendused –
keskkonnareostuse likvideerimine mikroobide abil
(biotaastamine e. bioremediatsioon).
Mikrobioloogia I 2017
• Mikroobikoosluste
uurimine : nt inimese
mikrobioota analüüs, seos toitumise, tervise ja
haigustega.
Õppematerja
lid
Brock Biology of
Microorganisms 2006
Eleventh
Edition by Michael T. Madigan
and John M. Martinko
Kohaviit TÜ
raamatukogus N X B-
698 (kokku 18
eksemplari).
Mikrobioloogia I 2017
Brock biology of
microorganisms / Michael
T. Madigan, John M.
Martinko, David A. Stahl,
David P. Clark 2012
1150 lk.
ISBN /ISSN:
9780321735515 TÜ
Raamatukogus 22
eksemplari.
Mikrobioloogia I 2017
Microbial Life, Second
Edition (2007)Staley • Gunsalus • Lory • PerryMikrobioloogia I 2017
Микробиология
А. И. Нетрусов, И. Б. Котова
MikrobiologijaIlmumisaeg: 2012
Kirjastus: Академия
Sari: Высшее профессиональное образование
ISBN-10: 5769584114
ISBN-13: 9785769584114
Hind: 39,54 EUR
Püsilink:
http://www.kriso.ee/db/book7595098_o.html Tutvustus
Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным
образовательным стандартом по направлению подготовки
"Педагогическое образование" профиль "Биология" (квалификация
"бакалавр"). В учебнике приведены современные сведения о
систематике прокариот и эукариот, строении их клеток, метаболизме и
его регуляции, экологии и биотехнологиях, основанных на применении
микробов. Для студентов учреждений высшего профессионального
образования. Учебник может быть полезен также учителям средней
школы, преподающим биологию.
Mikrobioloogia I 2017
Õppematerjalid: loengute slaidid, mida järk-järgult ette
valmistan ja ÕISi üles
panen .
Aine lõpeb kirjaliku
eksamiHinn gae%A
91-100%
B
81-90%
C
71-80%
D
61-70%
E
51-60%
F
Alla 51%
Mikrobioloogia I 2017
Kohustuslikud iseseiseisvad tööd:
1) lühiartikkel entsüklopeediasse.
Teemad olemas ÕIS-is. Valitud teemasid
saab kirja panna loengute ajal. Ühte
teemat saab valida mitu üliõpilast.
Artikkel (100-200 sõna) tuleb saata T.
Alamäele E-
kirjaga . Artiklis võib olla üks
illustreeriv joonis koos allkirjaga. Lisada
ka kasutatud kirjandus (raamatud,
artiklid, veebilehed). Kasutatud kirjandus
ei lähe mahus (100-200 sõna) arvesse.
Näidised olemas ÕIS-is.
2) mikrobioloogia-alase lühivideo
otsimine internetist. Video
link saata T.
Alamäele E-kirja
Mikro ga.
bioloogia I 2017
Paar näidet
entsüklopeediaartiklite
kohta, esimene
(aktinobakterite ehk
kiirikbakterite kohta) on
TEA entsüklopeediast.
Mikrobioloogia I 2017
Teema: kiirikbakterid
(Actinobacteria)Actinobacteria on suur
hõimkond bakterite
domeenis. Väga paljud aktinobakterid moodustavad
substraadi- ja õhumütseeli. Mütseel koosneb
hargnenud hüüfidest. Kui mütseelis vaheseinu
esineb, siis harva. Mütseelis on palju
kromosoomikoopiaid.
Mikrobioloogia I 2017
Kiirikbakterid (
Actinobacteria),
grampositiivsete bakterite hõimkond, koosneb
enam kui 130 perekonnast. Hõimkonna suurim
selts on
Actinomycetales. Kiirikbakterite
rakud on ebakorrapäraste pulkade kujulised ning
võivad ka V-kujuliselt hargneda, meenutades
hieroglüüfe. Kuna mõned kiirikbakterid, nt
perekonna
Streptomyces liikmed,
moodustavad
seentele sarnaselt mütseeli,
nimetati neid varem kiirikseenteks e
aktinomütseetideks. Kiirikbakterid paljunevad
rakkude jagunemisega, mütseeliga vormid ka
hüüfitükikeste ja õhumütseelil moodustuvate
koniididega. Elavad peamiselt mullas, on väga
Mikrobioloogia I 2017
olulised looduse aineringes, lagundades
orgaanilisi aineid sh tärklist, kitiini, tselluloosi,
hemitselluloosi,
ligniini laguprodukte ja valke.
Kiirikbakterid ( järg ).
Biotehnoloogias kasutatakse neid
antibiootikumide (streptomütsiin, tetratsükliin,
nüstatiin, erütromütsiin jt) mikrobioloogilises
sünteesis. Kiirikbakterite hõimkonda kuuluvad
haigusetekitajad
Mycobacterium tuberculosis (tuberkuloos),
M. leprae (pidalitõbi),
Corynebacterium diptheriae (difteeria),
Actinomyces israelii ja
A. naeslundii (aktinomükoosid) ning
Propionibacterium acnes (akne), aga ka tervisele kasulikud
jämesoolebakterid (
Bifidobacterium),
õhulämmastikku siduvad mitteliblikõieliste
taimede
mügarbakterid (
Frankia) ning
Mikrobioloogia I 2017
glutamiinhappe mikrobioloogilises sünteesis
kasutatav
Corynebacterium glutamicum.
Tudengite kodutöö
2016 Mikrobioloogia I 2017
Mikrobioloogia I 2017
Seminar Seminaril räägime teie koostatud
entsüklopeedia-artiklitest ja
vaatame teie otsitud videosid
(animatsioone). Auhinnad
parimatele.
