To biopolymerer har kommet for å dominere det enzymatiske og kodende maskineriet i det moderne liv: polypeptider og polynukleotider. Disse molekylene viser begge utsøkt godt tilpassede selvmonteringsegenskaper, om enn å bruke ortogonale selvmonteringsstrategier. I moderne liv muliggjør ribosomet informasjonsflyten mellom disse to divergerende, men korrelerte biopolymerer. Denne gjennomgangen diskuterer forholdet mellom disse to biopolymerer, med fokus på den tidlige utviklingen av ribosomet.Charles Darwin sa en gang: «fra en så enkel begynnelse har uendelige former, de vakreste og mest vidunderlige, blitt, og er, utviklet seg.» Vi vet nå at biologisk mangfold på jorden vokser og avtar. Former blir utviklet og former blir slukket, men ikke i steady state. Den Kambriske eksplosjonen, rundt 540 millioner år siden, markerte en relativt rask økning i mangfoldet. Kataklysmer, spesielt Perm-Trias (251 Mya) og Kritt–Paleogen (65 Mya) utryddelser, redusert mangfold.

Livet Er Enkelt. Hvis man ser på molekyler, Er Darwins bredde av mangfold sett på å være illusorisk. Former er ikke uendelige, og de har holdt seg i hovedsak konstant de siste milliarder årene av evolusjonen. Tidlig biologi innsnevret mangfoldet av molekyler, i stedet for å eskalere det. Kjemisk kompleksitet, integrert over alle biologiske systemer på jorden, er lavere enn mangfoldet av selv et lite begrenset abiotisk system som en kondritisk meteoritt eller En Av Stanley Millers gnistutladningseksperimenter . På nivået av biopolymerer er mangfoldet enda mer visnet. Bare to polymerbein, polynukleotid (DNA/RNA) og polypeptid (protein), dominerer livet og er universelle for det. De enestående selvmonteringsegenskapene til polynukleotider og polypeptider har drevet konkurrerende polymerer fra biosfæren.

hvorfor to polymer backbones? Hvorfor ikke en eller tre? Hva er kjennetegnene til våre biopolymerer? Disse to danner En Yin Og En Yang av biomolekylær struktur (Figur 1). Samlingsskjemaet som brukes av polynukleotider er den direkte omvendte av skjemaet som brukes av polypeptider. Polynukleotider er polypeptider gjennom speilet, og omvendt. Polynukleotider samles ved hydrogenbindingsinteraksjoner mellom sidekjeder (dvs.mellom baser, Figur 2). Ryggraden er selvavvisende, og er på utsiden av sidekjedekjernen, utsatt for det vandige miljøet (Figur 3). I Watson-Crick-parring mellom baser er det romlige arrangementet av hydrogenbindingsdonorer/akseptorer av cytosin komplementært til guanin. Adenin er komplementær til tymin / uracil. Planaritetene til nukleotidbasene er også kritiske for deres montering. Base-base stabling (Figur 3) er minst like viktig for stabilitet som base paring . RNA er mer komplekst ENN DNA, med mange’ ikke – kanoniske ‘ basepar.

Polypeptider samles ved hydrogenbindingsinteraksjoner mellom atomer i ryggraden(Figur 4). Polypeptid-ryggraden er selvkomplementær og sammenhengende, med passende fordelte hydrogenbindingsdonorer og akseptorer. Self-komplementariteten til polypeptide gjelder i både α-helikser eller β-ark, som er de dominerende samlingselementene i foldede proteiner. For både α-helikser og β-ark er alle hydrogenbindende donorer og akseptorer fornøyd, og sidekjedene er rettet utover, bort fra ryggradskjernen. Derfor inneholder polypeptid ryggraden en iboende bryter: helices og ark kan interconvert. vi kan spørre om biologi slik vi kjenner det krever nøyaktig to omvendte typer dominerende biopolymerer, En Yin og En Yang av selvmontering (Figur 1). Jeg vil si ja. Det funksjonelle polypeptidet og det informative polynukleotid ga opphav til hverandre i en ekstravagant dans av co-evolusjon. DET var ingen RNA-Verden , som konvensjonelt beskrevet, etter min mening. Disse polare motsatte polymerer er sammenkoblet og gjensidig avhengig i sine dypeste evolusjonære røtter. De karakteristiske og nødvendige funksjonene til biologiens to dominerende polymerer er direkte indikert av deres ordninger for selvmontering. Som Uttrykt Av Watson og Crick, » den spesifikke sammenkoblingen vi har postulert, antyder umiddelbart en mulig kopieringsmekanisme for det genetiske materialet.»De foldede strukturer av fibrøse og kuleformede proteiner, som hovedsakelig består av α-helikser og β-ark, signaliserer på samme måte deres funksjoner.

