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陰と陽:ポリペプチドとポリヌクレオチド

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二つの生体高分子は、現代の生活の酵素とエンコード機構を支配するようになってきました:ポリペプチドとポリヌクレオチド。 これらの分子は両方とも、直交自己集合戦略を採用しているにもかかわらず、絶妙によく適応した自己集合特性を示す。 現代の生活では、リボソームは、これら二つの発散、まだ相関生体高分子間の情報の流れを可能にします。 リボソームの初期進化に焦点を当てて，これら二つの生体高分子間の関係について論じた。

チャールズ-ダーウィンは、”…とても単純な始まりから、最も美しく、最も素晴らしい無限の形が進化しており、進化している”ことを有名に観察しました。 私たちは今、地球上の生物多様性がワックスと衰退することを知っています。 フォームは進化しており、フォームは消滅していますが、定常状態ではありません。 約5億4000万年前のカンブリア爆発は、多様性の比較的急速な増加をマークしました。 大変動、特にペルム紀–三畳紀（251Mya）と白亜紀–古第三紀（65Mya）の絶滅は、多様性を減少させた。

人生は簡単です。 分子を見ると、ダーウィンの多様性の広さは幻想的であると見られています。 フォームは無限ではなく、彼らは進化の最後の数十億年にわたって本質的に一定のままでした。 初期の生物学は、分子の多様性を拡大するのではなく狭めました。 地球上のすべての生物系に統合された化学的複雑さは、コンドライト隕石やスタンリー-ミラーの火花放電実験のような小さな閉じ込められた非生物系の多様性よりも低い。 バイオポリマーのレベルでは、多様性はさらに枯れています。 ポリヌクレオチド（DNA/RNA）とポリペプチド（タンパク質）の二つのポリマー骨格だけが生命を支配し、それに普遍的です。 ポリヌクレオチドとポリペプチドの比類のない自己組織化特性は、生物圏から競合するポリマーを駆動しています。なぜ二つのポリマーバックボーン？

なぜ一つ、または三つではありませんか？ 私たちの生体高分子の特徴は何ですか？ これら2つは生体分子構造の陰と陽を形成します(図1)。 ポリヌクレオチドによって使用される組立スキームは、ポリペプチドによって使用されるスキームの直接逆である。 ポリヌクレオチドは、見てガラスを介してポリペプチドであり、その逆もまた同様である。

ポリヌクレオチドは、サイドチェーン間（すなわち、塩基間、図2）の水素結合相互作用によって集合する。 バックボーンは自己反発性であり、サイドチェインコアの外側にあり、水性環境にさらされています（図3）。 塩基間のＷａｔｓｏｎ-Ｃｒｉｃｋ対合において，シトシンの水素結合ドナー／アクセプターの空間配置はグアニンのそれと相補的である。 アデニンはチミン/ウラシルに相補的である。 ヌクレオチドの基盤のplanaritiesはまたアセンブリに重大です。 塩基-塩基スタッキング(図3)は、少なくとも塩基対形成と同様に安定性にとって重要です。 RNAはDNAよりも複雑であり、多くの”非標準的な”塩基対を有する。

ポリペプチドは、骨格の原子間の水素結合相互作用によって集合する（図4）。 ポリペプチド骨格は自己相補的で凝集性であり、適切に間隔をあけられた水素結合ドナーおよびアクセプターを有する。 ポリペプチドの自己相補性は、折り畳まれたタンパク質の支配的なアセンブリ要素であるαヘリックスまたはβシートの両方に適用されます。 Αヘリックスとβシートの両方で、すべての水素結合ドナーとアクセプターが満たされ、サイドチェーンはバックボーンコアから離れて外側に向けられます。 したがって、ポリペプチド骨格は固有のスイッチを含み、ヘリックスとシートは相互変換することができる。

