Zwei Biopolymere dominieren die enzymatische und kodierende Maschinerie des heutigen Lebens: Polypeptide und Polynukleotide. Diese Moleküle weisen beide exquisit gut angepasste Selbstassemblierungseigenschaften auf, obwohl sie orthogonale Selbstassemblierungsstrategien anwenden. Im heutigen Leben ermöglicht das Ribosom den Informationsfluss zwischen diesen beiden divergenten, aber korrelierten Biopolymeren. In dieser Übersicht wird die Beziehung zwischen diesen beiden Biopolymeren erörtert, wobei der Schwerpunkt auf der frühen Entwicklung des Ribosoms liegt.Charles Darwin bemerkte berühmt, dass „… von so einfachem Anfang an endlose Formen, die schönsten und wunderbarsten, entwickelt wurden und werden“. Wir wissen jetzt, dass die biologische Vielfalt auf der Erde wächst und schwindet. Formen werden entwickelt und Formen werden ausgelöscht, aber nicht im stetigen Zustand. Die kambrische Explosion vor etwa 540 Millionen Jahren markierte einen relativ raschen Anstieg der Vielfalt. Kataklysmen, insbesondere das Aussterben von Perm–Trias (251 Mya) und Kreide–Paläogen (65 Mya), verringerten die Vielfalt.

Das Leben ist einfach. Wenn man Moleküle betrachtet, wird Darwins Breite der Vielfalt als illusorisch angesehen. Formen sind nicht endlos, und sie sind in den letzten Milliarden Jahren der Evolution im Wesentlichen konstant geblieben. Die frühe Biologie verengte die Vielfalt der Moleküle, anstatt sie zu eskalieren. Die chemische Komplexität, die über alle biologischen Systeme auf der Erde hinweg integriert ist, ist geringer als die Vielfalt selbst eines kleinen begrenzten abiotischen Systems wie eines chondritischen Meteoriten oder eines von Stanley Millers Funkenentladungsexperimenten . Auf der Ebene der Biopolymere ist die Vielfalt noch verwelkter. Nur zwei Polymer-Backbones, Polynukleotid (DNA / RNA) und Polypeptid (Protein), dominieren das Leben und sind universell für es. Die beispiellosen Selbstorganisierungseigenschaften von Polynukleotiden und Polypeptiden haben konkurrierende Polymere aus der Biosphäre vertrieben.

Warum zwei Polymer-Backbones? Warum nicht eins oder drei? Was zeichnet unsere Biopolymere aus? Diese beiden bilden ein Yin und ein Yang der biomolekularen Struktur (Abbildung 1). Das von Polynukleotiden verwendete Assemblierungsschema ist das direkte Gegenteil des von Polypeptiden verwendeten Schemas. Polynukleotide sind Polypeptide durch den Spiegel und umgekehrt.

Polynukleotide bauen sich durch Wasserstoffbindungswechselwirkungen zwischen Seitenketten (d. h. zwischen Basen, Abbildung 2) zusammen. Das Rückgrat ist selbstabstoßend und befindet sich an der Außenseite des Sidechain-Kerns, der der wässrigen Umgebung ausgesetzt ist (Abbildung 3). Bei der Watson-Crick-Paarung zwischen Basen ist die räumliche Anordnung der Wasserstoffbrückenbindungsdonoren / -akzeptoren von Cytosin komplementär zu der von Guanin. Adenin ist komplementär zu Thymin / Uracil. Die Planaritäten der Nukleotidbasen sind auch entscheidend für ihre Montage. Base-Base-Stacking (Abbildung 3) ist mindestens so wichtig für die Stabilität wie Base-Pairing . RNA ist komplexer als DNA, mit vielen ’nicht-kanonischen‘ Basenpaaren.

Polypeptide bauen sich durch Wasserstoffbindungswechselwirkungen zwischen Atomen des Rückgrats zusammen (Abbildung 4). Das Polypeptid-Rückgrat ist selbstkomplementär und kohäsiv, mit entsprechend beabstandeten Wasserstoffbrückenbindungsdonoren und -akzeptoren. Die Selbstkomplementarität des Polypeptids gilt sowohl für α-Helices als auch für β-Sheets, die die dominierenden Montageelemente gefalteter Proteine sind. Sowohl für α-Helices als auch für β-Sheets sind alle Wasserstoffbrückenbindungsdonoren und -akzeptoren erfüllt und die Seitenketten sind nach außen gerichtet, weg vom Rückgratkern. Daher enthält das Polypeptid-Rückgrat einen inhärenten Schalter: Helices und Blätter können sich ineinander umwandeln.