Oversettelse Og Ribosomet. I oversettelse blir informasjon transdusert fra polynukleotid til polypeptid. Under oversettelsen forbinder yin av biologi direkte Med Yang. Siden monteringsprinsippene for disse to polymerene er konverserer av hverandre (sidekjede-sidekjede versus ryggrad-ryggrad), er det nødvendig med en utførlig prosess med indirekte templering for transduksjonsprosessen. De makromolekylære samlinger av oversettelse, som består av både polynukleotid og polypeptid, utføre denne oppgaven, og dermed definere liv og skille liv fra ikke-liv. ribosomet består av EN LITEN UNDERENHET (SSU) som dekoder meldingen og en stor underenhet (LSU) som katalyserer peptidyloverføring. Ribosomet og oversettelsen er noen av våre mest direkte forbindelser til den dype evolusjonære fortiden og til livets opprinnelse. Denne coterie av makromolekyler og ioner er den best bevarte av livets gamle molekylære maskiner, og den består av primordiale, frosne polymerbein, sekvenser og forsamlinger.

Cooption Modell Av Ribosomal Evolusjon. Den mest aksepterte modellen for ribosomal evolusjon er «cooption model». I denne modellen, (a) forfedrene TIL SSU og LSU oppsto og utviklet seg uavhengig av hverandre, med autonome funksjoner, (b) en stamfar TIL LSU, inkompetent for montering MED SSU, inneholdt Ptc (Peptidyl Transferase Center), og katalysert ikke-kodet produksjon av heterogene oligomerer av peptider, estere, tioestere, og potensielt andre polymerer,©. den ptc bundet til den gryende lsu, overdragelse FORDEL, (e) forfedrenes LSU og SSU funksjoner koblet, i en cooption prosess, muliggjør kodet proteinsyntese, og (f) de ikke-kodede oligomerer av syntetiserte polymerer assosiert med forfedrenes LSU fossilisert i haler av ribosomale proteiner som trenger dypt inn i den bevarte LSU. I cooption-modellen, og andre modeller av ribosomal evolusjon, er endringer over evolusjon begrenset til de som opprettholder PTC og dekoding struktur og funksjon. Den katalytiske kjernen TIL LSU, og dekodingssenteret TIL SSU, er frosne forsamlinger som foregår for samarbeidsforholdet MELLOM LSU og SSU.

Et Gammelt » Enzym.»Oversettelsesmaskineriet katalyserer kondens, en av biologiens eldste og mest varige kjemiske transformasjoner . To aminosyrer sammenføyes, danner en peptidbinding og frigjør et vannmolekyl, i en gammel kjemisk transformasjon som foregår biologi. Hvis man striper bort eller overstyrer mer moderne translasjonelle komponenter som aminoacyl tRNA-syntetaser og den lille ribosomale subenheten, ses den katalytiske kjerne av ribosomet, PTC, for å vise alle kjennetegnene til et gammelt enzym. Her er ordet «enzym» ment å betegne en biologisk katalysator og betyr ikke at den ble laget av protein. Den bevarte PTC beholder en evne for ikke-spesifikk kondensering. Det er en rå entropifelle som, i motsetning til moderne enzymer, ikke er i stand til å stabilisere en overgangsstat . PTC har beholdt evnen til å danne et bredt utvalg av kondensasjonsprodukter, inkludert peptider, estere, tioestere, etc. . Forfedrenes PTC var en «pølse maker,» produsere en ikke-kodet blanding av korte heterogene oligomerer ved kondensering.