Mikrobioloogia I 2017
Elu teke Maal
Mikrobioloogia I 2017
Elu teke
Maal
Mikrobioloogia I 2017
Elu omadused:Membraan1. Teatud keemiliste elementide osalus
elusaines (C,H,N,O,P,S)2. Biokeemilised reaktsioonid
(metabolism);3. Väliskeskkonnast eraldatud “keha”
olemasolu; selle keha
võib moodustada ka
üksainus rakk ;4. Paljunemine;
5. Omaduste edasiandmine DNA ja
RNA vahendusel;6. Suhtlemine väliskeskkonnaga;7. Arenemine ( evolutsioon ).Mikrobioloogia I 2017
Esimesed elusolendid Maal
olid prokarüoodid ehk
eeltuumsed , nad valitsesid
Maad kaua aega, seni kui
ilmusid tuumaga organismid
– eukarüoodid .Elusorganismidele on iseloomulik arenemine ehk
evolutsioneerumin M
e ikrobioloogia I 2017
Geokeemiliste mõõtmistega on Maa vanuseks määratud ~ 4.6
miljardit a. Kõige vanemad mineraalid , mis Maalt on leitud, on 4.4
miljardi aasta vanused tsirkoonikristallid. Vanimad settekivimid ( ca
4 miljardit aastat vanad) on leitud Gröönimaalt (Isua setted).
Settekivimid on eriti huvitavad seetõttu, et see näitab, et sel ajal oli
juba olemas vesi vedelas olekus. Geoloogid leidsid Isua setete
(grafiidi) C-isotoopset koostist uurides, et nad võisid olla tekkinud
elusorganismide (mikroobide) osalusel. Elusorganismid eelistavad
kerge (C12) isotoobiga CO (see on liikuvam) C13 isotoobiga CO -le 2 2seda orgaanilisse ainesse sidudes. Mineraalid P
mra
oe
odgu
un
ste
uvIs
au
da
setete
keemilisel teel mõlemast isotoobist sama kiirusal
ega o
ali
. kunagi
ürgookeani põhi. Sinna
settisid ürgookeani
asukate orgaanilised
jäänused.
3.8 miljardit aastat Mikrobioloogia I 2017
vana Isua
settekivimProkarüoodi
dElu tekke ajaskaala: miljardeid aastaid valitsesid Maal vaid
prokarüoodid. Mikrobioloogia I 2017
Stromatoliidid
https://et.wikipedia.org/wiki/Stromatoliit Stromatoliit on peenekihiline lubiainest
moodustis, mis tekib vees tsüanobakterite või
teiste mikroorganismide elutegevuse toimel.
Moodustuvad nn mikroobsetest mattidest.Stromatoliidid on kuni 1,2 m kõrged ja nende
pikkus võib ulatuda mitme meetrini. Kujult on
nad korrapäratud, mügarjad, koorikjad või
sammasjad. Ehituselt on nad peenekihilised,
kiirjad või teralised.Stromatoliit Saaremaal
Kõige rohkem leidub stromatoliite troopilises
madalas merevees. Stromatoliidid on sageli väga vanad. Vanimad
stromatoliite meenutavad struktuurid on 3,5
miljardit aastat vanad. Eestis on nad eriti
iseloomulikud siluri lademetele. Eestis saab
stromatoliite kohata Saaremaal.Üks kaasaegne mikroobne matt Yellowstone’i
rahvuspargist. Ülemise rohelise kihi moodustavad
tsüanobakterid. Punakad kihid on teised Mikrobioloogia I 201
fo 7
tosünteesivad bakterid. Stromatoliit on kihiline
Stromatoliidid Austraalias Hamelin Pool’is. Nad näevad välja
nagu kivid. Tegelikult on nad moodustunud mikroobsetest
mattidest, millesse on ladestunud kaltsiumiühendeid. Meetri
kõrgune stromatoliit võib olla 2000 miljonit (2 miljardit) aastat
vana, kuna ta kasvab üliaeglaselt. Stromatoliitidest on leitud
3.5-3.8 miljardit aastat vanu bakterite kivistisi.
Mikrobioloogia I 2017
Vaata ürgse Maa joonisel ürgookeanis stromatoliite
2016 september, Nature Isua setetest Gröönimaalt
(dolomiidist) leiti 2016
aastal lumekihtide sulades
3-4 cm paksused
stromatoliidid, mis ilmselt
on vanimad jäljed
mikroobidest.
Mikrobioloogia I 2017
Vanimad fossiilsed bakterid – paleontoloogia.
Lääne-Austraaliast (Apex chert ) ja Lõuna-Aafrikast on
stromatoliitidest leitud 3.5 miljardit a vanu fossiile, mis on
sarnased mõnedele tänapäevastele niitjatele (niidikujulistele)
bakteritele (vaata pilti!). Stromatoliidid on mikroobidest
koosnevate ladestiste (mattide; ingl keeles microbial mats )
kivistised. Kivimites , mis on nooremad kui 2 miljardit aastat, on
fossiilsete mikrooPrrgok aar niüo sodmid iodn e a mins itmad ekesisus juba palju suurem. elusolendidMikrobioloogia I 2017
3.5 miljardit aastat tagasiEsimesed fossiilsed jäänused mikroobidest: kas
tsüanobakterid või rohelised bakterid? Või hoopis
mineraalsed moodustised?Chert – peeneteraline ränirikas settekivim
(ränikivi). Apex on selle kivimi leiukoht
Lääne-Austraalias Pilbaras. NB! Aastal 2015
näidati, et need fossiilid ränikivis võivad
olla artefaktid. Näidati, et nad võivad olla
mineraalset päritolu.OscillatoriaTänapäevased
tsüanobakteri d
Ürgsetest stromatoliitidest
pärit mikroobide kivistised
(vasakul) ja tänapäevased
niitjad tsüanobakterid
(
Oscillatoria) ja rohelised
mitteväävlibakterid paremal.