Wir können fragen, ob die Biologie, wie wir sie kennen, genau zwei umgekehrte Arten dominierender Biopolymere erfordert, ein Yin und ein Yang der Selbstorganisation (Abbildung 1). Ich würde ja sagen. Das funktionelle Polypeptid und das informationelle Polynukleotid haben sich in einem extravaganten Tanz der Koevolution gegenseitig hervorgebracht. Es gab keine RNA-Welt, wie konventionell beschrieben , aus meiner Sicht. Diese polaren entgegengesetzten Polymere sind in ihren tiefsten evolutionären Wurzeln miteinander verbunden und voneinander abhängig. Die charakteristischen und notwendigen Funktionen der beiden dominanten Polymere der Biologie werden direkt durch ihre Schemata der Selbstorganisation angezeigt. Watson und Crick sagen: „Die spezifische Paarung, die wir postuliert haben, deutet sofort auf einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material hin.“ Die gefalteten Strukturen von fibrösen und globulären Proteinen, die hauptsächlich aus α-Helices und β-Blättern bestehen, signalisieren in ähnlicher Weise ihre Funktionen.

Translation und das Ribosom. Bei der Translation werden Informationen von Polynukleotid zu Polypeptid transduziert. Während der Übersetzung verbindet sich das Yin der Biologie direkt mit dem Yang. Da die Assemblierungsprinzipien dieser beiden Polymere einander entgegengesetzt sind (Sidechain-Sidechain versus Backbone-Backbone), ist für den Transduktionsprozess ein aufwändiger Prozess des indirekten Templating erforderlich. Die makromolekularen Translationsanordnungen, die sowohl aus Polynukleotiden als auch aus Polypeptiden bestehen, erfüllen diese Aufgabe und definieren dabei das Leben und unterscheiden das Leben vom Nichtleben.

Das Ribosom besteht aus einer kleinen Untereinheit (SSU), die die Nachricht decodiert, und einer großen Untereinheit (LSU), die den Peptidyltransfer katalysiert. Das Ribosom und die Translation sind einige unserer direktesten Verbindungen zur tiefen evolutionären Vergangenheit und zum Ursprung des Lebens. Diese Gruppe von Makromolekülen und Ionen ist die am besten erhaltene der uralten molekularen Maschinen des Lebens und besteht aus ursprünglichen, gefrorenen Polymerrückgraten, Sequenzen und Baugruppen.

Das Kooptionsmodell der ribosomalen Evolution. Das am weitesten verbreitete Modell der ribosomalen Evolution ist das „Kooptionsmodell“ . In diesem Modell entstanden und entwickelten sich (a) Vorfahren der SSU und LSU unabhängig voneinander mit autonomen Funktionalitäten, (b) ein Vorfahr der LSU, der für die Assemblierung mit der SSU inkompetent war, enthielt das PTC (Peptidyltransferase-Zentrum) und katalysierte die nicht codierte Produktion heterogener Oligomere von Peptiden, Estern, Thioestern und möglicherweise anderen Polymeren , und ein Vorfahr der SSU hatte eine Funktion, die eher vorläufig war, aber möglicherweise eine RNA-Polymerisation beinhaltete, (d) einige der nicht codierten Oligomerprodukte der PTC zu der entstehenden LSU, Vorteil verleihend, (e) Ahnen LSU- und SSU-Funktionen, die in einem Kooptionsprozess miteinander verbunden sind und eine codierte Proteinsynthese ermöglichen, und (f) die nicht codierten Oligomere synthetisierter Polymere, die mit der angestammten LSU assoziiert sind, versteinerten in den Schwänzen ribosomaler Proteine, die tief in die vorhandene LSU eindringen. Im Kooptionsmodell, und andere Modelle der ribosomalen Evolution, Änderungen im Laufe der Evolution sind auf diejenigen beschränkt, die die PTC- und Decodierungsstruktur und -funktion beibehalten. Der katalytische Kern der LSU und das Decodierungszentrum der SSU sind gefrorene Baugruppen, die der kooperativen Beziehung zwischen LSU und SSU vorausgehen.

