Due biopolimeri sono venuti a dominare il macchinario enzimatico e codificante della vita contemporanea: polipeptidi e polinucleotidi. Entrambe queste molecole presentano caratteristiche di autoassemblaggio squisitamente ben adattate, anche se impiegano strategie di autoassemblaggio ortogonali. Nella vita contemporanea, il ribosoma consente il flusso di informazioni tra questi due biopolimeri divergenti, ma correlati. Questa recensione discute la relazione tra questi due biopolimeri, con particolare attenzione alla prima evoluzione del ribosoma.

Charles Darwin osservò notoriamente che “from da un inizio così semplice, infinite forme più belle e più meravigliose si sono evolute e si stanno evolvendo”. Ora sappiamo che la biodiversità sulla terra cera e diminuisce. Le forme si stanno evolvendo e le forme si stanno estinguendo, ma non allo stato stazionario. L’esplosione cambriana, circa 540 milioni di anni fa, ha segnato un aumento relativamente rapido della diversità. I cataclismi, in particolare le estinzioni Permiano–Triassico (251 Mya) e Cretaceo–Paleogene (65 Mya), diminuirono la diversità.

La vita è semplice. Se si guardano le molecole, l’ampiezza della diversità di Darwin è vista come illusoria. Le forme non sono infinite e sono rimaste essenzialmente costanti negli ultimi miliardi di anni di evoluzione. La biologia precoce ha ridotto la diversità delle molecole, piuttosto che aumentarla. La complessità chimica, integrata su tutti i sistemi biologici sulla terra, è inferiore alla diversità anche di un piccolo sistema abiotico confinato come un meteorite condritico o uno degli esperimenti di spark discharge di Stanley Miller . A livello di biopolimeri, la diversità è ancora più appassita. Solo due dorsali polimeriche, il polinucleotide (DNA/RNA) e il polipeptide (proteina), dominano la vita e sono universali. Le impareggiabili proprietà di autoassemblaggio di polinucleotidi e polipeptidi hanno spinto i polimeri concorrenti dalla biosfera.

Perché due dorsali in polimero? Perché non uno o tre? Quali sono le caratteristiche distintive dei nostri biopolimeri? Questi due formano uno Yin e uno Yang di struttura biomolecolare (Figura 1). Lo schema di assemblaggio utilizzato dai polinucleotidi è il contrario diretto dello schema utilizzato dai polipeptidi. I polinucleotidi sono polipeptidi attraverso lo specchio e viceversa.

I polinucleotidi si assemblano mediante interazioni di legame idrogeno tra sidechain (cioè tra basi, Figura 2). La spina dorsale è auto-repulsiva e si trova all’esterno del nucleo sidechain, esposto all’ambiente acquoso (Figura 3). Nell’accoppiamento Watson-Crick tra le basi, la disposizione spaziale dei donatori/accettori di legame idrogeno della citosina è complementare a quella della guanina. L’adenina è complementare alla timina / uracile. Anche le planarità delle basi nucleotidiche sono fondamentali per il loro assemblaggio. L’impilamento base-base (Figura 3) è importante per la stabilità almeno quanto l’accoppiamento base . L’RNA è più complesso del DNA, con molte coppie di basi “non canoniche”.

I polipeptidi si assemblano mediante interazioni di legame idrogeno tra atomi della spina dorsale (Figura 4). La spina dorsale polipeptidica è auto-complementare e coesiva, con donatori e accettori di legame idrogeno opportunamente distanziati. L’auto-complementarità del polipeptide si applica in entrambe le α-eliche o β-fogli, che sono gli elementi di assemblaggio dominanti delle proteine piegate. Sia per α-eliche che per β-fogli, tutti i donatori e gli accettori di legame dell’idrogeno sono soddisfatti e le catene laterali sono dirette verso l’esterno, lontano dal nucleo della spina dorsale. Pertanto, la spina dorsale polipeptidica contiene un interruttore intrinseco: eliche e fogli possono interconvertirsi.