Tänapäevased niitjad rohebakterid
(Chloroflexus) ja nende mikroobne matt
kuumaveeallikast Yellowstone’i
Mikrobioloogia I 2017
rahvuspargis
2 miljardit aastat tagasiHapniku hulk atmosfääris tõusebHapnikku
tekitavad veest
tsüanobakterid .
Praegu on
näidatud , et
bakterid saavad
hapnikuga
hingata ka siis,
kui seda on
ülivähe. Seega
ei pidanud Mikrobioloogia I 2017
esimeste
aeroobsete
mikroobide
ilmumiseks palju
hapnikku olema.2 miljardit aastat tagasiTänu hapniku hulga tõusule
(tsüanobakterid!) atmosfääris hakkab Nendraes sudet tekkivivimim iteit s vaes helo dk us siü d drauaee rikkadrum ka ihid ränirikaste kihtidega. Seetõttu muutusid nad raua oksüdeerudes triibuliseks.
Tänapäevane ookeanivesi ei sisalda lahustunud rauaühendeid,
sest need oksüdeeruvad hapnikuga kohe ja sadenevad välja.
Ürgses ookeanis võis lahustunud rauda olla palju, sest hapnik
esialgu puudus. Vaata videot vöödiliste rauasetete kohta.http://
www.schooltube.com/video/1054d915c0f74b9d9fe8/ Band
ed%20Iron%20FormationMikrobioloogia I 2017
Banded iron Punased kivimid1.7 miljardit aastat tagasi Ilmuvad esimesed Rakk saab tuuma!
(üherakulised)
eukarüoodid Mikrobioloogia I 2017
bakterid ikka olemasVanimad leiud
inimesest 5 miljonit
aastat tagasiMikrobioloogia I 2017
Elu algus Maal
• Elu arenes Maal mitte-elusast (elutust) materjalist.
Tänapäeval elu enam nii tekkida ei saa, sest tingimused on
praegu Maal hoopis teistsugused (temperatuur, gaaside
koostis atmosfääris, kiirgus jne). Väga oluline on see, et elu
tekke alguses ei olnud hapnikku, mis oleks kahjustanud
moodustunud orgaanilisi molekule. Ürgne
atmosfäär Maal oli
redutseeriv , mis soodustas biomolekulide sünteesi. Kui
tänapäeval on vaja tekitada redutseerivat atmosfääri, siis
eemaldatakse hapnik ja asendatakse see näiteks
lämma
Tin st
g ikuga
imu .
sed ürgselK eemilised elemendid elusaines (C,H,N,O,P,S)Maal:• väga vähe hapnikku,
• redutseerivad tingimused
• CH , CO , N , NH
jäljed CO ja
4
2
2
3,
H -st,
2
• kõrge temperatuur,
• valgus,
vulkaaniline tegevus,
meteoriitide r M
ünikrobiol
nakoo
ugia I
d j20
a1 7
ultravioletkiirgus olid palju
suuremad kui praegu
Üks
hüpotees elu
tekkest Maal: esimesed
elusorganismid olid orgaanilise aine tarbijad
(
heterotroofid )
1) Orgaaniliste molekulide abiootiline
(mittebioloogiline)
süntees ( Oparin ,
Haldane, Miller , Urey );2) Proteinoidide (abiootiliselt
moodustunud
polüpeptiidid)
moodustumine;3) Protobiontide (ürgrakud) teke;4) Pärilikkuse teke (informatsiooni
salvestamine ja Mikrobioloogia I 2017
edastamine
järglastele) RNA kui
matriitsi abil;5) Kaasaegne elu, mis baseerub DNA-l, RNA-l
ja valkudel.Hüpotees elu tekkest Maal: esimesed
elusorganismid olid orgaanilise aine tarbijad
(heterotroofid)
Ürgatmosfää
1) Orgaaniliste r
molekulide
( aminohapped ,
nukleotiidid , Aminohapp
rasvhapped) Nukleotiidid
ed
abiootiline süntees);2) Proteinoidide (abiootiliselt
moodustunud Proteinoidi
Xpolüpeptiidid) ja RNA d
abiootiline süntees;3) Protobiontide (ürgrakud) teke;Ürgrak
4) Pärilikkuse teke k
(informatsiooni Mikrobioloogia I 2017
salvestamine ja
edastamine
järglastele) RNA kui
matriitsi abil;5) Kaasaegne elu, mis baseerub DNA-l, RNA-l
ja valkudel.1) Lihtsate molekulide liitmine keeruliste polümeeride
ehituskivideksAminohappe
d2) Polümeeride (proteinoidid, RNA) Nukleotiididsüntees, mis säilitavad infot ja
viivad läbi reaktsioone3) Kui lisandusid
membraanid ja Nukleiinhappenergiallikas, võis ed moodustuda primitiivne
rakk (ürgrakk) Valgud Mikrobioloogia I 2017
Alternatiivne arvamus on, et esimesed elusorganismid
Maal olid (kemo)autotroofid (kemosünteesijad), kes
sünteesisid
lihtsatest anorgaanilistest ühenditest
(
vesinik ,
ammoniaak ,
süsihappegaas jne) orgaanilist
ainet.
Nad võisid sarnased olla tänapäevastele metaani
sünteesivatele arhedele ja hüdrotermaalsete lõõride
(veelalused vulkaanid ehk mustad suitsetajad)
mikroobidele. Nad olid ka hiljem ilmunud
heterotroofsete mikroobide eellased. Esimesed
heterotroofid tarbisid esialgu toiduna autotroofsete
bakterite koostisosi, valke ja suhkruid. Tänapäevastes
prokarüootides on valke palju - ca 50% kuivainest.