Ein altes „Enzym.“ Die Translationsmaschinerie katalysiert die Kondensation, eine der ältesten und beständigsten chemischen Umwandlungen der Biologie . Zwei Aminosäuren werden verbunden, Bilden eine Peptidbindung und setzen ein Wassermolekül frei, in einer alten chemischen Transformation, die der Biologie vorausgeht. Wenn man modernere translationale Komponenten wie die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und die kleine ribosomale Untereinheit entfernt oder außer Kraft setzt, zeigt der katalytische Kern des Ribosoms, das PTC, alle Merkmale eines alten Enzyms. Hier soll das Wort „Enzym“ einen biologischen Katalysator bezeichnen und bedeutet nicht, dass es aus Protein besteht. Der vorhandene PTC behält die Fähigkeit zur unspezifischen Kondensation. Es ist eine grobe Entropiefalle, die im Gegensatz zu modernen Enzymen nicht in der Lage ist, einen Übergangszustand spezifisch zu stabilisieren . Das PTC hat die Fähigkeit beibehalten, eine große Vielfalt von Kondensationsprodukten einschließlich Peptide, Ester, Thioester, etc. zu bilden. . Der angestammte PTC war ein „Wursthersteller“, Der durch Kondensation eine nicht codierte Mischung kurzer heterogener Oligomere herstellte.

Widerstand gegen Veränderung. Das Leben ist in seiner biochemischen Essenz das widerstandsfähigste und robusteste chemische System im bekannten Universum. Kleinmolekulare Metaboliten, Polymer-Backbones, chemische Umwandlungen und komplexe biochemische Systeme, die wir heute in der biologischen Welt beobachten, lassen sich auf frühe biotische und sogar präbiotische chemische Systeme zurückführen . Viele der Moleküle und Prozesse des Lebens sind tiefgefroren und über weite Zeiträume hinweg unveränderlich geblieben. Auf chemischer Ebene enthält die biologische Welt um uns herum „lebende Fossilien“, die leicht über 3 Milliarden Jahre alt sind. Wir unterteilen diese konzeptionell in molekulare Fossilien (Aminosäuren, Polypeptide, Basenpaare, Nukleoside, Phosphate, Polynukleotide, Eisen-Schwefel-Zentren und einige Polymersequenzen) und Prozessfossilien (Kondensation, Hydrolyse, Phosphorylierung, Translation und Gluconeogenese).

Vorhandenes Leben erlaubt es uns, Moleküle, Wege, Strukturen und Anordnungen des alten Lebens abzuleiten. Das Leben hat seine eigene Geschichte und kann uns diese Geschichte lehren. Der Abbau der Molekular- und Prozessfossilien des Lebens ist einer unserer besten Ansätze, um die antike Biologie und den Ursprung des Lebens zu verstehen.

Eine molekulare Zeitmaschine. Wichtige Informationen über das Ribosom wurden durch hochauflösende, dreidimensionale Strukturen aus unterschiedlichen Regionen des Evolutionsbaums enthüllt . Wir haben eine molekulare Zeitmaschine erstellt, indem wir die LSU rechnerisch in eine Zwiebel geschnitten haben (Abbildung 5), mit dem PTC im Kern . Wir approximieren den Prozess der ribosomalen Evolution als Akkretion von Schalen der Zwiebel. Man kann in der Zeit rückwärts oder vorwärts gehen, indem man sich in der Zwiebel von Schale zu Schale bewegt. Der älteste Teil der ribosomalen Zwiebel ist das Zentrum (das PTC).

Die ribosomale Zwiebel liefert eine detaillierte und selbstkonsistente Geschichte alter biologischer Übergänge. Die Dichte der ribosomalen Proteine ist in der Mitte der Zwiebel niedrig und in den äußeren Schalen hoch (Abbildung 6A). Somit enthält das Ribosom eine Aufzeichnung der Einführung und des Einbaus von codiertem Protein in die Biologie und der Entwicklung der DNA / RNA / Protein-Welt. Ribosomale Proteinsegmente in der Nähe der Mitte der Zwiebel sind in ungewöhnlichen ’nicht-kanonischen‘ Konformationen, aber in den äußeren Schalen der Zwiebel sind in herkömmliche kugelförmige Formen gefaltet, die aus α-Helices und β-Blättern bestehen (Abbildung 6B). Das Ribosom zeichnete die Geschichte der Proteinfaltung auf.

Das Ribosom als Zwiebel ist ein Gerät zum Sammeln und Interpretieren einer großen Menge detaillierter Informationen über die alte Biochemie. Hier haben wir die Einführung von Polypeptiden in die Biologie und die Entwicklung von gefalteten Proteinen angesprochen. Das Ribosom ist eine reichhaltige Sammlung vielfältiger Informationen für diejenigen, die sich für alte Evolutionsprozesse und den Ursprung des Lebens interessieren.

