dva biopolymery ovládly enzymatické a kódovací zařízení současného života: polypeptidy a polynukleotidy. Obě tyto molekuly vykazují nádherně dobře přizpůsobené vlastnosti samosestavení, i když používají ortogonální strategie samosestavení. V současném životě umožňuje ribozom tok informací mezi těmito dvěma odlišnými, přesto korelovanými biopolymery. Tento přehled pojednává o vztahu mezi těmito dvěma biopolymery se zaměřením na časný vývoj ribozomu.

Charles Darwin slavně poznamenal, že „… od tak jednoduchého začátku se nekonečné formy nejkrásnější a nejkrásnější vyvíjely a jsou vyvíjeny“. Nyní víme, že biologická rozmanitost na zemi voskuje a ubývá. Formy se vyvíjejí a formy jsou uhašeny, ale ne v ustáleném stavu. Kambrická exploze, asi před 540 miliony let, znamenala relativně rychlý nárůst rozmanitosti. Kataklyzmy, zejména Permian–Triassic (251 Mya) a křída–Paleogene (65 Mya) vymírání, zmenšil rozmanitost.

život je jednoduchý. Pokud se podíváme na molekuly, Darwinova šířka rozmanitosti je považována za iluzorní. Formy nejsou nekonečné a v posledních několika miliardách let evoluce zůstaly v podstatě konstantní. Raná biologie zúžila rozmanitost molekul, spíše než ji eskalovala. Chemické složitost, integrovaná přes všechny biologické systémy na zemi, je nižší než rozmanitost i malé omezuje abiotický systému, jako je například chondritic meteorit nebo jeden z Stanley Miller je jiskrový výboj experimenty . Na úrovni biopolymerů je rozmanitost ještě více uschlá. Pouze dvě polymerní páteře, polynukleotid (DNA/RNA) a polypeptid (protein), dominují životu a jsou pro něj univerzální. Bezkonkurenční vlastnosti polynukleotidů a polypeptidů samy o sobě poháněly konkurenční polymery z biosféry.

proč dvě polymerní páteře? Proč ne jeden, nebo tři? Jaké jsou charakteristické rysy našich biopolymerů? Tyto dva tvoří Jin a jang biomolekulární struktury (Obrázek 1). Montážní schéma používané polynukleotidy je přímou konverzí schématu používaného polypeptidy. Polynukleotidy jsou polypeptidy skrz zrcadlo a naopak.

Polynukleotidy se sestavují interakcemi vodíkových vazeb mezi postranními řetězci (tj. mezi bázemi, Obrázek 2). Páteř je samoodpudivý a je na vnější straně sidechain core, vystavený vodnému prostředí (obrázek 3). V párování Watson-Crick mezi bázemi je prostorové uspořádání dárců/akceptorů cytosinu vodíkové vazby komplementární s uspořádáním guaninu. Adenin je komplementární k thyminu / uracilu. Planarity nukleotidových bází jsou také rozhodující pro jejich sestavení. Stohování základny a základny (obrázek 3) je pro stabilitu přinejmenším stejně důležité jako párování základny . RNA je složitější než DNA, s mnoha „nekanonickými“ páry bází.

polypeptidy se sestavují interakcemi vodíkových vazeb mezi atomy páteře (obrázek 4). Polypeptidová páteř je samokomplementární a kohezní, s vhodně rozmístěnými dárci a akceptory vodíkových vazeb. Samokomplementarita polypeptidu se uplatňuje jak v α-šroubovice nebo β-listy, které jsou dominantními montážními prvky složených proteinů. Pro α-šroubovice i β-listy jsou všichni dárci a akceptory vodíkových vazeb spokojeni a postranní řetězce jsou směrovány ven, od páteřního jádra. Proto polypeptidová páteř obsahuje inherentní spínač: šroubovice a plechy se mohou vzájemně převádět.

můžeme se zeptat, zda biologie, jak ji známe, vyžaduje přesně dva konverzní typy dominujících biopolymerů, Jin a jang samosestavení (Obrázek 1). Řekl bych, že ano. Funkční polypeptid a informační polynukleotid daly vzniknout v extravagantním tanci koevoluce. Podle mého názoru neexistoval žádný svět RNA, jak je konvenčně popsáno. Tyto polární opačné polymery jsou vzájemně propojeny a vzájemně závislé ve svých nejhlubších evolučních kořenech. Charakteristické a nezbytné funkce dvou dominantních polymerů biologie jsou přímo naznačeny jejich schématy samosestavení. Jak vyjádřili Watson a Crick, “ konkrétní párování, které jsme předpokládali, okamžitě naznačuje možný kopírovací mechanismus pro genetický materiál.“Složené struktury vláknité a kulovité proteiny, které jsou složeny převážně z α-šroubovice a β-listů, podobně jako signál jejich funkce.

