Dos biopolímeros han llegado a dominar la maquinaria enzimática y de codificación de la vida contemporánea: polipéptidos y polinucleótidos. Ambas moléculas exhiben características de autoensamblaje exquisitamente bien adaptadas, aunque empleando estrategias ortogonales de autoensamblaje. En la vida contemporánea, el ribosoma permite el flujo de información entre estos dos biopolímeros divergentes, pero correlacionados. Esta revisión discute la relación entre estos dos biopolímeros, con un enfoque en la evolución temprana del ribosoma.

Charles Darwin observó que «from desde un principio tan simple, las formas infinitas más hermosas y maravillosas han evolucionado y están evolucionando». Ahora sabemos que la biodiversidad en la tierra disminuye. Las formas se están desarrollando y las formas se están extinguiendo, pero no en estado estacionario. La explosión cámbrica, hace unos 540 millones de años, marcó un aumento relativamente rápido de la diversidad. Cataclismos, especialmente las extinciones Pérmico–Triásico (251 Ma) y Cretácico–Paleógeno (65 Ma), disminuyeron la diversidad.

La vida es Simple. Si uno mira las moléculas, la amplitud de la diversidad de Darwin es vista como ilusoria. Las formas no son infinitas, y se han mantenido esencialmente constantes en los últimos miles de millones de años de evolución. La biología temprana redujo la diversidad de moléculas, en lugar de aumentarla. La complejidad química, integrada en todos los sistemas biológicos de la tierra, es menor que la diversidad de incluso un pequeño sistema abiótico confinado, como un meteorito condrítico o uno de los experimentos de descarga de chispas de Stanley Miller . En el nivel de los biopolímeros, la diversidad es aún más marchita. Solo dos vertebras poliméricas, el polinucleótido (ADN/ARN) y el polipéptido (proteína), dominan la vida y son universales para ella. Las incomparables propiedades de autoensamblaje de polinucleótidos y polipéptidos han impulsado polímeros competidores de la biosfera.

¿Por qué dos espinas dorsales de polímero? ¿Por qué no uno o tres? ¿Cuáles son las características distintivas de nuestros biopolímeros? Estos dos forman un Yin y un Yang de estructura biomolecular (Figura 1). El esquema de ensamblaje utilizado por los polinucleótidos es el inverso directo del esquema utilizado por los polipéptidos. Los polinucleótidos son polipéptidos a través del espejo, y viceversa.

Los polinucleótidos se ensamblan mediante interacciones de enlace de hidrógeno entre cadenas laterales (es decir, entre bases, Figura 2). La columna vertebral es auto-repulsiva, y está en el exterior del núcleo de la cadena lateral, expuesta al ambiente acuoso (Figura 3). En el emparejamiento Watson-Crick entre bases, la disposición espacial de los donantes / aceptores de enlaces de hidrógeno de la citosina es complementaria a la de la guanina. La adenina es complementaria a la timina/uracilo. Las planaridades de las bases de nucleótidos también son críticas para su ensamblaje. El apilamiento de base-base (Figura 3) es al menos tan importante para la estabilidad como el emparejamiento de base . El ARN es más complejo que el ADN, con muchos pares de bases «no canónicas».

Los polipéptidos se ensamblan mediante interacciones de enlace de hidrógeno entre átomos de la columna vertebral (Figura 4). La columna vertebral del polipéptido es auto-complementaria y cohesiva, con donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno espaciados apropiadamente. La auto-complementariedad del polipéptido se aplica tanto en hélices α como en hojas β, que son los elementos de ensamblaje dominantes de las proteínas plegadas. Tanto para hélices α como para hojas β, todos los donantes y aceptadores de enlaces de hidrógeno están satisfechos y las cadenas laterales se dirigen hacia afuera, lejos del núcleo troncal. Por lo tanto, la columna vertebral del polipéptido contiene un interruptor inherente: hélices y láminas pueden interconvertirse.

Podemos preguntarnos si la biología tal como la conocemos requiere exactamente dos tipos opuestos de biopolímeros dominantes, un Yin y un Yang de autoensamblaje (Figura 1). Yo diría que sí. El polipéptido funcional y el polinucleótido informativo se dieron el uno al otro en una danza extravagante de coevolución. En mi opinión, no había Mundo de ARN, como se describe convencionalmente. Estos polímeros polares opuestos están interconectados e interdependientes en sus raíces evolutivas más profundas. Las funciones distintivas y necesarias de los dos polímeros dominantes de la biología están indicadas directamente por sus esquemas de autoensamblaje. Como expresaron Watson y Crick, » el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia para el material genético.»Las estructuras plegadas de proteínas fibrosas y globulares, que están compuestas principalmente de hélices α y hojas β, señalan de manera similar sus funciones.