Zusammenfassung. Biochemie wird allgemein als isolierte Fakten, Strukturen und Reaktionen gelehrt, die aus ihrem erklärenden Kontext herausgenommen werden. Ein vernünftiges Verständnis der tiefsten und breitesten Fragen in der Biologie erfordert einen integrierten Ansatz. Die Proteinstruktur kann nur im Zusammenhang mit der DNA / RNA-Struktur verstanden werden und umgekehrt. Die umgekehrte Beziehung der Polypeptid-Polynukleotid-Assemblierung ist nur durch Vergleich klar und informiert direkt unser Verständnis von Form, Funktion und Evolution. Der derzeitige schlechte Integrationszustand in der Biochemie wird in modernen Lehrbüchern veranschaulicht, die im Allgemeinen weiterhin das Organisationsschema von Lehningers erstem Biochemie-Lehrbuch (1975) propagieren. Die Proteinstruktur wird als irrelevant und vollständig von der Nukleinsäurestruktur getrennt gelehrt.

Referenzen.

1. Darwin C (1859) Der Ursprung der Arten. Aus Gründen der Klarheit wurde in diesen Satz ein Komma eingefügt.
2. Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, 2nd, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP (2011) Kohlenstoffhaltige Meteoriten enthalten eine breite Palette außerirdischer Nukleobasen. Proc Natl Acad Sci USA 108: 13995-13998.
3. Schmitt-Kopplin P, Gabelica Z, Gougeon RD, Fekete A, Kanawati B, Harir M, Gebefuegi I, Eckel G, Hertkorn N (2010) Hohe molekulare Vielfalt außerirdischer organischer Materie in Murchison-Meteoriten enthüllt 40 Jahre nach seinem Fall. Proc Natl Acad Sci USA 107: 2763-2768.Johnson AP, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL (2008) Das Miller volcanic spark discharge Experiment. Wissenschaft 322: 404.Bean HD, Lynn DG, Hud NV (2009) Selbstorganisation und der Ursprung der ersten RNA-ähnlichen Polymere. Chemische Evolution II: Von den Ursprüngen des Lebens zur modernen Gesellschaft 1025: 109-132.Watson JD, Crick FH (1953) Molekulare Struktur von Nukleinsäuren: Eine Struktur für Desoxyribose-Nukleinsäure. Natur 171: 737-738.
4. Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006) Beiträge zur thermischen Stabilität der DNA-Doppelhelix durch Basenstacking und Basenpaarung. Nukleinsäuren Res 34: 564-574.
5. Sugimoto N, Kierzek R, Turner DH (1987) Sequenzabhängigkeit für die Energetik baumelnder Enden und terminaler Basenpaare in Ribonukleinsäure. Biochemie 26: 4554-4558.
6. Gilbert W (1986) Ursprung des Lebens: Die RNA-Welt. Natur 319: 618-618.
7. Zuckerkandl E, Pauling L (1965) Moleküle als Dokumente der Evolutionsgeschichte. J Theor Biol 8: 357-366.
8. Benner SA, Ellington AD, Tauer A (1989) Moderner Metabolismus als Palimpsest der RNA-Welt. Proc Natl Acad Sci U S A 86: 7054-7058.
9. Westheimer FH (1987) Warum die Natur Phosphate wählte. Wissenschaft 235: 1173-1178.
10. Woese CR (2001) Übersetzung: Rückblick und Ausblick. OFFENBARUNG 7: 1055-1067.
11. Hsiao C, Williams LD (2009) Ein wiederkehrendes Magnesium-bindendes Motiv bietet einen Rahmen für das ribosomale Peptidyltransferase-Zentrum. Nukleinsäuren Res 37: 3134-3142.
12. Cech TR (2009) Aus der RNA-Welt kriechen. Zelle 136: 599-602.
13. Fox GE (2010) Ursprung und Evolution des Ribosoms. Kalter Frühling Harb Perspect Biol 2: a003483.Hud NV, Lynn DG (2004) Von den Ursprüngen des Lebens zu einer synthetischen Biologie. In: Curr Opin Chem Biol 8: 627-628.
14. Woese CR (2000) Interpretation des universellen phylogenetischen Baums. Proc Natl Acad Sci USA 97: 8392-8396.
15. Hsiao C, Mohan S, Kalahar BK, Williams LD (2009) Schälen der Zwiebel: Ribosomen sind alte molekulare Fossilien. Mol Biol Evol 26: 2415-2425.
16. Bokov K, Steinberg SV (2009) Ein hierarchisches Modell für die Evolution von 23S ribosomaler RNA. Natur 457: 977-980.
17. Noller HF (2010) Evolution der Proteinsynthese aus einer RNA-Welt. Kalter Frühling Harb Perspect Biol 7: 7.