Possiamo chiedere se la biologia come la conosciamo richiede esattamente due tipi di biopolimeri dominanti, uno Yin e uno Yang di auto-assemblaggio (Figura 1). Direi di si’. Il polipeptide funzionale e il polinucleotide informativo hanno dato origine l’un l’altro in una stravagante danza di co-evoluzione. Non c’era un Mondo di RNA, come convenzionalmente descritto, a mio avviso. Questi polimeri polari opposti sono interconnessi e interdipendenti nelle loro radici evolutive più profonde. Le funzioni distintive e necessarie dei due polimeri dominanti della biologia sono direttamente indicate dai loro schemi di autoassemblaggio. Come espresso da Watson e Crick , ” l’accoppiamento specifico che abbiamo postulato suggerisce immediatamente un possibile meccanismo di copia per il materiale genetico.”Le strutture piegate di proteine fibrose e globulari, che sono composte principalmente da α-eliche e β-fogli, segnalano allo stesso modo le loro funzioni.

Traduzione e Ribosoma. Nella traduzione, l’informazione viene trasdotta dal polinucleotide al polipeptide. Durante la traduzione, lo Yin della biologia si collega direttamente con lo Yang. Poiché i principi di assemblaggio di questi due polimeri sono conversazioni tra loro (sidechain-sidechain contro backbone-backbone), è necessario un elaborato processo di templating indiretto per il processo di trasduzione. Le assemblee macromolecolari di traduzione, composte sia da polinucleotide che da polipeptide, svolgono questo compito e, in tal modo, definiscono la vita e distinguono la vita dalla non vita.

Il ribosoma è composto da una piccola subunità (SSU) che decodifica il messaggio e una grande subunità (LSU) che catalizza il trasferimento di peptidile. Il ribosoma e la traduzione sono alcuni dei nostri collegamenti più diretti con il profondo passato evolutivo e con l’origine della vita. Questo insieme di macromolecole e ioni è il meglio conservato delle antiche macchine molecolari della vita, ed è composto da dorsali polimeriche primordiali, congelate, sequenze e assemblaggi.

Il modello di Cooption dell’evoluzione ribosomiale. Il modello più ampiamente accettato di evoluzione ribosomiale è il “modello cooption”. In questo modello, (a) gli antenati di SSU e LSU nato e si è evoluto in modo indipendente, con autonoma funzionalità, (b) un antenato degli LSU, incompetente per il montaggio con la SSU, contenute nel PTC (Peptidil Transferasi Centro), e catalizzata non codificata, la produzione di eterogenei oligomeri di peptidi, esteri, tioesteri, e potenzialmente di altri polimeri , © un antenato di SSU avuto una funzione che è stata più esitante, ma che potrebbero aver coinvolto RNA di polimerizzazione, (d) alcuni non codificata, oligomero prodotti del PTC legato alla nascente LSU, che conferisce un vantaggio, (e) ancestrale Funzioni LSU e SSU collegate, in un processo di cooption, consentendo la sintesi proteica codificata e (f) gli oligomeri non codificati dei polimeri sintetizzati associati all’LSU ancestrale fossilizzati nelle code delle proteine ribosomiali che penetrano in profondità all’interno dell’LSU esistente. Nel modello cooption, e in altri modelli di evoluzione ribosomiale, i cambiamenti rispetto all’evoluzione sono limitati a quelli che mantengono la PTC e la struttura e la funzione di decodifica. Il nucleo catalitico dell’LSU e il centro di decodifica dell’SSU sono assemblaggi congelati che precedono la relazione cooperativa tra LSU e SSU.

Un antico “enzima.”Il macchinario di traduzione catalizza la condensazione, una delle trasformazioni chimiche più antiche e durature della biologia . Due amminoacidi sono uniti, formando un legame peptidico e rilasciando una molecola d’acqua, in un’antica trasformazione chimica che precede la biologia. Se si elimina o si sostituiscono componenti traslazionali più moderni come le aminoacil tRNA sintetasi e la piccola subunità ribosomiale, il nucleo catalitico del ribosoma, il PTC, mostra tutti i tratti distintivi di un antico enzima. Qui, la parola “enzima” è destinata a denotare un catalizzatore biologico e non implica che sia stato fatto di proteine. Il PTC esistente mantiene una capacità di condensazione non specifica. È una trappola di entropia grezza che, a differenza degli enzimi moderni, non è in grado di stabilizzare specificamente uno stato di transizione . Il PTC ha mantenuto la capacità di formare un’ampia varietà di prodotti di condensazione tra cui peptidi, esteri, tioesteri, ecc. . Il PTC ancestrale era un “produttore di salsicce”, producendo una miscela non codificata di oligomeri eterogenei brevi per condensazione.

