GE 146 Section II Full Notes

41 Pages
Unlock Document

Boston College
Earth & Environmental Sciences
EESC 1146

Section II: Abiogenesis and Evolution 02/04/2014 Chemical Evolution I Biochemistry 1. Synthesis of monomers 2. Polymerization reactions Chemical evolution Chemistry of carbon Earth environments Where does the carbon come from? Carbon Source 1. Exogenous delivery 2. Endogenous carbon (atmosphere) CH4, CO2, CO Chondrules Embedded in silicate stony mass  Its thought that this meteorite is the primordial stuff of the solar system Cooled in the absence of gravitational field  If they had been remelted, you’d expect to see a different combination of mineralogy▯ have never been  melted Must’ve been formed in the initial formation of the solar system Therefore their material represents the stuff the earth was originally made of What usually happens is a uniform combination Contain amino acids Supports the idea that you can produce monomers by processes that have nothing to do with biology Chemical Evolution­Abiogenesis 02/04/2014 Abiogenesis is not spontaneous generation. Chemical Evolution­Abiogenesis 02/04/2014 Oparin’s Assumptions Early Earth was reducing Heterotrophy before Autotrophy The abiological synthesis of monomers The Miller­Urey Experiment (1953) Assumptions Atmosphere was strongly reducing: CH4, NH3, H2, H2O Electrical discharge (spark) was readily available Results Simple amino acids Organic acids “Approximately 1800 thunderstorms are in progress at any given moment around the world and lightning  strikes the earth 100 times every second.” Continuous spark discharge This energy makes the molecules react together The abiological synthesis of monomers Chemical Evolution­Abiogenesis 02/04/2014 Chemical Evolution­Abiogenesis 02/04/2014 Amino acids that are common to all forms of life glycine and alanine This experiment was able to produce 4/20 amino acids that exist in all of life Chirality The “handedness” in isomers­ molecules with an asymmetric atom possess a mirror form Biochemistry of living systems uses only one of the two forms: L form­ amino acids D form­ carbohydrates (sugars) Chemical Evolution­Abiogenesis 02/04/2014 Mirror images of each other^^^ • Isomer­ each of two or more compounds with the same formula but a different arrangement of atoms in  the molecule and different properties. • The reactions that produce these molecules (in space or discharge), the mixture is the same between  the two • Belief about differences in symmetry: in history a bottleneck that took place and that reaction ended up  with the L form • The shapes of molecules have effect The basic starter set for abiogenesis—which compounds are common to all life? 20 amino acids simple sugars 3C, 5C, 6C Nitrogenous bases Alanine, Thymine (Uracil, Guanine, Cytosine Hydrocarbons Water and carbon (CH20) Organic acids, other smaller compounds Small molecular weight Amino acids consist of compounds that have a single central carbon and a hydrogen coming off, and all  have amino group Chemical Evolution­Abiogenesis 02/04/2014 R groups substitutes in each amino acid (side chains) that give different characteristics These 20 are the fundamental set that are in living systems Used to make proteins Nitrogenous bases Bases for DNA, RNA▯ The genetic information in a cell Basic monomers/Building blocks Simple sugars Amino acids Nitrogeneous bases Fatty acids Clay minerals characterized by layered silicate Mineral with a lot of exposure to the surface Exposure makes it ready for reaction The earliest atmosphere of the earth was carbon based Chemical Evolution­Abiogenesis 02/04/2014 A big problem for these kind of experiments Hard to get these kinds of reactions Some of the carbon containing compounds could have come from outer space Chemical Evolution­ Polymerization 02/04/2014 Phase 2 All polymerization reactions we see today… All dehydration synthesis reactions Take out a water molecule in every reaction Those reactions only occur in the absence of water (unless water is being removed The occurrence of those reactions in nature could not have taken place in Oparin’s primordial suit Couldn’t occur somewhere where there is all water all the time We need some other environment where those reactions took place Forms break in Oparin’s hypothesis Common set of organic compounds that transcend to all the other organisms is out there.. but what is it? Carbohydrates use the D form of amino acids Biology uses the L form of amino acids Lechatelier’s Principle (1884) Dehydration synthesis reactions amino acids—proteins—enzymes Simple sugars—disaccharides—polysaccharides Nitrogenous bases—nucleosides—nucleotides—nucleic acids Fatty acids to lipids Chemical Evolution­ Polymerization 02/04/2014 Equilibrium state occurs when the forward and reverse reactions are equalized. This establishes the  concentration of the chemicals in a reactive system. If a chemical system, which is at equilibrium, is subjected to a perturbation, that system w ill dynamically  adjust concentrations to bring the system