18. Rich A (1971) Die mögliche Beteiligung von Estern sowie Amiden an präbiotischen Polymeren. In: Buvet R, Ponnamperuma C, Herausgeber. Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens. Amsterdam: Nordholländischer Verlag.Walker SI, Grover MA, Hud NV (2012) Universelle Sequenzreplikation, reversible Polymerisation und frühe funktionelle Biopolymere: Ein Modell zur Initiierung der präbiotischen Sequenzevolution. Plus Eins 7.
19. Sievers A, Beringer M, Rodnina MV, Wolfenden R (2004) Das Ribosom als Entropiefalle. Proc Natl Acad Sci USA 101: 7897-7901. Epub 2004 kann 7812.
20. Carrasco N, Hiller DA, Strobel SA (2011) Minimale Übergangszustandsladungsstabilisierung des Oxyanions während der Peptidbindungsbildung durch das Ribosom. Biochemie 50: 10491-10498.
21. Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rich A (1970) Ribosomenkatalysierte Esterbildung. Biochemie 9: 2477-2483.
22. Fahnestock S, Rich A (1971) Ribosomenkatalysierte Polyesterbildung. Wissenschaft 173: 340-343.
23. Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, Krayevsky AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) Synthese von Thioamidbindung katalysiert durch e. Coli-Ribosomen. FEBS Lett 68: 215-218.
24. Tan ZP, Forster AC, Blacklow SC, Cornish VW (2004) Aminosäure-Backbone-Spezifität der Escherichia coli-Translationsmaschinerie. J Am Chem Soc 126: 12752-12753.Hartman MC, Josephson K, Lin CW, Szostak JW (2007) Ein erweiterter Satz von Aminosäureanaloga für die ribosomale Translation unnatürlicher Peptide. Plus EINS 2: e972.
25. Kang TJ, Suga H (2008) Ribosomale Synthese von nichtstandardisierten Peptiden. Biochem Zelle Biol 86: 92-99.
26. Ohta A, Murakami H, Suga H (2008) Polymerisation von Alpha-Hydroxysäuren durch Ribosomen. ChemBioChem 9: 2773-2778.
27. Subtelny AO, Hartman MC, Szostak JW (2008) Ribosomale Synthese von n-Methylpeptiden. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 April 6111.
28. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, Noller HF (1999) Röntgenkristallstrukturen von funktionellen Ribosomenkomplexen der 70ER Jahre. Wissenschaft 285: 2095-2104.Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (2000) Die vollständige atomare Struktur der großen ribosomalen Untereinheit bei 2,4 Å Auflösung. Wissenschaft 289: 905-920.
29. Harms J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan A, Gat S, Agmon I, Bartels H, Franceschi F, Yonath A (2001) Hochauflösende Struktur der großen ribosomalen Untereinheit aus einem mesophilen Eubakterium. Zelle 107: 679-688.Selmer M, Dunham CM, Murphy FV, Weixlbaumer A, Petry S, Kelley AC, Weir JR, Ramakrishnan V (2006) Struktur des Ribosoms der 70er Jahre komplexiert mit mRNA und tRNA. Wissenschaft 313: 1935-1942.
30. Ben-Shem A, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) Kristallstruktur des eukaryotischen Ribosoms. Wissenschaft 330: 1203-1209.
31. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag A, Ban N (2011) Kristallstruktur der eukaryotischen 40s-ribosomalen Untereinheit im Komplex mit Initiationsfaktor 1. Wissenschaft 331: 730-736.
32. Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom A, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, Noller HF (2001) Kristallstruktur des Ribosoms bei 5,5 Å Auflösung. Wissenschaft 292: 883-896.Schuwirth BS, Borovinskaya MA, Hau CW, Zhang W, Vila-Sanjurjo A, Holton JM, Cate JH (2005) Strukturen des bakteriellen Ribosoms bei 3,5 Å Auflösung. Wissenschaft 310: 827-834.
33. Ogle JM, Brodersen DE, Clemons WM, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) Erkennung verwandter Transfer-RNA durch die 30S-ribosomale Untereinheit. Wissenschaft 292: 897-902.
34. Noller HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) Ungewöhnliche Resistenz von Peptidyltransferase gegenüber Proteinextraktionsverfahren. Wissenschaft 256: 1416-1419.
35. Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB, Steitz TA (2000) Die strukturellen Grundlagen der Ribosomenaktivität bei der Synthese von Peptidbindungen. Wissenschaft 289: 920-930.