Motstå Endring. Livet, ved sin biokjemiske essens, er det mest motstandsdyktige og robuste kjemiske systemet i det kjente universet. Småmolekylære metabolitter, polymerbein, kjemiske transformasjoner og komplekse biokjemiske systemer som vi observerer i den biologiske verden i dag, kan spores til tidlige biotiske og til og med prebiotiske kjemiske systemer . Mange av livets molekyler og prosesser er dypt frosne, og har forblitt uforanderlige over store tidsskalaer. På kjemisk nivå inneholder den biologiske verden rundt oss» levende fossiler » som lett er over 3 milliarder år gamle. Vi deler disse konseptuelt inn i molekylære fossiler (aminosyrer, polypeptider, basepar, nukleosider, fosfater, polynukleotider, jern-svovel sentre og noen polymersekvenser) og prosessfossiler (kondensering, hydrolyse, fosforylering, oversettelse og glukoneogenese).Bevart liv tillater oss å utlede molekyler, veier, strukturer og samlinger av gammelt liv. Livet opprettholder sin egen historie og kan lære oss den historien. Gruvedrift molekylære og prosess fossiler av livet er en av våre beste tilnærminger til å forstå gammel biologi og livets opprinnelse.

En Molekylær Tidsmaskin. Viktig informasjon om ribosomet har blitt avslørt av høyoppløselige, tredimensjonale strukturer fra forskjellige regioner i det evolusjonære treet . Vi opprettet en molekylær tidsmaskin ved beregningsmessig å kutte LSU i en løk (Figur 5), MED PTC i kjernen . Vi tilnærmer prosessen med ribosomal evolusjon som akkresjon av skall av løk. Man kan gå bakover eller fremover i tid, ved å flytte fra skall til skall i løk. Den eldste delen av ribosomal løk er sentrum (PTC).den ribosomale løk gir en detaljert og selvkonsistent historie om gamle biologiske overganger. Tettheten av ribosomale proteiner er lav i midten av løk og er høy i ytre skall (Figur 6a). Dermed inneholder ribosomet en oversikt over innføring og inkorporering av kodet protein i biologi, og utviklingen AV DNA/RNA/Proteinverdenen. Ribosomale proteinsegmenter nær midten av løken er i uvanlige ‘ikke-kanoniske’ konformasjoner, men i de ytre skall av løk er brettet inn i konvensjonelle kuleform bestående av α-helikser og β-ark (Figur 6b). Ribosomet registrerte historien om proteinfoldingen.

ribosomet som løk er en enhet for å samle og tolke en massiv mengde detaljert informasjon om gammel biokjemi. Her har vi rørt på introduksjonen av polypeptider til biologi og på utvikling av brettede proteiner. Ribosomet er et rikt lager av mangfoldig informasjon for de som er interessert i gamle evolusjonære prosesser og livets opprinnelse.

Oppsummering. Biokjemi er ofte undervist som isolerte fakta, strukturer og reaksjoner, tatt ut av deres forklarende sammenheng. En rimelig forståelse av de dypeste og bredeste spørsmålene i biologi krever en integrert tilnærming. Proteinstruktur kan bare forstås i SAMMENHENG MED DNA / RNA-struktur, og omvendt. Det omvendte forholdet mellom polypeptid og polynukleotid er bare klart ved sammenligning, og informerer direkte vår forståelse av form, funksjon og evolusjon. Den nåværende dårlige integrasjonstilstanden i biokjemi er illustrert i moderne lærebøker, som generelt fortsetter å forplante organisasjonsordningen For Lehringer første biokjemi lærebok (1975). Proteinstruktur læres som irrelevant til og helt frakoblet fra nukleinsyrestruktur.

Referanser.