La traducción y el Ribosoma. En la traducción, la información se transduce de polinucleótido a polipéptido. Durante la traducción, el Yin de la biología se conecta directamente con el Yang. Dado que los principios de ensamblaje de estos dos polímeros son opuestos entre sí (cadena lateral-cadena lateral versus columna vertebral-columna vertebral), se requiere un elaborado proceso de creación de plantillas indirectas para el proceso de transducción. Los conjuntos macromoleculares de la traducción, compuestos de polinucleótido y polipéptido, realizan esta tarea, y al hacerlo, definen la vida y distinguen la vida de la no vida.

El ribosoma está compuesto por una subunidad pequeña (SSU) que decodifica el mensaje y una subunidad grande (LSU) que cataliza la transferencia de peptidilo. El ribosoma y la traducción son algunas de nuestras conexiones más directas con el profundo pasado evolutivo y con el origen de la vida. Esta camarilla de macromoléculas e iones es la mejor conservada de las antiguas máquinas moleculares de la vida, y está compuesta de espinas dorsales, secuencias y ensamblajes de polímeros congelados primordiales.

El Modelo de Cooptación de la Evolución Ribosomal. El modelo de evolución ribosómica más aceptado es el» modelo de cooptación». En este modelo, (a) los antepasados de la SSU y la LSU se originaron y evolucionaron de forma independiente entre sí, con funcionalidades autónomas, (b) un ancestro de la LSU, incompetente para el ensamblaje con la SSU, contenía el PTC (Centro de Peptidil Transferasa), y catalizaba la producción no codificada de oligómeros heterogéneos de péptidos, ésteres, tioésteres y potencialmente otros polímeros, © un ancestro de la SSU tenía una función que era más tentativa, pero puede haber involucrado la polimerización de ARN, (d) algunos de los productos oligómeros no codificados de la PTC ligado a la naciente LSU, otorgando ventaja, (e) ancestral Las funciones de LSU y SSU se vinculan, en un proceso de cooptación, permitiendo la síntesis de proteínas codificadas, y (f) los oligómeros no codificados de polímeros sintetizados asociados con la LSU ancestral se fosilizan en las colas de proteínas ribosómicas que penetran profundamente en la LSU existente. En el modelo de cooptación, y en otros modelos de evolución ribosómica, los cambios sobre la evolución están restringidos a aquellos que mantienen la estructura y función de PTC y decodificación. El núcleo catalítico de la LSU, y el centro de decodificación de la SSU, son conjuntos congelados que son anteriores a la relación de cooperación entre la LSU y la SSU.

Una Enzima Antigua.»La maquinaria de traducción cataliza la condensación, una de las transformaciones químicas más antiguas y duraderas de la biología . Se unen dos aminoácidos, formando un enlace peptídico y liberando una molécula de agua, en una antigua transformación química anterior a la biología. Si uno elimina o anula componentes de traducción más modernos, como las aminoacil ARNt sintetasas y la pequeña subunidad ribosómica, se ve que el núcleo catalítico del ribosoma, el PTC, muestra todas las características de una enzima antigua. Aquí, la palabra «enzima» tiene la intención de denotar un catalizador biológico y no implica que esté hecho de proteína. El PTC existente conserva una capacidad de condensación no específica. Es una trampa de entropía cruda que, a diferencia de las enzimas modernas, es incapaz de estabilizar específicamente un estado de transición . El PTC ha conservado la capacidad de formar una amplia variedad de productos de condensación, incluidos péptidos, ésteres, tioésteres, etc. . El ancestral PTC era un» fabricante de salchichas», que producía una mezcla no codificada de oligómeros heterogéneos cortos por condensación.

Resistencia al cambio. La vida, en su esencia bioquímica, es el sistema químico más resistente y robusto del universo conocido. Los metabolitos de moléculas pequeñas, las espinas dorsales de polímeros, las transformaciones químicas y los sistemas bioquímicos complejos que observamos en el mundo biológico de hoy se pueden rastrear a los primeros sistemas químicos bióticos e incluso prebióticos . Muchas de las moléculas y procesos de la vida están profundamente congelados, y han permanecido invariables a lo largo de vastas escalas de tiempo. A nivel químico, el mundo biológico que nos rodea contiene «fósiles vivos» que tienen fácilmente más de 3 mil millones de años de antigüedad. Dividimos conceptualmente estos en fósiles moleculares (aminoácidos, polipéptidos, pares de bases, nucleósidos, fosfatos, polinucleótidos, centros de hierro y azufre y algunas secuencias de polímeros) y procesamos fósiles (condensación, hidrólisis, fosforilación, traducción y gluconeogénesis).

La vida existente nos permite inferir moléculas, vías, estructuras y conjuntos de vida antigua. La vida mantiene su propia historia y puede enseñarnos esa historia. La extracción de fósiles moleculares y de proceso de la vida es uno de nuestros mejores enfoques para comprender la biología antigua y el origen de la vida.

