to biopolymerer er kommet til at dominere det moderne livs ensymatiske og kodende maskineri: polypeptider og polynukleotider. Disse molekyler udviser begge udsøgt velindrettede selvmonteringsegenskaber, omend ved hjælp af ortogonale selvmonteringsstrategier. I det moderne liv muliggør ribosomet informationsstrømmen mellem disse to divergerende, men alligevel korrelerede biopolymerer. Denne gennemgang diskuterer forholdet mellem disse to biopolymerer med fokus på den tidlige udvikling af ribosomet.”fra en så enkel begyndelse har endeløse former, der er smukkeste og mest vidunderlige, været og bliver udviklet”. Vi ved nu, at biodiversiteten på jorden vokser og aftager. Former udvikles, og former slukkes, men ikke i stabil tilstand. Den kambriske eksplosion for omkring 540 millioner år siden markerede en relativt hurtig stigning i mangfoldighed. Katastrofer, især Permian–Trias (251 Mya) og kridt–Paleogen (65 Mya) udryddelser, formindsket mangfoldighed.

livet er simpelt. Hvis man ser på molekyler, ses Darvins bredde af mangfoldighed som illusorisk. Former er ikke uendelige, og de har været i det væsentlige konstante i løbet af de sidste par milliarder år af evolution. Tidlig biologi indsnævrede mangfoldigheden af molekyler snarere end at eskalere den. Kemisk kompleksitet, integreret over alle biologiske systemer på jorden, er lavere end mangfoldigheden af selv et lille begrænset abiotisk system, såsom en kondritisk meteorit eller et af Stanley Millers gnistudladningseksperimenter . På niveau med biopolymerer er mangfoldigheden endnu mere visnet. Kun to polymerrygben, polynukleotid (DNA/RNA) og polypeptid (protein), dominerer livet og er universelle for det. De uovertrufne selvmonteringsegenskaber af polynukleotider og polypeptider har drevet konkurrerende polymerer fra biosfæren.

hvorfor to polymer backbones? Hvorfor ikke en eller tre? Hvad er kendetegnene ved vores biopolymerer? Disse to danner en yin og en Yang af biomolekylær struktur (Figur 1). Samlingsskemaet, der anvendes af polynukleotider, er den direkte samtale af skemaet, der anvendes af polypeptider. Polynukleotider er polypeptider gennem spejlet og omvendt. polynukleotider samles ved hydrogenbindingsinteraktioner mellem sidekæder (dvs.mellem baser, figur 2). Rygraden er selvafstødende og er på ydersiden af sidekædekernen udsat for det vandige miljø (figur 3). Ved parring mellem baser er det rumlige arrangement af hydrogenbindingsdonorer/acceptorer af cytosin komplementært til guanins. Adenin er komplementært til thymin / uracil. Nukleotidbasernes planariteter er også kritiske for deres samling. Base-base stabling (figur 3) er mindst lige så vigtig for stabiliteten som baseparring . RNA er mere komplekst end DNA med mange ‘ikke – kanoniske’ basepar.

polypeptider samles ved hydrogenbindingsinteraktioner mellem atomer i rygraden (figur 4). Polypeptidrygraden er selvkomplementær og sammenhængende med passende fordelte hydrogenbindende donorer og acceptorer. Polypeptidets selvkomplementaritet gælder i både kurp-helices eller kurp-ark, som er de dominerende samlingselementer af foldede proteiner. For både karruseller og karruseller er alle brintbindende donorer og acceptorer tilfredse, og sidekæderne er rettet udad, væk fra rygradskernen. Derfor indeholder polypeptidrygraden en iboende kontakt: helices og ark kan interkonvertere.

Vi kan spørge, om biologi, som vi kender det, kræver nøjagtigt to omvendte typer dominerende biopolymerer, en Yin og en Yang for selvmontering (Figur 1). Jeg vil sige ja. Det funktionelle polypeptid og det informative polynukleotid gav anledning til hinanden i en ekstravagant dans af co-evolution. Der var ingen RNA-verden, som konventionelt beskrevet , efter min mening. Disse polære modsatte polymerer er indbyrdes forbundne og indbyrdes afhængige i deres dybeste evolutionære rødder. De karakteristiske og nødvendige funktioner i biologiens to dominerende polymerer er direkte angivet ved deres ordninger for selvmontering. “Den specifikke parring, vi har postuleret, antyder straks en mulig kopieringsmekanisme for det genetiske materiale.”De foldede strukturer af fibrøse og kugleformede proteiner, der primært er sammensat af Kurt-helices og Kurt-ark, signalerer ligeledes deres funktioner.

