két biopolimerek jöttek, hogy uralja az enzimatikus és kódoló gép a mai élet: polipeptidek és polinukleotidok. Ezek a molekulák kiválóan jól adaptált önszerelési jellemzőkkel rendelkeznek, bár ortogonális önszerelési stratégiákat alkalmaznak. A mai életben a riboszóma lehetővé teszi az információáramlást e két eltérő, mégis Korrelált biopolimer között. Ez az áttekintés a két biopolimer közötti kapcsolatot tárgyalja, a riboszóma korai evolúciójára összpontosítva.Charles Darwin híres megjegyzése szerint “… ilyen egyszerű kezdettől fogva a legszebb és legcsodálatosabb végtelen formák alakultak ki és alakulnak ki”. Ma már tudjuk, hogy a föld biodiverzitása csökken és csökken. A formák fejlődnek és a formák kialszanak, de nem egyensúlyi állapotban. A kambriumi robbanás körülbelül 540 millió évvel ezelőtt a sokféleség viszonylag gyors növekedését jelentette. A kataklizmák, különösen a perm–triász (251 Mya) és a kréta–Paleogén (65 Mya) kihalások csökkentették a sokféleséget.

Az élet egyszerű. Ha megnézzük a molekulákat, Darwin sokféleségének szélessége illuzórikusnak tűnik. A formák nem végtelenek, és lényegében állandóak maradtak az evolúció elmúlt néhány milliárd évében. A korai biológia szűkítette a molekulák sokféleségét, ahelyett, hogy fokozta volna. A Föld összes biológiai rendszerébe integrált kémiai komplexitás alacsonyabb, mint egy kicsi, zárt abiotikus rendszer sokfélesége, például egy kondritikus meteorit vagy Stanley Miller egyik szikrakisülési kísérlete . A biopolimerek szintjén a sokféleség még inkább elszáradt. Csak két polimer gerinc, a polinukleotid (DNS/RNS) és a polipeptid (fehérje) uralja az életet, és univerzálisak számára. A polinukleotidok és polipeptidek páratlan önszerelési tulajdonságai kiszorították a Versengő polimereket a bioszférából.

miért két polimer gerinc? Miért nem egy, vagy három? Melyek a biopolimerek megkülönböztető jellemzői? Ez a kettő egy yin és egy yang biomolekuláris struktúrát alkot (1.ábra). A polinukleotidok által használt összeszerelési séma a polipeptidek által használt séma közvetlen fordítottja. A polinukleotidok polipeptidek a látszó üvegen keresztül, és fordítva.

a polinukleotidok az oldalláncok közötti hidrogénkötési kölcsönhatások révén állnak össze (azaz a bázisok között, 2. ábra). A gerinc önvisszataszító, az oldallánc magján kívül helyezkedik el, vizes környezetnek van kitéve (3.ábra). A bázisok közötti Watson-Crick párosításban a citozin hidrogénkötési donorainak/akceptorainak térbeli elrendezése kiegészíti a guaninét. Az adenin kiegészíti a timint/uracilt. A nukleotidbázisok planaritása szintén kritikus az összeszerelésük szempontjából. Az alap-alap egymásra rakása (3. ábra) legalább olyan fontos a stabilitás szempontjából, mint az alappárosítás . Az RNS összetettebb, mint a DNS, sok nem kanonikus bázispárral.

a polipeptidek a gerinc atomjai közötti hidrogénkötési kölcsönhatások révén állnak össze (4.ábra). A polipeptid gerinc önkomplementáló és összetartó, megfelelően elhelyezett hidrogénkötő donorokkal és akceptorokkal. A polipeptid önkomplementaritása mindkét esetben érvényes! – hélixek vagy! – lapok, amelyek a hajtogatott fehérjék domináns összeszerelő elemei. Mind a hélixek, mind a hélixlapok esetében minden hidrogénkötő donor és akceptor elégedett, és az oldalláncok kifelé, a gerincmagtól távol vannak. Ezért a polipeptid gerinc tartalmaz egy inherens kapcsolót: a hélixek és a lapok interconvertálhatnak.