Kättesaadavatest suhkrutest võis kõige rohkem olla
riboosi, mida on ohtralt RNA-s.
Mikrobioloogia I 2017
Oparini (vasakul) ja Haldane’i (paremal)
hüpotees orgaaniliste molekulide
abiootiline moodustumine ürgsel Maal 1920-ndatel aastatel pakkusid Oparin Venemaal
ja Haldane Inglismaal teineteisest sõltumatult
välja, et ürgsel Maal võisid olla sellised
tingimused, mis võimaldasid lihtsate orgaaniliste
molekulide abiootilist (keemilist) sünteesi. Selle
hüpoteesi tõestasid hiljem eksperimentaalselt
Miller ja Urey.Mikrobioloogia I 2017
Oparini ja Haldane’i hüpotees:
orgaaniliste molekulide abiootiline
moodustumine ürgsel Maal Ürgse Maa atmosfäär oli redutseeriv,
elektronide- ja vesinikurikas, ja soodustas
molekulide ühinemist, redutseerumist ja
abiootilist sünteesi. Kuid isegi redutseerivas
atmosfääris vajab orgaaniliste molekulide teke
energiat. Ürgsel Maal võis energiaallikaks olla
tugev UV kiirgus, elektrilaengud ja ka kõrge
temperatuur. Abiootiline süntees ei saa
toimuda tänapäeval, sest praegune atmosfäär
on hapnikurikas – seega liialt oksüdeeriv.
Oksüdeeriv atmosfäär ei soodusta keeruliste
molekulide sünteesi, sest hapnik ründab nende
ainete moodustuMik
mirobio
seloogi
ka I
s 201
v7
ajalikke keemilisi sidemeid. Tänapäevases Maa atmosfääris on ka
kiirgust vähem - osoonikiht neelab enamuse UV
kiirgusest. 1951 a pidas Nobeli laureaat
Harold Urey
Chicago ülikoolis loengu, milles pakkus välja
hüpoteesi, et ürgse Maa atmosfäär oli erinev
tänapäevasest – see oli redutseeriv. Seal olid
olemas vesinik, ammoniaak ja
metaan , millest
võisid moodustuda orgaanilised molekulid,
elusaine ehituskivid. Seda olid varem oletanud ka
Haldane ja Oparin.
Harold Urey uuris Päikesesüsteemi keemilist
koostist, sai Nobeli preemia deuteeriumi ehk
raske vesiniku avastamise eest. Urey loengu
kuul
195 ajat
3. a e
a h
st u
a llga
p s
ö o
ör ldi k
usa ü
S li
ta õp
nl i
e la
y ne
Stanley Miller.
Miller Urey poole ettepanekuga
testida seda hüpoteesi lihtsa
katsega
Mikrobioloogia I 2017
Tehti katseid.
Esimene artikkelilmus
ajakirjas
Science mais 1953.
Vol. 117 no. 3046 pp.
528-529
Mikrobioloogia I 2017
1953.
Milleri - Urey mudel: laboris
imiteeriti ürgse Maa tingimusi
Miller ja Urey lõid laboris tingimused,
Ürgatmosfäärmis oleks pidanud vastama tingimustele
80 oCvarasel Maal. Katses loodud redutseeriv
atmosfäär koosnes veeaurust,
vesinikust, ammoniaagist ja metaanist
(hapnik puudus!). Need olid ained, mis
võisid olla
valdavad varases Maa
atmosfääris. Veeaur juhiti läbi gaaside
segu ja seejärel jahutati. Gaasifaasis
moodustusid
elektrilaengute mõjul
lihtsamad ained (nt. ammoniaagist ja
metaanist
moodustus vesiniktsüaniid
HCN), mis kondenseerus jahutades
Ürgookean veefaasi, kus toimusid põhilised
sünteesireaktsioonid. Vees moodustunud
orgaanilised ained vähemalt osaliselt
kaitstud kiirguse ja elektrilaengute eest.
Vesi kolvis muutus algul M
kikr
o ollbio
a loo
kagi
ka I
s,2 01
h 7iljem
päris
pruuniks . Proovides määrati
moodustunud aineid
paberkromatograafiaga. Enim
moodustus kõige lihtsamat aminohapet
glütsiini.
Milleri-Urey eksperimendis moodustunud
aineid määrati paberkromatograafiliselt.
Näha on alaniini, glütsiini, aspartaadi ja
aminobutüraadi laigud.Mikrobioloogia I 2017
Paneme Milleri artikli teaduses
ajaloolisele taustaleMiller, S. A production of amino acids under possible primitive
Earth conditions. Science, 117:528, 1953 (esimene artikkel
tulemuste kohta).Milleri töö ilmus mõni nädal pärast seda, kui Watson ja Crick
avaldasid oma töö DNA kaksikahelalise struktuuri kohta
ajakirjas Nature. Mõne aasta pärast (1961) näitas Juan Oró, et keemilise
sünteesiga on vesiniktsüaniidist suhteliselt lihtne saada adeniini,
see on nii DNA kui ka RNA ehituskivi. See kõik viis lõpuks RNA
elu hüpoteesini. Mikrobioloogia I 2017
Jeffrey Bada oli Stanley
Milleri doktorant
Lihtsate orgaaniliste
ühendite keemiline
süntees
Mikrobioloogia I 2017
Aastal 2003 (50 aastat pärast Milleri-Urey eksperimenti)
korrati seda eksperimenti uuesti. Erinevus oli selles, et
seekord tekitati korralik vaakuum, et eemaldada kõik
hapniku molekulid segust ja moodustunud produkte
analüüsiti kaasaegsete meetoditega – kõrgsurve
vedelikkromatograafiga ( HPLC ).