Una Máquina del Tiempo Molecular. Información importante sobre el ribosoma ha sido revelada por estructuras tridimensionales de alta resolución de regiones dispares del árbol evolutivo . Creamos una máquina del tiempo molecular tallando computacionalmente la LSU en una cebolla (Figura 5), con el PTC en el núcleo . Aproximamos el proceso de evolución ribosómica como acreción de cáscaras de cebolla. Uno puede caminar hacia atrás o hacia adelante en el tiempo, moviéndose de cáscara en cáscara en la cebolla. La parte más antigua de la cebolla ribosómica es el centro (el PTC).

La cebolla ribosomal proporciona una historia detallada y coherente de transiciones biológicas antiguas. La densidad de proteínas ribosómicas es baja en el centro de la cebolla y alta en las cáscaras externas (Figura 6A). Por lo tanto, el ribosoma contiene un registro de la introducción e incorporación de proteínas codificadas en la biología, y el desarrollo del Mundo ADN/ARN/Proteína. Los segmentos de proteínas ribosómicas cerca del centro de la cebolla están en conformaciones inusuales «no canónicas», pero en las cáscaras externas de la cebolla están dobladas en formas globulares convencionales compuestas de hélices α y hojas β (Figura 6B). El ribosoma registró la historia del plegamiento de proteínas.

El ribosoma como cebolla es un dispositivo para recopilar e interpretar una gran cantidad de información detallada sobre bioquímica antigua. Aquí hemos tocado la introducción de polipéptidos a la biología y el desarrollo de proteínas plegadas. El ribosoma es un rico repositorio de información diversa para aquellos interesados en los procesos evolutivos antiguos y el origen de la vida.

Resumen. La bioquímica se enseña comúnmente como hechos aislados, estructuras y reacciones, sacados de su contexto explicativo. Una comprensión razonable de las cuestiones más profundas y amplias de la biología requiere un enfoque integrado. La estructura de la proteína se puede entender solo en el contexto de la estructura de ADN/ARN, y viceversa. La relación inversa entre el ensamblaje de polipéptidos y polinucleótidos solo es clara por comparación, e informa directamente nuestra comprensión de la forma, la función y la evolución. El pobre estado actual de integración en bioquímica se ilustra en los libros de texto modernos, que generalmente continúan propagando el esquema de organización del primer libro de texto de bioquímica de Lehninger (1975). La estructura de la proteína se enseña como irrelevante y completamente desconectada de la estructura del ácido nucleico.

Referencias.

