kaksi biopolymeeriä ovat tulleet hallitsemaan nykyelämän entsymaattisia ja koodaavia koneita: polypeptidit ja polynukleotidit. Näillä molekyyleillä on molemmilla erinomaisen hyvin sopeutuneet itsekokoontumisominaisuudet, vaikkakin ne käyttävät ortogonaalisia itsekokoontumisstrategioita. Nykyelämässä ribosomi mahdollistaa tiedonkulun näiden kahden toisistaan poikkeavan, mutta korreloivan biopolymeerin välillä. Tässä tarkastelussa käsitellään näiden kahden biopolymeerin välistä suhdetta keskittyen ribosomin varhaiseen kehitykseen.

Charles Darwin totesi tunnetusti, että ”…niin yksinkertaisesta alusta lähtien loputtomat muodot, kauneimmat ja ihmeellisimmät, ovat kehittyneet ja ovat kehittymässä”. Tiedämme nyt, että luonnon monimuotoisuus maapallolla vahvistuu ja heikkenee. Muodot kehittyvät ja sammuvat, mutta eivät vakaassa tilassa. Kambrikauden räjähdys noin 540 miljoonaa vuotta sitten merkitsi suhteellisen nopeaa monimuotoisuuden lisääntymistä. Kataklysmit, erityisesti permikauden–triaskauden (251 Mya) ja liitukauden–Paleogeenin (65 Mya) sukupuuttoon, vähensivät monimuotoisuutta.

elämä on yksinkertaista. Jos tarkastellaan molekyylejä, Darwinin monimuotoisuuden laajuutta pidetään kuvitteellisena. Muodot eivät ole loputtomia, ja ne ovat pysyneet olennaisilta osiltaan muuttumattomina evoluution viimeisten muutaman miljardin vuoden aikana. Varhainen biologia kavensi molekyylien monimuotoisuutta sen sijaan, että olisi laajentanut sitä. Kemiallinen monimutkaisuus, joka on integroitu kaikkiin maapallon biologisiin järjestelmiin, on pienempi kuin pienenkin suljetun abioottisen järjestelmän monimuotoisuus, kuten kondriittisen meteoriitin tai Stanley Millerin kipinäpurkauskokeiden monimuotoisuus . Biopolymeerien tasolla monimuotoisuus kuihtuu entisestään. Vain kaksi polymeerin selkäruotoa, polynukleotidi (DNA/RNA) ja polypeptidi (proteiini), hallitsevat elämää ja ovat sille universaaleja. Polynukleotidien ja polypeptidien vertaansa vailla olevat itsesäätymisominaisuudet ovat ajaneet kilpailevat polymeerit pois biosfääristä.

miksi kaksi polymeerin selkäruotoa? Miksei yhtä tai kolmea? Mitkä ovat biopolymeeriemme tunnusmerkit? Nämä kaksi muodostavat biomolekyylisen rakenteen yinin ja Yangin (Kuva 1). Polynukleotidien käyttämä assembly-skeema on polypeptidien käyttämän skeeman suora vastakohta. Polynukleotidit ovat peililasin läpi kulkevia polypeptidejä ja päinvastoin.

Polynukleotidit kootaan sidekaiinien (eli emästen välisten vuorovaikutusten) vetysidoksella. Selkäranka on itsestään hylkivä, ja se on sidechain-ytimen ulkopuolella, alttiina vesiympäristölle (kuva 3). Watson-Crick-pariliitoksessa emästen välillä sytosiinin vetysidoksen luovuttajien/hyväksyjien tilajärjestely on täydentävä guaniinin kanssa. Adeniini täydentää tymiiniä / urasiilia. Nukleotidiemästen tasaisuus on myös kriittinen niiden muodostumiselle. Base-base pinoaminen (kuva 3) on vähintään yhtä tärkeää stabiilisuuden kannalta kuin base-paritus . RNA on DNA: ta monimutkaisempi, sillä siinä on monia ”ei – kanonisia” emäspareja.