私たちが知っているように、生物学は、自己集合の陰と陽の二つの逆のタイプの支配的な生体高分子を必要とするかどうかを尋ねることができます（図1）。 私はイエスと言うでしょう。 機能的ポリペプチドと情報ポリヌクレオチドは共進化の贅沢なダンスで互いに生じた。 私の見解では、従来説明されていたように、RNAの世界はありませんでした。 これらの極性の反対のポリマーは、それらの最も深い進化のルーツで相互に接続され、相互依存しています。 生物学の二つの支配的なポリマーの特徴的で必要な機能は、自己組織化のスキームによって直接示されている。 WatsonとCrickによって表現されているように、「我々が仮定した特定のペアリングはすぐに遺伝物質の可能なコピーメカニズムを示唆しています。「主にαヘリックスとβシートで構成される繊維状および球状タンパク質の折り畳まれた構造は、同様にその機能を示す。

翻訳とリボソーム。 翻訳では、情報はポリヌクレオチドからポリペプチドに形質導入される。 翻訳の間、生物学の陰は陽と直接つながります。 これら二つのポリマーの組立原理は互いに逆であるため（サイドチェーン-サイドチェーン対バックボーン-バックボーン）、間接的なテンプレート化の精巧なプロセスが形質導入プロセスに必要とされる。 ポリヌクレオチドとポリペプチドの両方からなる翻訳の高分子集合体は、このタスクを実行し、そうすることで、生命を定義し、生命と非生命を区別する。

リボソームは、メッセージをデコードする小さなサブユニット（SSU）とペプチジル移動を触媒する大きなサブユニット（LSU）で構成されています。 リボソームと翻訳は、深い進化の過去と生命の起源への私たちの最も直接的なつながりの一部です。 高分子とイオンのこの同人は、生命の古代の分子機械の最もよく保存されており、原始的で凍結したポリマーのバックボーン、配列、およびアセンブリで構成されています。

リボソーム進化のCooptionモデル。 リボソーム進化の最も広く受け入れられているモデルは、”cooptionモデル”です。 このモデルでは、(a)SSUとLSUの祖先は、自律的な機能を持つ、互いに独立して発生し、進化した、(b)LSUの祖先は、SSUとのアセンブリのために無能、PTC（ペプチジルトランスフェラーゼセンター）を含み、ペプチド、エステル、チオエステル、および潜在的に他のポリマーの不均一なオリゴマーの非コード化生産を触媒し、©SSUの祖先は、より暫定的だったが、RNA重合を関与している可能性がある機能を持っていた、(d)ptcの非コード化されたオリゴマー生成物のいくつかは、RNA重合を関与している可能性がある。初期のlsu,(E)先祖の優位性を付与する,(E)先祖の優位性を付与する,(E LSUとSSU機能は、コード化されたタンパク質合成を可能にする、cooptionプロセスで、リンクされ、（f）祖先LSUに関連付けられている合成ポリマーの非コード化オリゴマーは、現存するLSU内の深い浸透リボソームタンパク質の尾に化石。 Cooptionモデル、およびリボソーム進化の他のモデルでは、進化上の変化は、PTCとデコード構造と機能を維持するものに制限されています。 LSUの触媒コア、およびSSUの復号中心は、LSUとSSUの間の協調関係に先立って凍結されたアセンブリである。

古代の”酵素。”翻訳機械は、生物学で最も古く、最も永続的な化学変換の一つである凝縮を触媒する。 二つのアミノ酸が結合し、ペプチド結合を形成し、生物学に先行する古代の化学変換で水分子を放出する。 アミノアシルtRNA合成酵素や小さなリボソームサブユニットなどのより現代的な翻訳成分を取り除くか上書きすると、リボソームの触媒コアであるPTCは、古代の酵素のすべての特徴を示すことが見られる。 ここで、”酵素”という言葉は、生物学的触媒を示すことを意図しており、それがタンパク質から作られたことを意味するものではない。 現存するPTCは非特異的な凝縮のための機能を保つ。 これは、現代の酵素とは異なり、遷移状態を特異的に安定化させることができない粗エントロピートラップである。 PTCはペプチッド、エステル、チオエステル、等を含むいろいろ凝縮プロダクトを形作る機能を保った。 . 先祖のPTCは”ソーセージメーカー”であり、縮合によって短い不均一なオリゴマーの非コード化混合物を生産していた。