1. Darwin C (1859) El origen de las especies. Se insertó una coma en esta frase, para mayor claridad.
2. Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, 2nd, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP (2011) Los meteoritos carbonosos contienen una amplia gama de nucleobases extraterrestres. Proc Natl Acad Sci U S A 108: 13995-13998.
3. Schmitt-Kopplin P, Gabelica Z, Gougeon RD, Fekete A, Kanawati B, Harir M, Gebefuegi I, Eckel G, Hertkorn N (2010) La alta diversidad molecular de materia orgánica extraterrestre en el meteorito murchison se reveló 40 años después de su caída. Proc Natl Acad Sci U S A 107: 2763-2768.
4. Johnson AP, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL (2008) The miller volcanic spark discharge experiment. Science 322: 404.
5. Bean HD, Lynn DG, Hud NV (2009) Autoensamblaje y el origen de los primeros polímeros similares al ARN. Chemical Evolution II: From the Origins of Life to Modern Society 1025: 109-132 (en inglés).
6. Watson JD, Crick FH (1953) Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171: 737-738.
7. Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006) Contribuciones de apilado y emparejamiento de bases a la estabilidad térmica de la doble hélice de ADN. Nucleic Acids Res 34: 564-574.
8. Sugimoto N, Kierzek R, Turner DH (1987) Dependencia de secuencias para la energética de extremos colgantes y pares de bases terminales en ácido ribonucleico. Biochemistry 26: 4554-4558.
9. Gilbert W (1986) Origen de la vida: El mundo del ARN. Nature 319: 618-618.
10. Zuckerkandl E, Pauling L (1965) Moléculas como documentos de la historia evolutiva. J Theor Biol 8: 357-366.
11. Benner SA, Ellington AD, Tauer A (1989) Metabolismo moderno como palimpsesto del mundo del ARN. Proc Natl Acad Sci U S A 86: 7054-7058.
12. Westheimer FH (1987) Por qué la naturaleza eligió los fosfatos. Science 235: 1173-1178.
13. Woese CR (2001) Traducción: En retrospectiva y perspectiva. ARN 7: 1055-1067.
14. Hsiao C, Williams LD (2009) Un motivo de unión de magnesio recurrente proporciona un marco para el centro de peptidil transferasa ribosomal. Nucleic Acids Res 37: 3134-3142.
15. Cech TR (2009) Crawling out of the RNA world. Celda 136: 599-602.
16. Fox GE (2010) Origen y evolución del ribosoma. Cold Spring Harb Perspect Biol 2: a003483.
17. Hud NV, Lynn DG (2004) From life’s origins to a synthetic biology. Curr Opin Chem Biol 8: 627-628.
18. Woese CR (2000) Interpreting the universal phylogenetic tree. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.
19. Hsiao C, Mohan S, Kalahar BK, Williams LD (2009) Peeling the onion: Ribosomes are ancient molecular fossils. Mol Biol Evol 26: 2415-2425.
20. Bokov K, Steinberg SV (2009) A hierarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA. Nature 457: 977-980.
21. Noller HF (2010) Evolución de la síntesis de proteínas a partir de un mundo de ARN. Cold Spring Harb Perspect Biol 7: 7.
22. Rich A (1971) La posible participación de ésteres y amidas en polímeros prebióticos. En: Buvet R, Ponnamperuma C, editores. Evolución química y el origen de la vida. Amsterdam: North-Holland Publishing Company.
23. Walker SI, Grover MA, Hud NV (2012) Replicación de secuencias universales, polimerización reversible y biopolímeros funcionales tempranos: Un modelo para el inicio de la evolución de secuencias prebióticas. PLoS Uno 7.
24. Sievers A, Beringer M, Rodnina MV, Wolfenden R (2004) The ribosome as an entropy trap. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 7897-7901. Epub 2004 May 7812.
25. Carrasco N, Hiller DA, Strobel SA (2011) Estabilización de carga de estado de transición mínima del oxianión durante la formación de enlaces peptídicos por el ribosoma. Biochemistry 50: 10491-10498.
26. Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rich A (1970) Ribosome-catalyzed ester formation. Biochemistry 9: 2477-2483.
27. Fahnestock S, Rich A (1971) Formación de poliéster catalizado por ribosomas. Science 173: 340-343.
28. Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, Krayevsky AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) Síntesis de enlaces de tioamida catalizados por ribosomas de E. Coli. FEBS Lett 68: 215-218.
29. Tan ZP, Forster AC, Blacklow SC, Cornish VW (2004) Especificidad de la columna vertebral de aminoácidos de la maquinaria de traducción de Escherichia coli. J Am Chem Soc 126: 12752-12753.
30. Hartman MC, Josephson K, Lin CW, Szostak JW (2007) Un conjunto expandido de análogos de aminoácidos para la traducción ribosómica de péptidos no naturales. PLoS ONE 2: e972.
31. Kang TJ, Suga H (2008) Síntesis ribosómica de péptidos no estándar. Biochem Cell Biol 86: 92-99.
32. Ohta A, Murakami H, Suga H (2008) Polymerization of alpha-hydroxy acids by ribosomes. ChemBioChem 9: 2773-2778.
33. Subtelny AO, Hartman MC, Szostak JW (2008) Síntesis ribosomal de péptidos n-metilo. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 Apr 6111.
34. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, Noller HF (1999) X-ray crystal structures of 70S ribosome functional complexes. Science 285: 2095-2104.
35. Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (2000) The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 Å resolution. Science 289: 905-920.
36. Harms J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan A, Gat S, Agmon I, Bartels H, Franceschi F, Yonath A (2001) Estructura de alta resolución de la subunidad ribosomal grande de un eubacterio mesófilo. Celda 107: 679-688.
37. Selmer M, Dunham CM, Murphy FV, Weixlbaumer A, Petry S, Kelley AC, Weir JR, Ramakrishnan V (2006) Structure of the 70S ribosome complexed with mRNA and tRNA. Science 313: 1935-1942.
38. Ben-Shem A, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) Estructura cristalina del ribosoma eucariótico. Science 330: 1203-1209.
39. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag A, Ban N (2011) Crystal structure of the eucariotic 40s ribosomal subunit in complex with initiation factor 1. Science 331: 730-736.
40. Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom A, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, Noller HF (2001) Crystal structure of the ribosome at 5.5 Å resolution. Science 292: 883-896.
41. Schuwirth BS, Borovinskaya MA, Hau CW, Zhang W, Vila-Sanjurjo A, Holton JM, Cate JH (2005) Structures of the bacterial ribosome at 3.5 Å resolution. Science 310: 827-834.
42. Ogle JM, Brodersen DE, Clemons WM, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) Recognition of cognate transfer RNA by the 30S ribosomal subunit. Science 292: 897-902.
43. Noller HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) Resistencia inusual de la peptidil transferasa a los procedimientos de extracción de proteínas. Science 256: 1416-1419.
44. Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB, Steitz TA (2000) The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis. Science 289: 920-930.