polypeptidit kokoontuvat vetysidoksella selkärangan atomien välisiin vuorovaikutuksiin (Kuva 4). Polypeptidin selkäranka on itseään täydentävä ja yhtenäinen, ja siinä on sopivasti toisistaan erillään olevat vetysidosten luovuttajat ja vastaanottajat. Polypeptidin itsekomplementaarisuus pätee sekä α-kierteisiin että β-arkkiin, jotka ovat taitettujen proteiinien hallitsevia kokoonpanoelementtejä. Sekä α-että β-levyjen osalta kaikki vetysidosten luovuttajat ja hyväksyjät ovat tyytyväisiä, ja sidekaihtimet suunnataan ulospäin, pois runkoytimestä. Siksi polypeptidin selkäranka sisältää luontaisen Kytkimen: kierteet ja levyt voivat muuntua.

voidaan kysyä, vaatiiko biologia sellaisena kuin sen tunnemme, täsmälleen kahta vastakkaista dominoivaa biopolymeerityyppiä, yiniä ja Yangia itsensä kokoamisesta (Kuva 1). Sanoisin kyllä. Funktionaalinen polypeptidi ja informatiivinen polynukleotidi synnyttivät toisensa rinnakkaisevoluution loisteliaassa tanssissa. RNA-maailmaa ei nähdäkseni ollut, kuten tavanomaisesti kuvailtiin. Nämä polaariset vastakkaiset polymeerit ovat toisiinsa yhteydessä ja toisistaan riippuvaisia syvimmissä evolutionaarisissa juurissaan. Biologian kahden hallitsevan polymeerin tunnusomaiset ja välttämättömät toiminnot osoitetaan suoraan niiden itsekokoontumisjärjestelmillä. Kuten Watson ja Crick ilmaisivat, ” erityinen pariutuminen, jonka olemme olettaneet, viittaa välittömästi geneettisen materiaalin mahdolliseen kopiointimekanismiin.”Kuituisten ja pallomaisten proteiinien Taitetut rakenteet, jotka koostuvat pääasiassa α-kierteistä ja β-levyistä, viestivät samalla tavalla niiden toiminnasta.

käännös ja ribosomi. Translaatiossa informaatio transpondoidaan polynukleotidista polypeptidiksi. Käännöksen aikana biologian Yin yhdistyy suoraan Yangiin. Koska näiden kahden polymeerin kokoonpanoperiaatteet ovat toistensa converses (sidechain-sidechain vs. selkäranka-selkäranka), transduktioprosessiin tarvitaan mutkikas epäsuoran temploinnin prosessi. Translaation makromolekyylikokoonpanot, jotka koostuvat sekä polynukleotidista että polypeptidistä, suorittavat tämän tehtävän ja määrittelevät siten elämän ja erottavat elämän ei-elämästä.

ribosomi koostuu pienestä alayksiköstä (SSU), joka purkaa viestin, ja suuresta alayksiköstä (LSU), joka katalysoi peptidyylin siirtoa. Ribosomi ja käännös ovat suorimpia yhteyksiämme syvään evolutionaariseen menneisyyteen ja elämän syntyyn. Tämä makromolekyylien ja ionien muodostama coterie on parhaiten säilynyt elämän muinaisista molekyylikoneista, ja se koostuu alkukantaisista, jäätyneistä polymeerin selkärangoista, sekvensseistä ja kokoonpanoista.

ribosomaalisen evoluution Cooptiomalli. Yleisimmin hyväksytty ribosomaalisen evoluution malli on ”cooption-malli”. Tässä mallissa, (a) esivanhemmat SSU ja LSU alkunsa ja kehittynyt toisistaan riippumatta, joilla on autonomisia toimintoja, (b) esi LSU, epäpätevä kokoonpano SSU, sisälsi PTC (Peptidyylitransferaasikeskus), ja katalysoitu Koodaamaton tuotanto heterogeenisten oligomeerien peptidien, esterit, tioesterit, ja mahdollisesti muut polymeerit , © esi SSU oli tehtävä, joka oli alustavampi, mutta ehkä mukana RNA polymerointi, (d) joitakin koodaamattomia oligomeeri tuotteiden PTC, joka on sidottu orastavaan LSU: hun, josta on etua, E) esi-isien LSU: n ja SSU: n toiminnot liittyvät toisiinsa cooptioprosessissa, mikä mahdollistaa koodatun proteiinisynteesin, ja (f) synteettisten polymeerien koodaamattomat oligomeerit, jotka liittyvät esi-isien LSU: hun fossiloituneina ribosomaalisten proteiinien häntiin, jotka tunkeutuvat syvälle olemassa olevaan LSU: hun. Cooption mallissa ja muissa ribosomaalisen evoluution malleissa evoluution yli tapahtuvat muutokset rajoittuvat niihin, jotka ylläpitävät PTC: tä ja dekoodaavat rakennetta ja toimintaa. LSU: n katalyyttinen ydin ja SSU: n dekoodauskeskus ovat jäätyneitä kokoonpanoja, jotka edeltävät LSU: n ja SSU: n välistä yhteistyösuhdetta.