back toward an equilibrium state. Key feature/idea In these dehydration  Two monomers together to produce the polymer and releasing water▯ water comes a product of the  reaction Water is part of the equation and equilibrium All of these reactions are favored to produce the polymer where water is being released Dehydration Synthesis Bond 2 amino acids react and form protein Dehydration Synthesis Bond 20 Carbohydrate Bond (glysodic bond) Chemical Evolution­ Polymerization 02/04/2014 maltose and lactose bonds Chemical Evolution­ Polymerization 02/04/2014 cellulose▯ the major consitituent/plymer macramolecule that occurs in the cell walls glucose monomber mix with cellulose molecules glycogen The Cell Organelles Supramolecular assemblies Macromolecules Building Blocks Intermediates Precursors from the environment CO2, H20, N2 Nucleic Acids Built up of a more complicated arrangement based of 3 different components Chemical Evolution­ Polymerization 02/04/2014 C5 Carbohydrates Ribose and deoxyribose Nitrogen bases—nucleotides Nucleotide, nucleosides Linking a base to a sugar Hydrogen bonding between pyrimidine: purine pairs  Within DNA system there’s a very limited number of chemicals that can be used Chemical Evolution Organic acids and smaller molecules Fatty Acids Long change hydrocarbons Used to try to make lipids Chemical Evolution­ Polymerization 02/04/2014 glycerol, 3 molecules of fatty acids, and ??? Properties of Fatty Acids Polar heads have charge Happy in water Water loving Aqueous seeking of the molecules Nonpolar Tail is neutral Repels waters Nonreactive Plasma membrane Living systems are all formed by polymer dehydration synthesis Early Earth Must have been environments on the earth where these type of reactions could have occurred Environments where drying out could have take place Any terrestrial environment that can abiotically or biotically dry up Ponds, fresh water environments Splash zones associated with the beach and shore Interface between ocean and shore/land The Aerosol Theory Droplets reflux through atmosphere Chemical Evolution­ Polymerization 02/04/2014 Evaporation (water loss) promotes dehydration reactions Polymers aggregate at droplet surface Photochemical reactions favored The water is going back to gas phase from liquid phase Chemical factories that become polymers and land on earth and don’t return to monomer stage▯ polymers  then build up The Origin of the Genetic System 02/04/2014 The Cell cycle Mitosis BNA replication Protein synthesis The Central Dogma of Molecular Biology Watson and Crick model (1953) DNA ▯ RNA ▯ protein A historical note, debate amongst the early biochemists about the nature of genetic material Whether the information in the geno was stored in the protein or nucleic acids Genetic codes embedded in DNA is a triplet code that specifies the 20 different amino acids DNA was storing the genetic code. DNA was coding for a molecule we refer to as messenger RNA which  leaves the nucleus▯ directly responsible for producing proteins Unit directional process The notion of a protein (a series of amino acids that link together) the primary function as enzyme▯ control  and regulate the chemical reactions that occur within a cell▯ effect is homeostasis▯ the chemical of living  systems in which living systems control and regulate their internal systems despite of their surroundings The genetic code Three bases▯ triplet code RNA World  Duality of the genotype and the phenotype in the cell. Can’t envision one without another Enzymes allow the cell to regulate its chemistry independently of the external environment (pressure, temp,  etc) Which came first the protein or RNA? RNA molecule that contains a specific code, then the RNA fold on itself and starts to focus as an enzyme RNA turned out to be the key to the chicken egg question▯ one molecule that can do two things The Origin of the Genetic System 02/04/2014 Information system Acts as enzyme RNA is dual functional▯ must have preceded the central dogma DNA is more stable than RNA (RNA has a charge unlike DNA) DNA is the storage unit▯ holds the information RNA CAME FIRST, DNA IS THE EVOLUTIONARY “END” Clays as possible replicators Precursors to the genetic world Cell Cycle Mitosis Sorting out and distribution of chromosomes into two different cells Cytokinesis occurs after mitosis is over▯ divide the cell into 2 Prophase The Origin of the Genetic System 02/04/2014 The nuclear material is condensing and forming into chromosomes Interphase When DNA is copied▯ real duplication of the genetic material Metaphase Chromosomes line up align on a structure called the spindle Anaphase Helophase End of process Nuclei divided, two sets of chromosomes Working on forming cell wall or membrane Cell plate is going to eventually going to become the wall of the cells as they divide Animal world No rigid outer wall Plants Have a rigid outer wall outside the cell membrane made out of polysacride cellulose S1 Phase, Interphase▯ when the actual duplication of the material occurs Happening