translace a ribozom. V překladu jsou informace transdukovány z polynukleotidu na polypeptid. Během překladu se Jin biologie spojuje přímo s Jangem. Od zásady montáže těchto dvou polymerů se hovoří o sobě (sidechain-sidechain versus páteř-páteř), propracovaný proces nepřímých šablon je nutná pro proces transdukce. Makromolekulární sestavy translace, složené z polynukleotidu i polypeptidu, plní tento úkol a přitom definují život a odlišují život od neživého.

ribozóm se skládá z malé podjednotky (SSU), který dekóduje zprávu a velké podjednotky (LSU), která katalyzuje peptidyl přenos. Ribozom a translace jsou některé z našich nejpřímějších spojení s hlubokou evoluční minulostí a původem života. Tato klika makromolekul a iontů je nejzachovalejší ze života dávných molekulární stroje, a skládá se z prvotní, zmrazené polymerní páteř, sekvence, a sestav.

Koopční Model ribozomální evoluce. Nejrozšířenějším modelem ribozomální evoluce je „koopční model“. V tomto modelu (a) předkové SSU a LSU vznikla a vyvíjela se nezávisle na sobě, s autonomní funkcí, (b) předchůdce LSU, nekompetentní pro montáž s SSU, obsažené PTC (Peptidyl Transferase Center), a katalyzované non-kódované výroba heterogenní oligomerních peptidů, esterů, thioestery, a potenciálně další polymery , © předek SSU měl funkci, která byla opatrnější, ale může mít zapojeni RNA polymerace, (d) některé z non-kódované oligomeru produkty PTC vázán na rodící LSU, které uděluje výhodu, (e) předků LSU a SSU funkcí spojených, v cooption proces, který umožňuje kódovaný syntézu bílkovin, a (f) non-kódované oligomery syntetizovány polymery spojené s ancestral LSU zkamenělé do ocasy ribozomální proteiny, které pronikají hluboko do existující LSU. V modelu koopce, a další modely ribozomální evoluce, změny v evoluci jsou omezeny na ty, které udržují PTC a dekódovací strukturu a funkci. Katalytické jádro LSU a dekódovací centrum SSU jsou zmrazené sestavy, které předcházejí kooperativnímu vztahu mezi LSU a SSU.

starověký “ enzym.“Překladový stroj katalyzuje kondenzaci, jednu z nejstarších a nejtrvalejších chemických transformací biologie . Dvě aminokyseliny jsou spojeny, tvořící peptidovou vazbu a uvolňující molekulu vody, ve starověké chemické transformaci, která předchází biologii. Pokud jeden proužky pryč, nebo přepíše modernější translační komponenty jako aminoacyl tRNA synthetases a malé ribozomální podjednotky, katalytické jádro ribosomů, PTC, je vidět, že se zobrazí všechny znaky prastarého enzymu. Zde je slovo „enzym“ určeno k označení biologického katalyzátoru a neznamená, že byl vyroben z bílkovin. Existující PTC si zachovává schopnost nespecifické kondenzace. Je to hrubá entropická past, která na rozdíl od moderních enzymů není schopna specificky stabilizovat přechodný stav . PTC si zachovala schopnost vytvářet širokou škálu kondenzačních produktů včetně peptidů, esterů, thioesterů atd. . Předkové PTC byl „klobása výrobce,“ produkovat nekódované směsi krátkých heterogenních oligomerů kondenzací.

odolává změnám. Život je ve své biochemické podstatě nejodolnějším a nejrobustnějším chemickým systémem ve známém vesmíru. Malé molekuly metabolitů, polymerní páteř, chemické transformace a komplexní biochemické systémy, které pozorujeme v biologickém světě jsou dnes návaznost na začátku biotické a dokonce i prebiotické chemické systémy . Mnoho molekul a procesů života je hluboce zamrzlých, a zůstaly neměnné po obrovské časové období. Na chemické úrovni obsahuje biologický svět kolem nás „živé fosílie“, které jsou snadno starší než 3 miliardy let. Jsme koncepčně oddíl do molekulární fosilie (aminokyseliny, polypeptidy, nukleotidů, nukleosidů, fosfáty, polynucleotides, železo-sirných center, a některé polymerní sekvence) a proces fosílie (kondenzace, hydrolýzu, fosforylaci, překlad a glukoneogeneze).

existující život nám umožňuje odvodit molekuly, cesty, struktury a sestavy starověkého života. Život si udržuje vlastní historii a může nás tuto historii naučit. Těžba molekulárních a procesních fosilií života je jedním z našich nejlepších přístupů k pochopení starověké biologie a původu života.