Oversættelse og ribosomet. I oversættelse transduceres information fra polynukleotid til polypeptid. Under oversættelsen forbinder biologiens Yin direkte med Yang. Da samlingsprincipperne for disse to polymerer er samtaler om hinanden (sidekæde-sidekæde versus rygrad-rygrad), kræves en detaljeret proces med indirekte templering til transduktionsprocessen. De makromolekylære oversættelsessamlinger, der består af både polynukleotid og polypeptid, udfører denne opgave og definerer dermed livet og skelner livet fra ikke-liv.

ribosomet er sammensat af en lille underenhed (SSU), der afkoder meddelelsen og en stor underenhed (LSU), der katalyserer peptidyloverførsel. Ribosomet og oversættelsen er nogle af vores mest direkte forbindelser til den dybe evolutionære fortid og til livets oprindelse. Denne coterie af makromolekyler og ioner er den bedst bevarede af livets gamle molekylære maskiner, og den er sammensat af primordiale, frosne polymerrygben, sekvenser og samlinger.

Cooptionsmodellen for Ribosomal Evolution. Den mest accepterede model for ribosomal evolution er “cooption-modellen” . I denne model, (a) forfædre til SSU og LSU stammer fra og udviklede sig uafhængigt af hinanden, med autonome funktionaliteter, (b) en forfader til LSU, inkompetent til samling med SSU, indeholdt PTC (Peptidyltransferase Center) og katalyseret Ikke-kodet produktion af heterogene oligomerer af peptider, estere, thioestere og potentielt andre polymerer, havde en forfader til SSU en funktion, der var mere foreløbig, men som kan have involveret RNA-polymerisering, (d) nogle af de ikke-kodede oligomerprodukter fra PTC ‘ en, der bundet til den spirende LSU, der giver fordel, (e) forfædre LSU-og SSU-funktioner forbundet i en cooptionsproces, der muliggør kodet proteinsyntese, og (f) de ikke-kodede oligomerer af syntetiserede polymerer forbundet med forfædres LSU fossiliseret i halerne af ribosomale proteiner, der trænger dybt ind i den eksisterende LSU. I cooption model, og andre modeller af ribosomal evolution, ændringer over evolution er begrænset til dem, der opretholder PTC og afkodning struktur og funktion. Den katalytiske kerne af LSU og dekodningscentret for SSU er frosne samlinger, der går forud for samarbejdsforholdet mellem LSU og SSU.

en gammel ” f.eks.”Oversættelsesmaskinen katalyserer kondens, en af biologiens ældste og mest varige kemiske transformationer . To aminosyrer er forbundet, danner en peptidbinding og frigiver et vandmolekyle i en gammel kemisk transformation, der går forud for biologi. Hvis man strimler væk eller tilsidesætter mere moderne translationelle komponenter såsom aminoacyl tRNA syntetaser og den lille ribosomale underenhed, den katalytiske kerne af ribosomet, PTC, ses at vise alle kendetegnene for et gammelt f.eks. Her er ordet “fsyme” beregnet til at betegne en biologisk katalysator og betyder ikke, at den var lavet af protein. Den eksisterende PTC bevarer en evne til ikke-specifik kondens. Det er en grov entropi fælde, der, i modsætning til moderne, er ude af stand til specifikt at stabilisere en overgangstilstand . PTC har bevaret evnen til at danne en lang række kondensationsprodukter, herunder peptider, estere, thioestere osv. . Den forfædre PTC var en” pølseproducent”, der producerede en ikke-kodet blanding af korte heterogene oligomerer ved kondens.

modstå forandring. Livet, ved dets biokemiske essens, er det mest modstandsdygtige og robuste kemiske system i det kendte univers. Småmolekylmetabolitter, polymerrygben, kemiske transformationer og komplekse biokemiske systemer, som vi observerer i den biologiske verden i dag, kan spores til tidlige biotiske og endda præbiotiske kemiske systemer . Mange af livets molekyler og processer er dybt frosne og har været uforanderlige over store tidsskalaer. På et kemisk niveau indeholder den biologiske verden omkring os “levende fossiler”, der let er over 3 milliarder år gamle. Vi opdeler disse konceptuelt i molekylære fossiler (aminosyrer, polypeptider, basepar, nukleosider, fosfater, polynukleotider, jern-svovlcentre og nogle polymersekvenser) og behandler fossiler (kondensation, hydrolyse, phosphorylering, translation og glukoneogenese).

eksisterende liv giver os mulighed for at udlede molekyler, veje, strukturer og samlinger i det gamle liv. Livet opretholder sin egen historie og kan lære os den historie. Minedrift af livets molekylære og procesfossiler er en af vores bedste tilgange til forståelse af gammel biologi og livets oprindelse.