Resistere al cambiamento. La vita, nella sua essenza biochimica, è il sistema chimico più resistente e robusto dell’universo conosciuto. I metaboliti a piccole molecole, le dorsali polimeriche, le trasformazioni chimiche e i complessi sistemi biochimici che osserviamo oggi nel mondo biologico sono riconducibili ai primi sistemi chimici biotici e persino prebiotici . Molte delle molecole e dei processi della vita sono profondamente congelati e sono rimasti invariati su vaste scale temporali. A livello chimico, il mondo biologico che ci circonda contiene “fossili viventi” che hanno facilmente più di 3 miliardi di anni. Concettualmente li suddividiamo in fossili molecolari (amminoacidi, polipeptidi, coppie di basi, nucleosidi, fosfati, polinucleotidi, centri ferro-zolfo e alcune sequenze polimeriche) e processiamo fossili (condensazione, idrolisi, fosforilazione, traduzione e gluconeogenesi).

La vita esistente ci permette di dedurre molecole, percorsi, strutture e assemblaggi della vita antica. La vita mantiene la propria storia e può insegnarci quella storia. Estrarre i fossili molecolari e di processo della vita è uno dei nostri migliori approcci per comprendere la biologia antica e l’origine della vita.

Una macchina del tempo molecolare. Informazioni importanti sul ribosoma sono state rivelate da strutture tridimensionali ad alta risoluzione provenienti da regioni disparate dell’albero evolutivo . Abbiamo creato una macchina del tempo molecolare scolpendo computazionalmente l’LSU in una cipolla (Figura 5), con il PTC al centro . Approssimiamo il processo di evoluzione ribosomiale come accrescimento dei gusci della cipolla. Si può camminare avanti o indietro nel tempo, passando da un guscio all’altro nella cipolla. La parte più antica della cipolla ribosomiale è il centro (il PTC).

La cipolla ribosomiale fornisce una storia dettagliata e auto-coerente di antiche transizioni biologiche. La densità delle proteine ribosomiali è bassa al centro della cipolla ed è alta nei gusci esterni (Figura 6A). Pertanto, il ribosoma contiene un record dell’introduzione e dell’incorporazione di proteine codificate in biologia e dello sviluppo del mondo DNA/RNA/proteine. I segmenti proteici ribosomiali vicino al centro della cipolla sono in insolite conformazioni “non canoniche”, ma nei gusci esterni della cipolla sono piegati in forme globulari convenzionali composte da α-eliche e β-fogli (Figura 6B). Il ribosoma ha registrato la storia del ripiegamento delle proteine.

Il ribosoma come cipolla è un dispositivo per raccogliere e interpretare una quantità enorme di informazioni dettagliate sulla biochimica antica. Qui abbiamo toccato l’introduzione di polipeptidi alla biologia e sullo sviluppo di proteine piegate. Il ribosoma è un ricco archivio di informazioni diverse per coloro che sono interessati agli antichi processi evolutivi e all’origine della vita.

Sommario. La biochimica è comunemente insegnata come fatti isolati, strutture e reazioni, presi fuori dal loro contesto esplicativo. Una ragionevole comprensione delle domande più profonde e più ampie in biologia richiede un approccio integrato. La struttura proteica può essere compresa solo nel contesto della struttura del DNA / RNA e viceversa. La relazione inversa del polipeptide con l’assemblaggio del polinucleotide è chiara solo per confronto e informa direttamente la nostra comprensione della forma, della funzione e dell’evoluzione. L’attuale cattivo stato di integrazione in biochimica è illustrato nei libri di testo moderni, che generalmente continuano a propagare lo schema organizzativo del primo libro di testo di biochimica di Lehninger (1975). La struttura proteica viene insegnata come irrilevante e completamente disconnessa dalla struttura dell’acido nucleico.

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