within the DNA because the DNA is unraveling to be copied Transcription After the cell has divided, the chromosomes unravel and break apart and then the DNA is directly exposed Transcription The code in the dna is now matched and built up the MRNA An exact replica of the base pair sequence in the DNA Moves outside of the nucleus into the cytoplasm and lines up with ribosome The Origin of the Genetic System 02/04/2014 Then aligned with a transfer RNA and attached to an amino acid There is a linking of amino acid▯ dehydration reaction Hydrogen bonding is a relatively weak way of binding molecules together Facilitates the process of breaking those bonds and using the sequence as a “message” Can easily break in the internal chemistry of a cell When DNA unwinds there are differences between the mechanisms of how the DNA is copied to the RNA  (transcripted) Hydrogen Bonding The messenger creates a long linear sequence that is directly related to the DNA Only 2 combos Adenine pairs to Thymine Cytosine always pair to Guanine Positive copy or negative copy The Origin of the Genetic System 02/04/2014 Transfer RNA ▯ forming of peptide chain Coding region▯ anticodon Other end they attach to amino acid which is highly specified based on their triplet base Some components of Ribosomes are made up of RNA The Origin of the Genetic System 02/04/2014 Basis of genetic code Sequences of 3, 64 combinations Triplet code and amino acid The third position in the code doesn’t matter as long as the first two are correct Was the sequence always this long? Because we only use the first two bases to code for the particular acid Third is “slop” RNA World*** Model or explanation of how the genetic system is built and what the sequences were in building the  genetic system RNA is built abiotically▯ happen in the early earth environment Step 1:  RNA forms from inorganic sources The Origin of the Genetic System 02/04/2014 Step 2: RNA self­replicates (via ribozymes) Ribozyme is engages in reactions that are building more ribozymes Molecule is affecting reactions that is building more of itself Self catalytic Complex shape folds back on itself▯ can control reactions Step 3: RNA catalyzes protein synthesis Ribozymes transfer some of the functionality they do into proteins and amino acids Step 4:  Membrane formation changes internal chemistry Step 5: RNA codes both CAN and protein Proteins catalyze cellular activities Proteins govern reactions DNA becomes master template DNA without the oxygen becomes more stable and becomes the storage The Origin of the Genetic System 02/04/2014 Don’t really need DNA for functional genetic system How is it that these macromolecules that function in a genetic way, how did they come about and be able to  have information associated with linear sequence in terms of their base pairs? How did we begin to get that  going? Living systems▯ all of the reactions are confined within the cell membrane Distinct understand that internal biological chemistry is distinct from external chemistry Clay as possible replicators Flat sheets Molecular chemical system with high surface area Clay has different charge distributions distributed on those surfaces Ionic charge associated with a surface gives you a reaction surface The Origin of the Genetic System 02/04/2014 A. Stacking interactions of adenosine nucleotides bound to the same or an adjacent clay platelet B. Hydrophobic binding of adenine and ionic binding via mg2+ End up with template on surface. Distribution of the charge specifies the distribution of the template. Tell you conceptually how we can have different kinds of reactions with minerals in an organic system Cells and Metabolism 02/04/2014 Basic Cellular metabolism Metabolism­ the sum of the energetic chemical reactions that occur in the cell. 2 processes (catabolic  and anabolic) Catabolic pathways­ are those that break down complex molecules into simpler forms, usually  generating energy in the process Generates ATP (used as a base pair in DNA and RNA) Add Phosphate is used to cause reactions to take place Anabolic pathways­ use up energy to build more complex (structural and storage) from simpler forms Enzymes give the us homeostasis Oparin’s assumptions The first heterotrophic metabolism would’ve been anabolic Two Phosphates ADP▯ adenosine diphosphate Three Phosphates ATP▯ adenosine triphosphate                P +ADP             ATP                          Cells and Metabolism 02/04/2014 Higher­energy                                Lower energy organic compounds Organic compound The ATP Cycle Energy released by breakdown reactions (catabolism) in the cell is used to convert ADP and inorganic  phosphate to ATP. When needed for cellular work, such as molecular synthesis (anabolism) or movement,  the energy stored in the higher energy phosphate bonds of ATP is released. The usual by­products of that  reaction, ADP and inorganic phosphate,
More Less

Related notes for EESC 1146

Log In


Don't have an account?

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.