Tulemused olid samad. Produkte moodustus samades
vahekordades. Kõige enam tekkis glütsiini.
http://www.youtube.com/watch?v=jpjaV2zKIfw
Iseseisvaks vaatamiseks. Selles You tube videos on sellest juttu !
Video on pikk. Alguses näidatakse ka Millerit ja Ureyd, aparaati ja
õhukese kihi kromotogramme. Videos räägib Jeffrey Bada, Milleri Kui Miller jäi 2007 aastal pensionile, siis pärandas üliõpilane.ta oma ‘varanduse’ sh vanad katsete proovid
Jeffrey Bada’le. Hiljem on nende vanade proovide
uue analüüsi baasil avaldatud veel artikleid. Ka
Jeffrey Bada üliõpilane Eric Parker on neid vanu
proove analüüsinud. Selles videos on juttu nende
vanade proovide leidmisest.Mikrobioloogia I 2017
http://www.youtube.com/watch?v=mUgOPYhXSxY&f
eature= related Aastal 2010 ilmus töö, milles analüüsiti vanu
Stanley Milleri 1058 aasta katsete proove, mille
tulemused olid seni publitseerimata. Neis Milleri
katsetes oli gaasisegus lisaks metaanile,
ammoniaagile ja CO -le ka väävelvesinik, H S.22Proove uuriti moodsate meetoditega (HPLC ja
mass-spektromeetria). Proovidest leiti 23
erinevat aminohapet, sealhulgas ka S-sisaldavaid
aminohappeid , näiteks metioniini. NB! Eric Parker on Jeffrey Bada üliõpilane.Mikrobioloogia I 2017
Kahtlejate vastuväited
• Atmosfääris võis olla hapnikku, see
võis ürgsel Maal tekkida veest UV
kiirguse toimel:
• 2H O + UV = H + O
2
2
2
• UV kiirgus võis lõhkuda moodustunud
keemilisi sidemeid
• Aga, kui sünteesitud ained lahustusid
vees või seostusid mõne pinnaga,
olid nad par
Mi emi
krobioloogni
ia I 20 k
17 aitstud.
Sügavamal vees on ka UV-kiirgust
vähe.
Polüpeptiidide abiootiline süntees
aminohapetest: proteinoidid Elusrakule on
omased biopolümeerid (valgud, RNA,
DNA), mis viivad läbi
reaktsioone ja osalevad muudes
protsessides (nt info säilitamine
ja edastamine). Kuidas need
polümeerid võisid ürgsel Maal
moodustuda?
Tänapäevases elusrakus on
toimub valgusüntees
Peptiidsideme
ribosoomidel. Seal toimub vee
sünteesil eraldub
eraldamine ja peptiidsideme
vesi
süntees aminohap M
e ikro
te bi
oloogia I
vahe 2l01
e 7.
Abiootiline polümeeride süntees
pidi toimuma lihtsamalt,
teistmoodi.
Polüpeptiidide abiootiline süntees
aminohapetest: proteinoidid Vees lahustatud monomeeride segu korral spontaanset
dehüdratsiooni ja aminohapete ühinemist
proteinoidideks ei toimu. Laboratooriumis toimus
polümerisatsioon siis, kui monomeeride lahus tilgutati
kuumale liivale, savile või kivile. Kui vesi aurustus,
moodustusid
lühikesed peptiidid .
Sellisel meetodil valmistas
Sidney Fox (1912-1998)
abiootiliselt polüpeptiide, mida ta nimetas
proteinoidideks. S. Fox näitas 1958. a. ka, et kui
kuiva aminohapete segu kuumutati kõrgel
temperatuuril (140-180 kraadi) õlivannil, siis
moodustusid polüpeptiidahelad (toimus
dehüdraatumine). Ta
arvas , et ürgsel Maal võis selline
Mikrobioloogia I 2017
protsess aset leida näiteks vulkaanilises keskkonnas.
Ka lahuste jäätudes on näidatud, et ained seal
kontsentreeruvad ja reageerivad omavahel
(polümeriseeruvad).
Aastal 2014 ilmus töö, milles jällegi analüüsiti
vanu Stanley Milleri 1958 aasta katsete proove,
milles oli ürgookeani imiteerivasse lahusesse
lisatud katse käigus tsüaanamiidi (vett eemaldav
ja kondenseeriv aine). Samu katseid korrati ka
uuesti. Lisaks aminohapetele leiti ka lühikesi
peptiide (dipeptiide), näiteks: Gly-Gly, Ala-Gly,
Glu-Gly. Vaata ka videot.
http://Mikrobioloogia I 2017
science360.gov/obj/video/823dece7-396a-4c18-9d6
4-224a61245993/stanley-millers-forgotten-experi
ments-analyzedNB! Artikli esiautoriks jälle Eric Parker.Millised võisid olla esimesed valgud?
Prebiootilised
aminohapeteks (need,
mis võisid moodustuda
abiootilise sünteesiga)
loetakse järgmiseid:
alaniin , aspartaat,
glutamaat, glütsiin,
isoleutsiin, leutsiin,
proliin , seriin,
treoniin ja valiin. Joonisel valge
kasti sees. Neid on
kokku 10. NB! Nende
hulgas pole näiteks
aromaatseid aminohappeid ja
aluselisi aminohappeid.
Tänapäevastes
valkudes on 20
Mikrobioloogia I 2017
erinevat aminohapet,
nende hulgas ka
aromaatsed ja
aluselised .
Millised võisid olla esimesed valgud?