muinainen ”entsyymi.”Käännöskoneisto katalysoi kondensaatiota, joka on yksi biologian vanhimmista ja kestävimmistä kemiallisista muunnoksista . Kaksi aminohappoa yhdistyy muodostaen peptidisidoksen ja vapauttaen vesimolekyylin, muinaisessa biologiaa edeltäneessä kemiallisessa muunnoksessa. Jos uudenaikaisemmat translaatiokomponentit, kuten aminoasyyli-tRNA-syntetaasit ja pieni ribosomaalinen alayksikkö, poistetaan tai ohitetaan, ribosomin katalyyttisessä ytimessä, PTC: ssä, nähdään olevan kaikki muinaisen entsyymin tunnusmerkit. Tässä sana ”entsyymi” on tarkoitettu tarkoittamaan biologista katalyyttiä eikä tarkoita, että se olisi valmistettu proteiinista. Olemassa oleva PTC säilyttää kyvyn epäspesifiseen kondensaatioon. Se on raaka entropialoukku, joka ei nykyisistä entsyymeistä poiketen kykene erityisesti vakauttamaan siirtymätilaa . PTC on säilyttänyt kyvyn muodostaa monenlaisia kondensaatiotuotteita, kuten peptidejä, estereitä, tioestereitä jne. . Esi-isien PTC oli ”makkarantekijä”, joka tuotti tiivistymällä koodaamattoman sekoituksen lyhyitä heterogeenisiä oligomeerejä.

vastustaa muutosta. Biokemialliselta olemukseltaan elämä on tunnetun maailmankaikkeuden kestävin ja vankin kemiallinen järjestelmä. Pienimolekyyliset aineenvaihduntatuotteet, polymeerin selkäruodot, kemialliset muunnokset ja monimutkaiset biokemialliset järjestelmät, joita havaitsemme nykyään biologisessa maailmassa, ovat jäljitettävissä varhaisiin bioottisiin ja jopa prebioottisiin kemiallisiin järjestelmiin . Monet elämän molekyylit ja prosessit ovat syväjäädytettyjä, ja ne ovat pysyneet muuttumattomina valtavien aikajaksojen ajan. Kemiallisella tasolla meitä ympäröivä biologinen maailma sisältää” eläviä fossiileja”, jotka ovat helposti yli 3 miljardia vuotta vanhoja. Me käsitteellisesti jaottelemme nämä molekyylifossiileiksi (aminohapot, polypeptidit, emäsparit, nukleosidit, fosfaatit, polynukleotidit, rauta-rikkikeskukset ja jotkin polymeerisekvenssit) ja prosessifossiileiksi (tiivistyminen, hydrolyysi, fosforylaatio, translaatio ja glukoneogeneesi).

säilyneen elämän avulla voidaan päätellä muinaisen elämän molekyylejä, reittejä, rakenteita ja kokoonpanoja. Elämä ylläpitää omaa historiaansa ja voi opettaa meille sitä historiaa. Elämän molekyyli-ja prosessifossiilien louhinta on yksi parhaista lähestymistavoistamme muinaisbiologian ja elämän alkuperän ymmärtämiseen.