molekulární stroj času. Důležité informace o ribozomu byly odhaleny trojrozměrnými strukturami s vysokým rozlišením z nesourodých oblastí evolučního stromu . Vytvořili jsme molekulární stroj času tím, že výpočetně vyřezávání LSU do cibule (Obrázek 5), s PTC v jádru . Přibližujeme proces ribozomální evoluce jako nárůst skořápek cibule. Jeden může chodit dozadu nebo dopředu v čase, přechodem od skořápky ke skořápce v cibuli. Nejstarší částí ribozomální cibule je střed (PTC).

ribozomální cibule poskytuje podrobný a konzistentní příběh starověkých biologických přechodů. Hustota ribozomálních proteinů je nízká ve středu cibule a je vysoká ve vnějších skořápkách (obrázek 6A). Ribozom tedy obsahuje záznam o zavedení a začlenění kódovaného proteinu do biologie a vývoji světa DNA/RNA/bílkovin. Ribozomální protein segmenty v blízkosti centra cibule jsou v neobvyklé ‚non-kanonický‘ konformací, ale ve vnější skořápky z cibule jsou složeny do běžné kulové formy složené z α-šroubovice a β-listy (Obr 6B). Ribozom zaznamenal historii skládání bílkovin.

ribozom jako cibule je zařízení pro sběr a interpretaci obrovského množství podrobných informací o starověké biochemii. Zde jsme se dotkli zavedení polypeptidů do biologie a vývoje složených proteinů. Ribozom je bohatým úložištěm rozmanitých informací pro zájemce o starověké evoluční procesy a původ života.

shrnutí. Biochemie se běžně vyučuje jako izolovaná fakta, struktury a reakce, vytržené z jejich vysvětlujícího kontextu. Rozumné pochopení nejhlubších a nejširších otázek v biologii vyžaduje integrovaný přístup. Proteinovou strukturu lze chápat pouze v kontextu struktury DNA / RNA a naopak. Konverzní vztah polypeptidu k sestavě polynukleotidů je jasný pouze ve srovnání a přímo informuje o našem chápání formy, funkce a vývoje. Současný špatný stav integrace v biochemii je znázorněn v moderní učebnice, které obecně i nadále propagovat organizaci schéma Lehninger první učebnice biochemie (1975). Proteinová struktura je vyučována jako irelevantní a zcela odpojená od struktury nukleových kyselin.

reference.