megkérdezhetjük, hogy az általunk ismert biológiának pontosan két ellentétes típusú domináns biopolimerre van-e szüksége, egy yin és egy Yang önszerveződésre (1.ábra). Azt mondanám, igen. A funkcionális polipeptid és az információs polinukleotid az együttfejlődés extravagáns táncában hozta létre egymást. Véleményem szerint nem volt RNS-világ, amint azt hagyományosan leírták. Ezek a poláris ellentétes polimerek összekapcsolódnak és kölcsönösen függenek egymástól a legmélyebb evolúciós gyökereikben. A biológia két domináns polimerjének megkülönböztető és szükséges funkcióit közvetlenül jelzik az önszerelési sémák. Watson és Crick szerint ” az általunk feltételezett párosítás azonnal a genetikai anyag lehetséges másolási mechanizmusára utal.”A rostos és globuláris fehérjék hajtogatott struktúrái, amelyek elsősorban a (D)-hélixekből és a (D)-lapokból állnak, hasonlóan jelzik működésüket.

transzláció és a riboszóma. A fordításban az információt a polinukleotidról a polipeptidre továbbítják. A fordítás során a biológia Yinje közvetlenül kapcsolódik a Yanghoz. Mivel e két polimer összeszerelési elvei beszélgetnek egymással (oldallánc-oldallánc versus gerinc-gerinc), a transzdukciós folyamathoz bonyolult közvetett sablonozási folyamatra van szükség. A polinukleotidból és polipeptidből álló makromolekuláris transzlációs egységek elvégzik ezt a feladatot, és ezáltal meghatározzák az életet és megkülönböztetik az életet a nem élettől.

a riboszóma egy kis alegységből (SSU) áll, amely dekódolja az üzenetet és egy nagy alegységből (LSU), amely katalizálja a peptidil transzfert. A riboszóma és a transzláció az egyik legközvetlenebb kapcsolatunk a mély evolúciós múlttal és az élet eredetével. Ez a makromolekulák és ionok összessége a legjobban megőrződött az élet ősi molekuláris gépei közül, és ősi, fagyasztott polimer gerincekből, szekvenciákból és összeállításokból áll.

a riboszomális evolúció Coopciós modellje. A riboszomális evolúció legszélesebb körben elfogadott modellje a” coopciós modell”. Ebben a modellben (a) az SSU és az LSU ősei egymástól függetlenül, autonóm funkciókkal jöttek létre és fejlődtek ki, (b) az LSU egyik őse, aki nem volt képes az SSU-val való összeszerelésre, tartalmazta a PTC-t (peptidil-transzferáz központ), és katalizálta a peptidek, észterek, tioészterek és potenciálisan más polimerek heterogén oligomerjeinek kódolatlan termelését, (d) az SSU egyik őse olyan funkcióval rendelkezett, amely kísérletezőbb volt, de részt vehetett az RNS polimerizációban, (d) az SSU néhány nem kódolt oligomer terméke a születő LSU-hoz kötött PTC, előnyt biztosítva, (e) ősi Az LSU és az SSU funkciók összekapcsolódnak egy koopciós folyamatban, lehetővé téve a kódolt fehérjeszintézist, és (f) az ősi LSU-hoz kapcsolódó szintetizált polimerek nem kódolt oligomerjei megkövesedtek a riboszomális fehérjék farkába, amelyek mélyen behatolnak a meglévő LSU-ba. A coopciós modellben és a riboszomális evolúció más modelljeiben az evolúció során bekövetkező változások azokra korlátozódnak, amelyek fenntartják a PTC-t és dekódolják a struktúrát és a funkciót. Az LSU katalitikus magja és az SSU dekódoló központja olyan fagyasztott szerelvények, amelyek megelőzik az LSU és az SSU közötti kooperatív kapcsolatot.