Molekyyliaikakone. Tärkeää tietoa ribosomista ovat paljastaneet korkearesoluutioiset, kolmiulotteiset rakenteet evoluutiopuun eri alueilta . Loimme molekyyli-aikakoneen veistämällä laskennallisesti LSU: n sipuliksi (kuva 5), jonka ytimessä on PTC . Arvioimme ribosomaalisen evoluutioprosessin sipulin kuorien kertymänä. Ihminen voi kävellä ajassa taaksepäin tai eteenpäin siirtymällä kuoresta kuoreen sipulissa. Ribosomaalisen sipulin vanhin osa on keskus (PTC).

ribosomaalinen sipuli tarjoaa yksityiskohtaisen ja itsestään johdonmukaisen tarinan muinaisista biologisista siirtymistä. Ribosomaalisten proteiinien tiheys on pieni sipulin keskellä ja suuri ulkokuorissa (Kuva 6A). Ribosomissa on siis tallenne koodatun proteiinin kulkeutumisesta ja sisällyttämisestä biologiaan sekä DNA/RNA/Proteiinimaailman kehittymisestä. Ribosomaaliset proteiinisegmentit lähellä sipulin keskustaa ovat epätavallisissa ”ei-kanonisissa” konformaatioissa, mutta sipulin ulkokuorissa ne taitetaan tavanomaisiin pallomaisiin muotoihin, jotka koostuvat α-kierteistä ja β-levyistä (Kuva 6B). Ribosomi tallensi proteiinin taittelun historiaa.

ribosomi sipulina on Laite, jolla kerätään ja tulkitaan valtava määrä yksityiskohtaista tietoa muinaisesta biokemiasta. Tässä olemme käsitelleet polypeptidien tuomista biologiaan ja taitettujen proteiinien kehittämistä. Ribosomissa on runsaasti monipuolista tietoa niille, jotka ovat kiinnostuneita muinaisista evoluutioprosesseista ja elämän alkuperästä.

Yhteenveto. Biokemiaa opetetaan yleisesti irrallisina tosiasioina, rakenteina ja reaktioina, jotka on irrotettu niiden selittävästä asiayhteydestä. Järkevä ymmärrys biologian syvimmistä ja laajimmista kysymyksistä edellyttää kokonaisvaltaista lähestymistapaa. Proteiinin rakenne voidaan ymmärtää vain DNA/RNA-rakenteen yhteydessä ja päinvastoin. Polypeptidin käänteinen suhde polynukleotidikokoonpanoon on selvä vain vertailemalla, ja se kertoo suoraan ymmärryksemme muodosta, toiminnasta ja evoluutiosta. Biokemian integraation nykyinen heikko tila näkyy nykyaikaisissa oppikirjoissa, jotka yleensä jatkavat lehningerin ensimmäisen biokemian oppikirjan (1975) organisointijärjestelmää. Proteiinin rakenne opetetaan epäolennaiseksi nukleiinihapporakenteelle ja täysin irralliseksi siitä.

viitteet.