変化に抵抗する。 生命は、生化学的な本質で、知られていた宇宙の最も弾力性のあり、最も強い化学システムである。 今日の生物学的世界で観察されている小分子代謝産物、ポリマー骨格、化学変換および複雑な生化学系は、初期の生物学的および生物学的前化学系に 生命の分子やプロセスの多くは深く凍結されており、広大なタイムスケールにわたって不変のままです。 化学レベルでは、私たちの周りの生物学的世界には、30億年以上前の「生きた化石」が含まれています。 我々は概念的に分子化石（アミノ酸、ポリペプチド、塩基対、ヌクレオシド、リン酸塩、ポリヌクレオチド、鉄硫黄中心、およびいくつかのポリマー配列）とプロセス化石（縮合、加水分解、リン酸化、翻訳、および糖新生）にこれらを分割します。現存する生命は、古代の生命の分子、経路、構造、および集合体を推測することを可能にする。

現存する生命は、古代の生命の分子、経路、構造、および集合体 人生はそれ自身の歴史を維持し、私たちにその歴史を教えることができます。 生命の分子およびプロセスの化石を採掘することは、古代の生物学と生命の起源を理解するための最良のアプローチの一つです。

分子タイムマシン。 リボソームに関する重要な情報は、進化の木の異なる領域からの高解像度、三次元構造によって明らかにされています。 私たちは、LSUを計算的にタマネギに彫刻することによって分子タイムマシンを作成しました（図5）、ptcをコアにしています。 タマネギの殻の降着としてリボソーム進化の過程を近似した。 一つは、タマネギの殻から殻に移動することによって、時間内に前後に歩くことができます。 リボソームオニオンの最も古い部分は中心（PTC）です。

リボソームオニオンは、古代の生物学的遷移の詳細で自己一貫性のある物語を提供します。 リボソームタンパク質の密度は、タマネギの中心部では低く、外殻では高い（図6A）。 したがって、リボソームには、コード化されたタンパク質の生物学への導入と取り込み、DNA/RNA/タンパク質の世界の発展の記録が含まれています。 タマネギの中心付近のリボソームタンパク質セグメントは、異常な”非標準的な”立体配座であるが、タマネギの外殻では、αヘリックスとβシートからなる従来の球状の形態に折り畳まれている（図6B）。 リボソームはタンパク質の折り畳みの歴史を記録した。 タマネギとしてのリボソームは、古代の生化学に関する膨大な量の詳細な情報を収集し、解釈するための装置です。

リボソームは、古代の生化学に関す ここでは、生物学へのポリペプチドの導入と折り畳まれたタンパク質の開発に触れました。 リボソームは、古代の進化過程と生命の起源に興味のある人のための多様な情報の豊富なリポジトリです。

要約。 生化学は、一般的に、それらの説明的な文脈から取り出された孤立した事実、構造および反応として教えられる。 生物学における最も深く、最も広い質問の合理的な理解には、統合されたアプローチが必要です。 タンパク質構造は、DNA/RNA構造の文脈においてのみ理解することができ、その逆もまた同様である。 ポリヌクレオチドアセンブリへのポリペプチドの逆の関係は比較によってだけ明確で、直接形態、機能および進化の私達の理解を知らせます。 生化学における統合の現在の貧しい状態は、一般的にLehningerの最初の生化学教科書（1975）の組織スキームを伝播し続けている現代の教科書に示されている。 タンパク質構造は、核酸構造とは無関係であり、核酸構造から完全に切断されていると教えられている。

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