en molekylær tidsmaskine. Vigtige oplysninger om ribosomet er blevet afsløret af højopløselige, tredimensionelle strukturer fra forskellige regioner i det evolutionære træ . Vi skabte en molekylær tidsmaskine ved computationally carving LSU i en løg (figur 5), med PTC i kernen . Vi tilnærmer processen med ribosomal evolution som accretion af skaller af løg. Man kan gå baglæns eller fremad i tiden ved at flytte fra skal til skal i løg. Den ældste del af ribosomal løg er midten (PTC).den ribosomale løg giver en detaljeret og selvkonsistent historie om gamle biologiske overgange. Tætheden af ribosomale proteiner er lav i midten af løg og er høj i de ydre skaller (figur 6a). Således indeholder ribosomet en registrering af introduktion og inkorporering af kodet protein i biologi og udviklingen af DNA/RNA/Proteinverdenen. Ribosomale proteinsegmenter nær midten af løg er i usædvanlige ‘ikke-kanoniske’ konformationer, men i de ydre skaller af løg foldes til konventionelle kugleformede former sammensat af kurp-helices og kurp-ark (figur 6b). Ribosomet registrerede historien om proteinfoldningen.

ribosomet som løg er en enhed til indsamling og fortolkning af en massiv mængde detaljerede oplysninger om gammel biokemi. Her har vi berørt indførelsen af polypeptider til biologi og om udvikling af foldede proteiner. Ribosomet er et rigt lager af forskellig information for dem, der er interesseret i gamle evolutionære processer og livets oprindelse.

oversigt. Biokemi undervises almindeligvis som isolerede fakta, strukturer og reaktioner taget ud af deres forklarende kontekst. En rimelig forståelse af de dybeste og bredeste spørgsmål i biologi kræver en integreret tilgang. Proteinstruktur kan kun forstås i sammenhæng med DNA / RNA-struktur og omvendt. Det omvendte forhold mellem polypeptid og polynukleotidsamling er kun klart ved sammenligning og informerer direkte vores forståelse af form, funktion og evolution. Den nuværende dårlige tilstand af integration i biokemi er illustreret i moderne lærebøger, som generelt fortsætter med at udbrede organisationsplanen for Lehningers første biokemisk lærebog (1975). Proteinstruktur læres som irrelevant for og helt afbrudt fra nukleinsyrestruktur.

referencer.