Aastal 2013 sünteesiti kunstlik lihtsa struktuuriga
(
beta -trefoil ehk ristikheinalehe struktuuriga) valk,
mis koosnes 12-st
erinevast aminohappest, 80%
ulatuses prebiootilistest. Mitteprebiootilistest
aminohapetest olid valgus arginiin (R) ja
glutamiin (Q). Vaadati, kas selline valk on võimeline voltuma
(moodustama sekundaarstruktuuri) ja sooviti teada,
milliste omadustega ta võiks olla.
Proc .Natl. Acad .Sci.USA (2013) 110:
2135-2139Mikrobioloogia I 2017
Valkude primaar- ja kõrgemad struktuurid
http://en.wikipedia.org/wiki/Protein_folding PrimaarjärjestusSekundaarstruktuur: beeta- ahelad
ja alfa-heeliksidMikrobioloogia I 2017
Millised võisid olla esimesed valgud?
Prebiootilistest aminohapetest sünteesitud
valk kristalliseeriti ja uuriti tema struktuuri ja
omadusi. Valk sisaldas pinnal happelisi
aminohappeid ja tema struktuuri säilumiseks
oli vaja soolast keskkonda. 2M NaCl
stabiliseeris valgu struktuuri. Püstitati
hüpotees, et esimesed elusorganismid võisid
kasutada sedatüüpi valke oma elutegevuses
ja elu võis tekkida soolases vees.
Proc.Natl.Acad.Sci.USA (2013) 110:
2135-2139Mikrobioloogia I 2017
Proc.Natl.Acad.Sci.USA (2013)
110: 2135-2139PV2 (primitive version 2) valgu primaarstruktuur ja
sekundaarstruktuur. (12 beta- ahelat , mis moodustavad ristikheina
lehe moodi struktuuri). Aromaatsed aminohapped puuduvad.
Kokku kasutati valgus 12 erinevat aminohapet. Mitteprebiootilistest
aminohapetest olid valgus arginiin (R) ja glutamiin (Q). Valk kokku
132 ah pikkune .Mikrobioloogia I 2017
Savi on hea pind mitmesugusteks
polümerisatsioonireaktsioonideks
Savi, isegi külm savi, on eriti hea pind polümeeride tekkeks. Savi adsorbeerib enda
pinnale aminohappeid ja teisi orgaanilisi
monomeere.Pinnale seondunud metalliaatomid, raud ja tsink , toimivad katalüsaatoritena dehüdratatsioonil
– vee eemaldamisel monomeeridest, mis
vajalik sideme sünteesiks monomeeride
vahele. Savi pinnal saab toimuda palju elu tekke aspektist olulisi protsesse:1) saab moodustuda lühike RNA ahel ribonukleotiididest. Mikrobioloogia I 2017
2) aminohapetest moodustuvad peptiidid (proteinoidid).Savi alternatiivina on pakutud orgaanilise sünteesi pinnaks püriiti, FeS.Kuidas tekkis rakk? Protobiondid ehk ürgrakud
(protocells). Membraani olulisus. Milline oli
nende membraan?
Abiootiliselt sünteesitud molekulid (lipiidid või peptiidid) võisid vees
spontaanselt moodustada membraaniga ümbritsetud kerakesi.
Need nn ürgrakud võisid olla tänapäevaste rakkude eellased.
Piiritletud ‘keha’ ehk raku olemasolu on väga oluline – raku sisse
Ürgrakk
transporditav ja rakus moodustuv jääb rakku, ei lähe kaduma.
(protocell)
Rasvhape
Fosfolipiid •
Ürgrakku ümbritsev
kahekihiline membraan võis koosneda
rasvhapetest. Ürgsel Maal võis keemilise sünteesiga moodustuda
rasvhappeid (neid on saadud ürgse Maa tingimusi imiteerides laboris ja
neid on leitud ka meteoriitidest).
•
Ürgraku membraan võis koosneda fosfolipiidest;
•
Ürgraku membraan võis koosneda peptiididest.
Mikrobioloogia I 2017
Kuidas võis membraaniga ürgrakkk
liposoom moodustuda?
• Liposoomid (lipiidsed kerakesed)
moodustuvad lipiidide (rasvhapped,
fosfolipiidid ) segamisel veega. Lipiidid
moodustavad vees spontaanselt kaksikkihi,
kus
hüdrofoobsed molekuli osad on
suunatud sissepoole.
• Liposoomi ümbritseb lipiidne kaksikkiht.
• Vaata animatsiooni lipiidide
organiseerumisest vees kaksikkihiks.
•
http://www.youtube.com/watch?v=lm-dAvbl330&featur Rasvhape
e
R =
a r
s e
v lat
haed
pped assambleeruvad
vees hõlpsasti mitsellideks ja
mitsellidest moodustub
esmalt kahekihiline leht ja sellest kerake,
mis kasvab, kui rasvhappeid
juurde lisada. Kerake jaguneb
Fosfolipiid
mehhaanilise jõu (nt loksutamise)
toimel.
Mikrobioloogia I 2017
https://
www.youtube.com/watch?v=VhUI
IONM6A0
Ürgrakkude teket ja nende võimalikku elutegevust ja
evolutsiooni om uurinud
geneetik , Nobeli preemia
laureaat Jack Szostak Harvardi ülikoolist. Sai Nobeli
aastal 2009 kromosoomide telomeeride uurimise eest).
https://
www.ibiology.org/ibioseminars/evolution-ecology/jack-szostak-part-1
.htmlSzostaki töödes on näidatud, et ürgraku membraan võis
koosneda mitte fosfolipiididest, vaid rasvhapetest. Selline
membraan on läbilaskvam kui fosfolipiidne membraan.