1. Darwin C (1859) Lajien synty. Lauseeseen lisättiin selkeyden vuoksi pilkku.
2. Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, 2nd, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP (2011) Carbonaceous meteorites contain a wide range of extraterrestrial nucleobases. 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) High molecular diversity of extraterrestrial organic matter in Murchisonin meteoriitti paljasti 40 vuotta putoamisensa jälkeen. 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. Tiede 322: 404.
5. Bean HD, Lynn DG, Hud NV (2009) Self-assembly and the origin of the first RNA-like polymers. Chemical Evolution II: From the Origins of Life to Modern Society 1025: 109-132.
6. Watson JD, Crick FH (1953) Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171: 737-738.
7. Jakovtšuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006) Base-pinoaminen ja base-pariliitokset DNA: n kaksoiskierteen lämpöstabiilisuuteen. Nukleiinihapot Res 34: 564-574.
8. Sugimoto N, Kierzek R, Turner DH (1987) Sequence dependence for the energetics of dangling ends and terminal emäsparien in ribonukleic acid. Biokemia 26: 4554-4558.
9. Gilbert W (1986) Origin of life: The RNA world. Nature 319: 618-618.
10. Zuckerkandl E, Pauling L (1965) Molecules as documents of evolutionary history. J Theor Biol 8: 357-366.
11. Benner SA, Ellington AD, Tauer A (1989) Modern metabolism as a palimpsest of the RNA world. Proc Natl Acad Sci U S A 86: 7054-7058.
12. Westheimer FH (1987) miksi luonto valitsi fosfaatit. Science 235: 1173-1178.
13. Woese CR (2001) käännös: in retrospect and prospect. RNA 7: 1055-1067.
14. Hsiao C, Williams LD (2009) toistuva magnesiumia sitova motiivi tarjoaa puitteet ribosomaaliselle peptidyylitransferaasikeskukselle. Nukleiinihapot Res 37: 3134-3142.
15. Cech TR (2009) ryömii ulos RNA-maailmasta. Cell 136: 599-602.
16. Fox GE (2010) ribosomin alkuperä ja kehitys. 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) tulkitsee universaalia fylogeneettistä puuta. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.
19. Hsiao C, Mohan s, Kalahar BK, Williams LD (2009) Peeling the onion: ribosomit ovat muinaisia molekyylifossiileja. 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) Evolution of protein synthesis from an RNA world. Kylmä Kevät Harb Perspect Biol 7: 7.
22. Rich A (1971) estereiden sekä amidien mahdollinen osallistuminen prebioottisiin polymeereihin. Julkaisussa: Buvet R, Ponnamperuma C, editors. Kemiallinen evoluutio ja elämän alkuperä. Amsterdam: Pohjois-Holland Publishing Company.
23. Walker SI, Grover MA, Hud NV (2012) Universal sequence replikation, reversible polymerization and early functional biopolymers: a model for the initiation of prebiootic sequence evolution. PLoS Yksi 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 Toukokuu 7812.
25. Carrasco N, Hiller DA, Strobel SA (2011) Minimal transition state charge stabilization of the oxyanion during peptidisidos formation by the ribosome. Biokemia 50: 10491-10498.
26. Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rich A (1970) Ribosomikatalysoitu esterimuodostus. Biokemia 9: 2477-2483.
27. Fahnestock S, Rich A (1971) Ribosomikatalysoitu polyesterimuodostus. Science 173: 340-343.
28. Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, Krayevsky AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) E. Coli-ribosomien katalysoiman tioamidisidoksen synteesi. FEBS Lett 68: 215-218.
29. Tan ZP, Forster AC, Blacklow SC, Cornish VW (2004) Amino Acid backbone specificity of the Escherichia coli translation machinery. J Am Chem Soc 126: 12752-12753.
30. Hartman MC, Josephson K, Lin CW, Szostak JW (2007) an expanded set of aminohappo analogs for the ribosomal translation of natural peptides. PLoS yksi 2: e972.
31. Kang TJ, Suga H (2008) Ribosomal synthesis of nonstandard peptides. Biochem Cell Biol 86: 92-99.
32. Ohta A, Murakami H, Suga H (2008) Polymerization of alpha-hydroxy acids by ribosomes. Chembiokhem 9: 2773-2778.
33. Subtelny AO, Hartman MC, Szostak JW (2008) Ribosomal synthesis of n-methyl peptides. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 Huhti 6111.
34. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, Noller HF (1999) X-ray crystal structures of 70S ribosome functional complexes. Tiede 285: 2095-2104.
35. Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (2000) suuren ribosomaalisen alayksikön täydellinen atomirakenne 2,4 Å: n resoluutiolla. Tiede 289: 905-920.
36. Harms J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan a, Gat s, Agmon I, Bartels H, Franceschi F, Yonath A (2001) suuren ribosomaalisen alayksikön korkean resoluution rakenne mesofiilisestä eubacteriumista. Cell 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. Tiede 313: 1935-1942.
38. Ben-Shem A, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) eukaryoottisen ribosomin kiderakenne. Science 330: 1203-1209.
39. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag A, Ban N (2011) eukaryoottisen 40s-ribosomaalisen alayksikön kiderakenne kompleksissa initiaatiokertoimen 1 kanssa. Tiede 331: 730-736.
40. Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom A, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, Noller HF (2001) ribosomien kiderakenne 5,5 Å: n tarkkuudella. Tiede 292: 883-896.
41. Schuwirth BS, Borovinskaja MA, Hau CW, Zhang W, Vila-Sanjurjo A, Holton JM, Cate JH (2005) Structures of the bacterial ribosome at 3,5 Å resoluutiolla. Tiede 310: 827-834.
42. Ogle JM, Brodersen DE, Clemons WM, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) 30s ribosomal alayksikön cognate transfer RNA: n tunnustaminen. Tiede 292: 897-902.
43. Noller HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) Unusual resistance of peptidyl transferase to protein extraction procedures. Science 256: 1416-1419.
44. Nissen P, Hansen J, Ban n, Moore PB, Steitz TA (2000) ribosomiaktiivisuuden rakenteellinen perusta peptidisidossynteesissä. Tiede 289: 920-930.