egy ősi ” enzim.”A fordítógép katalizálja a kondenzációt, amely a biológia egyik legrégebbi és legtartósabb kémiai átalakulása . Két aminosav összekapcsolódik, peptidkötést képezve és egy vízmolekulát felszabadítva, egy ősi kémiai átalakulásban, amely megelőzi a biológiát. Ha a transzlációs komponenseket, mint például az aminoacil-tRNS szintetázokat és a kis riboszomális alegységet leválasztjuk vagy felülírjuk, akkor a riboszóma katalitikus magja, a PTC egy ősi enzim összes jellemzőjét mutatja. Itt az “enzim” szó biológiai katalizátort jelöl, és nem jelenti azt, hogy fehérjéből készült. A meglévő PTC megtartja a nem specifikus kondenzáció képességét. Ez egy nyers entrópiacsapda, amely a modern enzimekkel ellentétben nem képes kifejezetten stabilizálni az átmeneti állapotot . A PTC megtartotta azt a képességét, hogy sokféle kondenzációs terméket képezzen, beleértve a peptideket, észtereket, tioésztereket stb. . Az ősi PTC “kolbászkészítő” volt, amely rövid heterogén oligomerek kódolatlan keverékét állította elő kondenzációval.

ellenáll a változásnak. Az élet biokémiai lényegénél fogva a legrugalmasabb és legerősebb kémiai rendszer az ismert univerzumban. A kis molekulájú metabolitok, a polimer gerincek, a kémiai átalakulások és a komplex biokémiai rendszerek, amelyeket a mai biológiai világban megfigyelünk, visszavezethetők a korai biotikus, sőt prebiotikus kémiai rendszerekhez . Az élet számos molekulája és folyamata mélyen megfagyott, és hosszú időn keresztül változatlan maradt. Kémiai szinten a körülöttünk lévő biológiai világ “élő kövületeket” tartalmaz, amelyek könnyen több mint 3 milliárd évesek. Fogalmilag ezeket molekuláris kövületekre (aminosavakra, polipeptidekre, bázispárokra, nukleozidokra, foszfátokra, polinukleotidokra, vas-kén központokra és néhány polimer szekvenciára) osztjuk fel, és feldolgozzuk a kövületeket (kondenzáció, hidrolízis, foszforiláció, transzláció és glükoneogenezis).

a létező élet lehetővé teszi számunkra, hogy az ősi élet molekuláira, útvonalaira, struktúráira és összeállításaira következtethessünk. Az élet megőrzi saját történelmét, és megtaníthatja nekünk ezt a történelmet. Az élet molekuláris és folyamatfosszíliáinak bányászata az egyik legjobb megközelítésünk az ősi biológia és az élet eredetének megértéséhez.

molekuláris időgép. A riboszómával kapcsolatos fontos információkat nagy felbontású, háromdimenziós struktúrák tárták fel az evolúciós fa különböző régióiból . Molekuláris időgépet hoztunk létre úgy, hogy az LSU-t számítási szempontból hagymává faragtuk (5 .ábra), a PTC-vel a magban. Közelítjük a riboszomális evolúció folyamatát, mint a hagyma héjának felhalmozódását. Az ember időben előre vagy hátra járhat, ha héjról héjra mozog a hagymában. A riboszómális hagyma legrégebbi része a központ (a PTC).

a riboszomális hagyma részletes és önkonzisztens történetet nyújt az ősi biológiai átmenetekről. A riboszomális fehérjék sűrűsége a hagyma közepén alacsony, a külső héjában pedig magas (6a ábra). Így a riboszóma nyilvántartást tartalmaz a kódolt fehérje biológiába történő bevezetéséről és beépítéséről, valamint a DNS/RNS/fehérje világ fejlődéséről. A riboszomális fehérje szegmensek a hagyma közepe közelében szokatlan ‘nem kanonikus’ konformációkban vannak, de a hagyma külső héjában hagyományos gömb alakú formákká vannak hajtva, amelyek közül az egyik a (6b.ábra). A riboszóma rögzítette a fehérje hajtogatásának történetét.

a riboszóma, mint hagyma, egy olyan eszköz, amely hatalmas mennyiségű részletes információt gyűjt és értelmez az ősi biokémiáról. Itt érintettük a polipeptidek biológiába történő bevezetését és a hajtogatott fehérjék fejlődését. A riboszóma változatos információk gazdag tárháza azok számára, akik érdeklődnek az ősi evolúciós folyamatok és az élet eredete iránt.