Rasvhapetest moodustuvad
põiekesed (‘ürgrakud’) on stabiilsed
pH ∼7 to 9 juures ja taluvad ka 100-kraadilist temperatuuri.
Mikrobioloogia I 2017
Ürgraku membraan võis moodustuda ka
pindaktiivsetest peptiididest või peptiididest +
rasvhapetest. Miks see hüpotees hea on?
• Ürgrakule oleks ainult fosfolipiididest moodustunud
membraan liiga läbilaskmatu ja selline rakk ei saaks
keskkonnast kätte vees lahustuvaid (hüdrofiilseid) toitaineid.
Ilmselt omandas ürgrakk keskkonnast aineid difusiooniga ja
selleks ei sobi liiga läbiskmatu (
hüdrofoobne ) membraan.
• Kaasaegsete rakkude membraanid koosnevad hüdrofoobsete
fosfolipiidide kaksikkihist, mida ei läbi hüdrofiilsed molekulid
V (n
alg ä
uliit
n e
e ks
kan su
al hkrud). Need lähevad rakku läbi membraanis
p
me ai
mb k
rn
aa ev
ni a
lip tel
iidsee
s kaksikkihis valguliste
kanalite .
Kaasaegsete rakku M
deik
robi
m oloo
emgia I
br 2
a 01
a 7
n koosneb fosfolipiidide
kaksikkihist, millesse on sukeldatud valgud
Sidney Fox’i katse: ürgraku membraan võis
olla valguline.
Sidney Fox tegi ürgrakke (mikrokerasid),
keetes proteinoide (abiootiliselt
sünteesitud peptiide) lühikest aega
soolalahuses ja seejärel segu jahutades.
Moodustusid mikrokerad e. nn ürgrakud.
Kui S. Fox kuumutas aminohapete segu
laavatükil, siis moodustusid polüpepti did
(proteinoidid), mis kokkupuutel külma
veega moodustasid mikrokerasid.
Proteinoidid moodustavad vees teatud tingimustel valgulise membraaniga ümbritsetud kerakesi ehk ürgrakke (protocells).Mikrobioloogia I 2017
•
Pindaktiivsed peptiidid, mis koosnevad 4-10 glütsiinist
(hüdrofoobne aminohape) ja kahest aspartaadist (
hüdrofiilne aminohape) assambleeruvad vees neutraalses keskkonnas
nanotorudeks ja nanokerakesteks.
Nanotoru
elektronmikrosk
oobisMikrobioloogia I 2017
• Lühikesed pindaktiivsed peptiidid (üks ots hüdrofiilne, teine
hüdrofoobne) on võimelised moodustama membraani ja
assambleeruma agregaatideks: nanotorudeks, fibrillideks,
põiekesteks, membraanideks. Selline
peptiid on nagu
membraanne fosfolipiid: tal on hüdrofiilne pea ja hüdrofoobne
saba.
• Asp-Asp-Gly-
P Gl
e y
p -
tiG
i l
dy-Gl
sedy
-Gly-Gly
nanotorud ja
nanopõiekesed.
Asp roosa, Gly
roheline.Membraansete lipiidide hüdrofiilne
“pea” (glütserool ja sellega
seostunud fosforhappe jääk)
Hüdrofoobne “saba” (rasvhappe jäägid)
Mikrobioloogia I 2017
• Pindaktiivsed peptiidid, mis koosnevad 4-10 glütsiinist
(hüdrofoobne aminohape) ja kahest aspartaadist (hüdrofiilne
aminohape) assambleeruvad vees neutraalses keskkonnas
nanotorudeks ja nanokerakesteks.
Milleri-Urey katsetes
moodustus suures
koguses just glütsiini,
aga tekkis ka Mikrobioloogia I 2017
aspartaatiKuidas sattusid ürgsed biopolümeerid „raku
sisaldised“ ürgrakku? RNA Elektrilaeng !!!
(elektroporatsioon);
Erilised peptiidid RNA kandjatena. Protobiont
ehk ürgrakkMikrobioloogia I 2017
Kui liposoomid segada lahustuvate valkude või
nukleiinhapetega (biopolümeerid) ja seejärel kuivatada,
siis moodustub
mitmekihiline “võileib”, millele vee
lisamisel moodustuvad lipiidmembraaniga kerakesed,
mis sisaldavad enda sees kas nukleiinhappeid või valke.
kuiva+ Polümeerid (näiteks taproteinoidi
d või RNA)Lipiidsed
kerakesedLisa
vettProtobiont ehk Mikrobioloogia I 2017
ürgrakkhttps://
www.ibiology.org/ibioseminars/evolution-ecology/jack-szostak-part-1
.htmlElektrilaeng!!!
(elektroporatsioon);
Erilised peptiidid RNA kandjatena.Jack Szostaki töödes on näidatud, RNA ehituskivid (aktiveeritud
nukleotiidid) saavad rasvhapetest moodustuvast membraanist
läbi.
RNA molekule saab rasvhapetest membraaniga ürgrakku viia
lühikeste hüdrofoobsete positiivselt laetud peptiidide abil. Kuna
nad on hüdrofoobsed, siis nad sukelduvad membraani ja oma
positiivselt laetud osaga seostuvad nad RNA-ga.
On näidatud ka, et elektrivoolu abil (elektroporatsioon, välk)
saab vees lahustuvaid molekule viia ‘ürgrakkudesse’.
Tänapäevane DNA elektroporeerimine just seda teebki.
Mikrobioloogia I 2017
Info säilitamine ja edastamine: kuidas see
kaasaegsetes elusorganismides toimub?DNA
RNA
valk Pärilikkuse
kandjaks on DNA (kuid on ka
viirusi, kel
pärikkusaineks on
RNA);
DNA ei
kodeeri vahetult
valgujärjestust.