1. Darvin C (1859) Arternes Oprindelse. Et komma blev indsat i denne sætning for klarhed.
2. Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, 2nd, Rucicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Darbejdin JP (2011) Carbonaceous meteoritter indeholder en bred vifte af udenjordiske nukleobaser. Proc Natl Acad Sci U S A 108: 13995-13998.
3. Schmitt-Kopplin P, Gabelica a, Gougeon RD, Fekete a, Kanavati B, Harir M, Gebefuegi I, Eckel G, Hertkorn N (2010) højmolekylær mangfoldighed af udenjordisk organisk materiale i murchison meteorit afsløret 40 år efter dets fald. Proc Natl Acad Sci U S A 107: 2763-2768.
4. Johnson AP, kløver HJ, arbejde JP, Glavin DP, Lascano A, Bada JL (2008) miller vulkansk gnistudladningseksperiment. Videnskab 322: 404.
5. Bean HD, Lynn DG, Hud NV (2009) selvmontering og oprindelsen af de første RNA-lignende polymerer. Kemisk udvikling II: fra livets oprindelse til det moderne samfund 1025: 109-132.JD, Crick FH (1953) molekylær struktur af nukleinsyrer: en struktur for deoksyribosenukleinsyre. Natur 171: 737-738.
6. Yakovchuk P, Protosanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006) Base-stabling og base-parring Bidrag til termisk stabilitet af DNA dobbelt spiral. Nukleinsyrer Res 34: 564-574.
7. Sugimoto N, Kiersek R, Turner DH (1987) Sekvensafhængighed for energetikken af dinglende ender og terminale basepar i ribonukleinsyre. Biokemi 26: 4554-4558.Gilbert (1986) livets oprindelse: RNA-verdenen. Natur 319: 618-618.Pauling L (1965) molekyler som dokumenter af evolutionær historie. J Theor Biol 8: 357-366.Benner SA, Ellington AD, Tauer A (1989) moderne stofskifte som en palimpsest af RNA-verdenen. Proc Natl Acad Sci U S A 86: 7054-7058.
8. Vestheimer FH (1987) hvorfor naturen valgte fosfater. Videnskab 235: 1173-1178.(2001) oversættelse: i bakspejlet og udsigten. RNA 7: 1055-1067.Hsiao C (2009) et tilbagevendende magnesiumbindende motiv giver en ramme for det ribosomale peptidyltransferasecenter. Nukleinsyrer Res 37: 3134-3142.
9. Cech TR (2009) kravler ud af RNA-verdenen. Celle 136: 599-602.
10. ræv GE (2010) ribosomets oprindelse og udvikling. Kold foråret Harb Perspect Biol 2: a003483.
11. Hud NV, Lynn GD (2004) fra livets oprindelse til en syntetisk biologi. Curr Opin Chem Biol 8: 627-628.(2000) tolkning af det universelle fylogenetiske træ. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.
12. Hsiao C, Mohan S, Kalahar BK, Vilhelm LD (2009) skrælning af løg: ribosomer er gamle molekylære fossiler. Mol Biol Evol 26: 2415-2425.Bokov K, Steinberg SV (2009) en hierarkisk model for udvikling af 23S ribosomalt RNA. Natur 457: 977-980.
13. Noller HF (2010) udvikling af proteinsyntese fra en RNA-verden. Kold Forår Harb Perspect Biol 7: 7.
14. Rich a (1971) den mulige deltagelse af estere såvel som amider i præbiotiske polymerer. I: Buvet R, Ponnamperuma C, redaktører. Kemisk udvikling og livets oprindel e. Amsterdam: Nordholland Publishing Company.
15. rollator SI, Grover MA, Hud NV (2012) universel sekvensreplikation, reversibel polymerisering og tidlige funktionelle biopolymerer: en model til initiering af præbiotisk sekvensudvikling. PLoS One 7.
16. Sievers a, Beringer M, Rodnina MV, ulven R (2004) ribosomet som en entropi fælde. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 7897-7901. Epub 2004 Maj 7812.
17. Carrasco N, Hiller da, Strobel SA (2011) minimal overgangstilstandsstabilisering af iltning under dannelse af peptidbindinger af ribosomet. Biokemi 50: 10491-10498.
18. Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rich a (1970) Ribosomkatalyseret esterdannelse. Biokemi 9: 2477-2483.
19. Fahnestock S, Rich a (1971) Ribosomkatalyseret polyesterdannelse. Videnskab 173: 340-343.
20. Victorova LS, Kotusov VV, Ahaev AV, Krayevsky AA, KUKHANOVA MK, Gottikh BP (1976) syntese af thioamidbinding katalyseret af E. Coli ribosomer. FEBS Lett 68: 215-218.(2004) aminosyre backbone specificitet af Escherichia coli translation machinery. J Am Chem Soc 126: 12752-12753.
21. Hartman mc, Josephson K, Lin CV, Sostak JV (2007) et udvidet sæt aminosyreanaloger til ribosomal translation af unaturlige peptider. PLoS en 2: e972.
22. Kang TJ, Suga H (2008) Ribosomal syntese af ikke-standardiserede peptider. Biochem Celle Biol 86: 92-99.
23. Ohta a, Murakami H, Suga H (2008) polymerisering af alfa-hydroksysyrer med ribosomer. ChemBioChem 9: 2773-2778.
24. Subtelny AO, Hartman MC, Sostak JV (2008) Ribosomal syntese af N-methylpeptider. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 April 6111.
25. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GS, Earnest TN, Noller HF (1999) RØNTGENKRYSTALSTRUKTURER af 70s ribosomfunktionelle komplekser. Videnskab 285: 2095-2104.Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore Pb, Steit Ta (2000) den komplette atomstruktur af den store ribosomale underenhed ved 2,4 liter opløsning. Videnskab 289: 905-920.
26. Harms J, Schluensen F, Sarivach R, Bashan a, Gat s, Agmon I, Bartels H, Franceschi F, Yonath a (2001) højopløsningsstruktur af den store ribosomale underenhed fra et mesofilt eubacterium. Celle 107: 679-688.Selmer m, Dunham CM, Murphy FV, Petry S, Kelley AC, UIR JR, Ramakrishnan V (2006) struktur af 70 ‘ erne ribosomet komplekseret med mRNA og tRNA. Videnskab 313: 1935-1942.
27. Ben-Shem a, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) krystalstruktur af det eukaryote ribosome. Videnskab 330: 1203-1209.
28. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag a, Ban N (2011) krystalstruktur af den eukaryote 40s ribosomale underenhed i kompleks med initieringsfaktor 1. Videnskab 331: 730-736.
29. Yusupov MM, Yusupova GS, Baucom A, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, Noller HF (2001) krystalstruktur af ribosomet ved 5,5 liter opløsning. Videnskab 292: 883-896.(2005) strukturer af bakteriel ribosomet ved 3,5 liter opløsning. Videnskab 310: 827-834.
30. Ogle JM, Brodersen de, Clemons masseødelæggelsesvåben, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) anerkendelse af beslægtet overførsel RNA af 30s ribosomal underenhed. Videnskab 292: 897-902.
31. Noller HF, Hoffarth V, Simniak L (1992) usædvanlig resistens af peptidyltransferase til proteinekstraktionsprocedurer. Videnskab 256: 1416-1419.
32. Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB, Steitts TA (2000) det strukturelle grundlag for ribosomaktivitet i peptidbindingssyntese. Videnskab 289: 920-930.