összefoglaló. A biokémiát általában elszigetelt tényekként, struktúrákként és reakciókként tanítják, amelyek magyarázó kontextusukból származnak. A biológia legmélyebb és legszélesebb kérdéseinek ésszerű megértése integrált megközelítést igényel. A fehérje szerkezetét csak a DNS / RNS szerkezet összefüggésében lehet megérteni, és fordítva. A polipeptid és a polinukleotid együttállásának fordított viszonya csak összehasonlításból egyértelmű, és közvetlenül tájékoztat a forma, a funkció és az evolúció megértéséről. A biokémia integrációjának jelenlegi rossz állapotát a modern tankönyvek szemléltetik, amelyek általában továbbra is terjesztik Lehninger első biokémiai tankönyvének (1975) szervezeti sémáját. A fehérjeszerkezetet úgy tanítják, hogy az nem releváns a nukleinsavszerkezethez képest, és teljesen le van választva a nukleinsav szerkezetétől.

hivatkozások.

1. Darwin C (1859) a fajok eredete. Az egyértelműség érdekében vesszőt illesztettek be ebbe a kifejezésbe.
2. Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, 2., Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP (2011) a széntartalmú meteoritok földönkívüli nukleobázisok széles skáláját tartalmazzák. 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) a földön kívüli szerves anyagok nagy molekuláris sokfélesége a murchison meteoritban 40 évvel a bukása után kiderült. Proc Natl Acad Sci U S A 107: 2763-2768.
4. Johnson AP, hasítja HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano a, Bada JL (2008) A miller vulkáni szikra kisülési kísérlet. Tudomány 322: 404.
5. Bean HD, Lynn DG, Hud NV (2009) önszerelés és az első RNS-szerű polimerek eredete. Kémiai evolúció II: Az élet eredetétől a Modern társadalomig 1025: 109-132.
6. Watson JD, Crick FH (1953) a nukleinsavak molekuláris szerkezete: a dezoxiribóz nukleinsav szerkezete. Természet 171: 737-738.
7. Yakovchuk P, Protozanova e, Frank-Kamenetskii MD (2006) bázis-egymásra és bázis-párosítás hozzájárulások hőstabilitását a DNS kettős spirál. Nukleinsavak Res 34: 564-574.
8. Sugimoto N, Kierzek R, Turner DH (1987) szekvencia-függőség a ribonukleinsavban lógó végek és terminális bázispárok energetikájához. Biokémia 26: 4554-4558.
9. Gilbert W (1986) az élet eredete: az RNS világ. Természet 319: 618-618.
10. Zuckerkandl e, Pauling L (1965) molekulák mint az evolúciótörténet dokumentumai. J Theor Biol 8: 357-366.
11. Benner SA, Ellington AD, Tauer a (1989) a Modern anyagcsere, mint az RNS világ palimpszesztje. Proc Natl Acad Sci U S A 86: 7054-7058.
12. Westheimer FH (1987) miért választotta a természet a foszfátokat. Tudomány 235: 1173-1178.
13. Woese CR (2001) fordítás: visszatekintve és kilátás. RNS 7: 1055-1067.
14. Hsiao C, Williams LD (2009) egy visszatérő magnéziumkötő motívum keretet biztosít a riboszomális peptidil-transzferáz központ számára. Nukleinsavak Res 37: 3134-3142.
15. Cech TR (2009) mászik ki az RNS világából. Cell 136: 599-602.
16. Fox GE (2010) a riboszóma eredete és fejlődése. Hideg tavaszi Harb Perspect Biol 2: a003483.
17. Hud NV, Lynn DG (2004) Az élet eredetétől a szintetikus biológiáig. Curr Opin Chem Biol 8: 627-628.
18. Woese CR (2000) Az egyetemes filogenetikai fa értelmezése. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.
19. Hsiao C, Mohan S, Kalahar BK, Williams LD (2009) a hagyma hámozása: a riboszómák ősi molekuláris kövületek. 26: 2415-2425.
20. Bokov K, Steinberg SV (2009) hierarchikus modell a 23S riboszomális RNS evolúciójához. Természet 457: 977-980.
21. Noller HF (2010) a fehérjeszintézis fejlődése egy RNS világból. Hideg Tavaszi Harb Perspect Biol 7: 7.
22. Rich A (1971) az észterek, valamint az amidok lehetséges részvétele a prebiotikus polimerekben. – Ban: Buvet R, Ponnamperuma C, szerkesztők. Kémiai evolúció é az élet eredete. Amszterdam: Észak-Holland Kiadó.