Mikrobioloogia I 2017
•
Arvatakse, et esimeseks
pärilikkuse kandjaks oli
mitte DNA, vaid RNA;•
Abiootiliselt
moodustunud
ribonukleotiidid
polümeriseerusid
lühikesteks ahelateks .
See võis toimuda näiteks
savi pinnal kõrgel
temperatuuril (vesi
eemaldati). (A)•
Moodustunud RNA ahel
võis toimida matriitsina
komplementaarse ahela
sünteesil Mikrobioloogia I 20
n17
ukleotiididest. Ka see protsess võis toimuda
savi pinnal. (B)•
Komplementaarbe ahel
toimis omakorda
matriitsina algse ahela
sünteesil. (C)Kui keemiliselt sünteesitud RNA-le lisati RNA monomeere, siis
sünteesiti
sellelt katseklaasis 5 kuni 10 nukleotiidsed
komplementaarseid RNA ahelaid. Kui lisati katalüsaatorit
(tsinki), siis sünteesiti ka pikemaid (kuni 40 nukleotiidi)
komplementaarseid lõike.
Valkude süntees.
RNA ahel võis toimida pinnana (šabloonina), mis sidus sobivaid
aminohappeid oma pinnale nii
kauaks , et sai toimuda sideme
teke aminohapete vahele. Nii võisid moodustuda kindla
aminohappelise
järjestusega
peptiidid.
Peptiidsideme
aminohapete vahele võis sünteesida ka RNA. Ribosoomi RNAde
uurimine on näidanud, et nende roll valgusünteesil ei ole
kindlasti mitte ainult struktuurne, vaid et nad osalevad ka
reaalses katalüüsis – näiteks peptiidsideme sünteesis.
Ribosoomi aktiivtsentris (P- ja A-
sait ) sisuliselt valke pole ja
peptiidsideme sünteesi kahe aminohappe vahele katalüüsib
RNA mitte valk!.
NB! Erinevalt
DNAst , on RNA-l ka fenotüüp. Ta moodustab
järjestusest sõltuvalt Mikro
se bi
k o
uloo
n gia I
da 2
a 0r1s7truktuure (linge jne). Selline
ruumiline (3D)
molekul saab spetsiifiliselt seostuda teiste
molekulidega!
RNA elu hüpotees
1) Abiootiliselt sünteesitakse ribonukleotiididest RNA ahelad ja
aminohapetest peptiidid (proteinoidid);
2) Isereplitseeruv RNA (RNA kopeerib end ise);
3) Isereplitseeruv RNA lipiidse või peptiidse membraaniga
kerakestes;
4) Lihtsad rakud, kus RNA on nii kodeerivaks kui ka
katalüüsivaks molekuliks;
5) Sünteesitud valgud võtavad üle osa RNA katalüütilisi rolle;
6) DNA evolutsioon RNA-st;
7) Kaasaegne rakk, milles DNA
kodeerib tunnuseid, RNA
vahendab info tõlkimist valkude keelde ja valgud
katalüüsivad enamuse reaktsioone.
DNA
RNA
ht vtps: a//w lkww.youtube.com/watch?v=VYQQD0KNOisVaata videot RNA-elu hüpoteesi kohtaMikrobioloogia I 2017
Alternatiivsed vaatekohad: jumal ja
panspermia
Võimalik,
et
vähemalt
mõned
orgaanilised
komponendid jõudsid maale kosmosest. Seda ideed
nimetatakse panspermiaks ja see põhineb sellel, et
tuhanded meteoriidid ja komeedid, mis tabasid Maad
tõid endaga kaasa orgaanilisi molekule, mis olid
välikosmoses
abiootilistes
reaktsioonides
Mikrobioloogia I 2017
formeerunud. Tänapäeva meteoriitides on leitud
orgaanilisi aineid, ka lihtsamaid aminohappeid.
Ookeani põhjas on maakoore
„aktiivsetes“ piirkondaes lõhesid ja
ka “vulkaane”, mida nimetatakse
mustadeks suitsetajateks. Musta
suitsetaja korstnast paiskub välja
keemilisi aineid, näiteks H , H S, 22Fe-sulfiidi, metaani jne. On
arvatud, et elu võis Maal tekkida
ka sellistes tingimustes. Mikroobid
on elanud mustade suitsetajate
kooslustes juba vähemalt 3.3
miljardit aastat.
Westall, F. et al. (2015) Archean (3.33 Ga) microbe-sediment
systems were diverse and flourished in a hydrothermal
context . Geology 43, 615–618 http://www.youtube.com/watch?v=rFHtVRKoaUM Mikrobioloogia I 2017
Document Outline
- Mikrobioloogia I tutvustus. Elu teke Maal.
- Mikrobioloogia I annotatsioon
- Loengute teemad
- Slide 5
- Mida uurib mikrobioloogia?
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Seminar
- Elu teke Maal
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Elu algus Maal
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Paneme Milleri artikli teaduses ajaloolisele taustale
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Kahtlejate vastuväited
- Polüpeptiidide abiootiline süntees aminohapetest: proteinoidid
- Polüpeptiidide abiootiline süntees aminohapetest: proteinoidid
- Slide 55
- Millised võisid olla esimesed valgud?
- Millised võisid olla esimesed valgud?
- Valkude primaar- ja kõrgemad struktuurid
- Millised võisid olla esimesed valgud?
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Kuidas võis membraaniga ürgrakkk moodustuda?
- Slide 64
- Slide 65
- Sidney Fox’i katse: ürgraku membraan võis olla valguline.
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Alternatiivsed vaatekohad: jumal ja panspermia
- Slide 78
Kõik kommentaarid