1. Darwin C (1859) Původ druhů. Do této fráze byla pro přehlednost vložena čárka.
2. Callahan MP, Smith KE, Štěpí HJ, 2., Růžička J., Stern JC, Glavina DP, Dům CH, Dworkin JP (2011) Uhlíkaté meteority obsahují širokou škálu mimozemských nukleové báze. Proc Natl Acad Sci U S A 108: 13995-13998.
3. Schmitt-Kopplin P, Gabelica Z, Gougeon RD, Fekete, Kanawati B, Harir M, Gebefuegi jsem, Eckel G, Hertkorn N (2010) Vysoká molekulární rozmanitost mimozemských organických látek v meteoritu murchison ukázal, 40 let po jeho pádu. Proc Natl Acad Sci U S A 107: 2763-2768.
4. Johnson AP, Štěpí HJ, Dworkin JP, Glavina DP, Lazcano, Bada JL (2008) miller sopečné jiskrový výboj experiment. Věda 322: 404.
5. Bean HD, Lynn DG, Hud NV (2009) vlastní montáž a původ prvních polymerů podobných RNA. Chemická evoluce II: od počátků života k moderní společnosti 1025: 109-132.
6. Watson JD, Crick FH (1953) molekulární struktura nukleových kyselin: struktura nukleové kyseliny deoxyribózy. Příroda 171: 737-738.
7. Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006)base-stohování a base-párování příspěvky do tepelné stability dna dvojité šroubovice. Nukleové Kyseliny Res 34: 564-574.
8. Sugimoto N, Kierzek R, Turner DH (1987) závislost sekvence pro energetiku visících konců a koncových párů bází v ribonukleové kyselině. Biochemie 26: 4554-4558.
9. Gilbert W (1986) původ života: svět RNA. Příroda 319: 618-618.
10. Zuckerkandl E, Pauling L (1965) molekuly jako dokumenty evoluční historie. J Theor Biol 8: 357-366.
11. Benner SA, Ellington AD, Tauer A (1989) moderní metabolismus jako palimpsest světa RNA. Proc Natl Acad Sci U S A 86: 7054-7058.
12. Westheimer FH (1987) proč si příroda vybrala fosfáty. Věda 235: 1173-1178.
13. Woese CR (2001) Translation: In retrospect and prospect. RNA 7: 1055-1067.
14. Hsiao C, Williams LD (2009) opakující se motiv vázající hořčík poskytuje rámec pro centrum ribozomální peptidyltransferázy. Nukleové Kyseliny Res 37: 3134-3142.
15. Čech TR (2009) leze ze světa RNA. Cela 136: 599-602.
16. Fox GE (2010) původ a vývoj ribozomu. Studená pružina Harb Perspect Biol 2: a003483.
17. Hud NV, Lynn DG (2004) od původu života k syntetické biologii. Curr Opin Chem Biol 8: 627-628.
18. Woese CR (2000) interpretace univerzálního fylogenetického stromu. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.
19. Hsiao C, Mohan S, Kalahar BK, Williams LD (2009) loupání cibule: ribozomy jsou starověké molekulární fosílie. Mol Biol Evol 26: 2415-2425.
20. Bokov K, Steinberg SV (2009) hierarchický model pro vývoj 23S ribozomální RNA. Příroda 457: 977-980.
21. Noller HF (2010) evoluce syntézy proteinů ze světa RNA. Studené Jaro Harb Perspect Biol 7: 7.
22. Rich A (1971) možná účast esterů i amidů v prebiotických polymerech. V: Buvet R, Ponnamperuma C, editoři. Chemický vývoj a původ života. Amsterdam: North-Holland Publishing Company.
23. Walker SI, Grover MA, Hud NV (2012) univerzální replikace sekvencí, reverzibilní polymerace a časné funkční biopolymery: model pro zahájení vývoje prebiotické sekvence. PLoS One 7.
24. Sievers A, Beringer M, Rodnina MV, Wolfenden R (2004) ribozom jako entropická past. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 7897-7901. Epub 2004 Květen 7812.
25. Carrasco N, Hiller DA, Strobel SA (2011) Minimální přechodový stav nabití stabilizaci oxyanion během peptidové vazby o tvorbě ribozomu. Biochemie 50: 10491-10498.
26. Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rich a (1970) ribozomem katalyzovaná tvorba esterů. Biochemie 9: 2477-2483.
27. Fahnestock S, Rich a (1971) ribozomem katalyzovaná Polyesterová formace. Věda 173: 340-343.
28. Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, Krayevsky AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) Syntéza thioamide dluhopisů katalyzované e. Coli ribosomů. FEBS Lett 68: 215-218.
29. Tan ZP, Forster AC, Blacklow SC, Cornish VW (2004) Aminokyselin páteř specifičnost Escherichia coli překladatelské stroje. J Am Chem Soc 126: 12752-12753.
30. Hartman MC, Josephson K, Lin CW, Szostak JW (2007) rozšířená sada analogů aminokyselin pro ribozomální translaci nepřirozených peptidů. PLoS ONE 2: e972.
31. Kang TJ, Suga H (2008) ribozomální syntéza nestandardních peptidů. Biochemie 86: 92-99.
32. Ohta a, Murakami H, Suga H (2008) polymerace alfa-hydroxykyselin ribozomy. ChemBioChem 9: 2773-2778.
33. Subtelny AO, Hartman MC, Szostak JW (2008) ribozomální syntéza n-methyl peptidů. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 Dubna 6111.
34. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, Noller HF (1999) rentgenové krystalové struktury funkčních komplexů ribozomu 70.let. Věda 285: 2095-2104.
35. Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (2000)kompletní atomová struktura velké ribozomální podjednotky při rozlišení 2,4 Å. Věda 289: 905-920.
36. Poškozuje J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan, Gat S, Agmon jsem, Bartels H, Franceschi F, Yonath (2001) Vysoké rozlišení struktury velké ribozomální podjednotky z mezofilní eubacterium. Cela 107: 679-688.
37. Selmer M, Dunhamová CM, Murphy FV, Weixlbaumer, Petry S, Kelley AC, Jez JR., Zendulka V (2006) Struktura 70S ribozomu komplexu s mRNA a tRNA. Věda 313: 1935-1942.
38. Ben-Shem A, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) krystalová struktura eukaryotického ribozomu. Věda 330: 1203-209.
39. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag, Zákaz N (2011) krystalová struktura eukaryotické 40s ribosomální podjednotky v komplexu s iniciační faktor 1. Věda 331: 730-736.
40. Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom A, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, Noller HF (2001) krystalová struktura ribozomu v rozlišení 5,5 Å. Věda 292: 883-896.
41. Schuwirth BS, Borovinskaya MA, Hau CW, Zhang W, Vila-Sanjurjo, Holton JM, Cate JH (2005) Struktury bakteriálních ribosomů na 3,5 Å rozlišení. Věda 310: 827-834.
42. Ogle JM, Brodersen DE, Clemons WM, Jr., Zůstaňte MJ, Carter AP, Zendulka V. (2001) Uznání příbuzný přenos RNA na 30S ribosomální podjednotky. Věda 292: 897-902.
43. Noller HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) neobvyklá rezistence peptidyltransferázy na postupy extrakce proteinů. Věda 256: 1416-1419.
44. Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB, Steitz TA (2000) strukturální základ aktivity ribozomu v syntéze peptidových vazeb. Věda 289: 920-930.