23. Walker SI, Grover MA, Hud NV (2012) univerzális szekvencia replikáció, reverzibilis polimerizáció és korai funkcionális biopolimerek: modell a prebiotikus szekvencia evolúció megindításához. PLoS One 7.
24. Sievers a, Beringer M, Rodnina MV, Wolfenden R (2004) a riboszóma mint entrópia csapda. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 7897-7901. Epub 2004 Május 7812.
25. Carrasco N, Hiller DA, Strobel SA (2011) Az oxianion minimális átmeneti állapotú töltésstabilizálása a riboszóma peptidkötésének kialakulása során. Biokémia 50: 10491-10498.
26. Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rich a (1970) riboszóma-katalizált észterképződés. Biokémia 9: 2477-2483.
27. Fahnestock s, Rich A (1971) riboszómával katalizált poliészter képződés. Tudomány 173: 340-343.
28. Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, KRAYEVSKY AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) az E. Coli riboszómák által katalizált tioamid kötés szintézise. FEBS Lett 68: 215-218.
29. Tan ZP, Forster AC, Blacklow SC, Cornish VW (2004) az Escherichia coli transzlációs gép aminosav gerinc specifitása. J Am Chem Soc 126: 12752-12753.
30. Hartman MC, Josephson K, Lin CW, Szostak JW (2007) kibővített aminosav-analógok a természetellenes peptidek riboszomális transzlációjához. PLoS egy 2: e972.
31. Kang TJ, Suga H (2008) nem szabványos peptidek riboszomális szintézise. Biochem Sejt Biol 86: 92-99.
32. Ohta a, Murakami H, Suga H (2008) alfa-hidroxi-savak polimerizációja riboszómákkal. ChemBioChem 9: 2773-2778.
33. Subtelny Ao, Hartman MC, Szostak JW (2008) N-metil-peptidek riboszomális szintézise. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 Ápr 6111.
34. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, Noller HF (1999) A 70-es évek riboszóma funkcionális komplexeinek röntgen kristályszerkezetei. Tudomány 285: 2095-2104.
35. Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (2000)a nagy riboszomális alegység teljes atomi szerkezete 2,4-es felbontásban. Tudomány 289: 905-920.
36. Harms J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan A, Gat S, Agmon I, Bartels H, Franceschi F, Yonath a (2001) a mezofil eubacterium nagy riboszomális alegységének nagy felbontású szerkezete. Cell 107: 679-688.
37. Selmer M, Dunham CM, Murphy FV, Weixlbaumer a, Petry S, Kelley AC, Weir JR, Ramakrishnan V (2006) a 70-es évek riboszómájának szerkezete mRNS-sel és tRNS-sel komplexezve. Tudomány 313: 1935-1942.
38. Ben-Shem a, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) az eukarióta riboszóma kristályszerkezete. Tudomány 330: 1203-1209.
39. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag A, Ban N (2011) Az eukarióta 40s riboszomális alegység kristályszerkezete komplexben 1.iniciációs faktorral. Tudomány 331: 730-736.
40. Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom A, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, Noller HF (2001) a riboszóma kristályszerkezete 5,5 KB-os felbontásban. Tudomány 292: 883-896.
41. Schuwirth BS, Borovinskaya MA, Hau CW, Zhang W, Vila-Sanjurjo a, Holton JM, Cate JH (2005) a bakteriális riboszóma struktúrái 3,5 db / év felbontásban. Tudomány 310: 827-834.
42. Ogle JM, Brodersen DE, Clemons WM, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) a rokon transzfer RNS felismerése a 30S riboszomális alegység által. Tudomány 292: 897-902.
43. Noller HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) a peptidil-transzferáz szokatlan rezisztenciája a fehérje extrakciós eljárásokhoz. Tudomány 256: 1416-1419.
44. Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB, Steitz TA (2000) a riboszóma aktivitás szerkezeti alapja a peptidkötés szintézisében. Tudomány 289: 920-930.