1. Darwin C (1859) artenes opprinnelse. Et komma ble satt inn i denne setningen, for klarhet.Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, 2nd, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP (2011) Karbonholdige meteoritter inneholder et bredt spekter av utenomjordiske nukleobaser. Proc Natl Acad Sci U S A 108: 13995-13998.Schmitt-Kopplin P, Gabelica Z, Gougeon RD, Fekete A, Kanawati B, Harir M, Gebefuegi I, Eckel G, Hertkorn N (2010) Høymolekylært mangfold av utenomjordisk organisk materiale i murchison meteoritt avslørt 40 år etter fallet. Proc Natl Acad Sci U S A 107: 2763-2768.
2. Johnson AP, Klipper HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL (2008) miller vulkansk gnist utslipp eksperiment. Vitenskap 322: 404.Bean HD, Lynn DG, Hud NV (2009) selvmontering og opprinnelsen til de første RNA-lignende polymerene. Kjemisk Evolusjon II: Fra Livets Opprinnelse Til Det Moderne Samfunn 1025: 109-132.Watson Jd, Crick FH (1953) Molekylær struktur av nukleinsyrer: en struktur for deoksyribose nukleinsyre. Natur 171: 737-738.
3. Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006 )Base-stabling og base-sammenkobling bidrag til termisk stabilitet AV DNA dobbel helix. Nukleinsyrer Res 34: 564-574.Sugimoto N, Kierzek R, Turner Dh (1987) Sekvensavhengighet for energien til dinglende ender og terminale basepar i ribonukleinsyre. Biokjemi 26: 4554-4558.
4. Gilbert W (1986) Livets Opprinnelse: rna-verdenen. Natur 319: 618-618.
5. Zuckerkandl E, Pauling L (1965) Molekyler som dokumenter av evolusjonær historie. J Theor Biol 8: 357-366.
6. Benner SA, Ellington AD, Tauer A (1989) Moderne metabolisme som en palimpsest AV RNA-verdenen. Proc Natl Acad Sci U S A 86: 7054-7058.
7. Westheimer FH (1987) hvorfor naturen valgte fosfater. Vitenskap 235: 1173-1178.
8. Woese CR (2001) Oversettelse: i ettertid og prospekt. RNA 7: 1055-1067.
9. Hsiao C, Williams Ld (2009) et tilbakevendende magnesiumbindende motiv gir et rammeverk for det ribosomale peptidyltransferasesenteret. Nukleinsyrer Res 37: 3134-3142.
10. Cech TR (2009) Kryper ut av RNA-verdenen. Celle 136: 599-602.Fox GE (2010) opprinnelse og utvikling av ribosomet. Kald Vår Harb Perspect Biol 2: a003483.Hud Nv, Lynn DG (2004) Fra livets opprinnelse til en syntetisk biologi. Currr Opin Chem Biol 8: 627-628.
11. Woese CR (2000) Tolke det universelle fylogenetiske treet. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.
12. Hsiao C, Mohan S, Kalahar BK, Williams Ld (2009) Peeling av løk: Ribosomer er gamle molekylære fossiler. Mol Biol Evol 26: 2415-2425.
13. Bokov K, Steinberg SV (2009) en hierarkisk modell for utvikling AV 23s ribosomal RNA. Natur 457: 977-980.
14. Noller HF (2010) Evolusjon av proteinsyntese fra EN RNA-verden. Kald Vår Harb Perspect Biol 7: 7.
15. Rich A (1971) mulig deltakelse av estere samt amider i prebiotiske polymerer. In: Buvet R, Ponnamperuma C, editors. Kjemisk evolusjon og livets opprinnelse. Amsterdam: Nord-Holland Forlag.Walker SI, Grover MA, Hud NV (2012) Universell sekvensreplikasjon, reversibel polymerisering og tidlige funksjonelle biopolymerer: en modell for initiering av prebiotisk sekvensutvikling. PLoS One 7.Sievers A, Beringer M, Rodnina MV, Wolfenden R (2004) ribosomet som en entropifelle. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 7897-7901. Epub 2004 Mai 7812.
16. Carrasco N, Hiller DA, Strobel SA (2011) Minimal overgangsstatsstabilisering av oksyanion under peptidbindingsdannelse av ribosomet. Biokjemi 50: 10491-10498.
17. Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rik A (1970) Ribosom-katalysert esterformasjon. Biokjemi 9: 2477-2483.
18. Fahnestock S, Rik A (1971) Ribosomkatalysert polyesterformasjon. Vitenskap 173: 340-343.
19. Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, Krayevsky AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) Syntese av tioamidbinding katalysert av e. coli ribosomer. FEBS Lett 68: 215-218.
20. Tan ZP, Forster AC, Blacklow SC, Cornish VW (2004) Aminosyre ryggrad spesifisitet Av Escherichia coli oversettelse maskiner. J Am Chem Soc 126: 12752-12753.Hartman MC, Josephson K, Lin Cw, Szostak jw (2007) et utvidet sett med aminosyreanaloger for ribosomal oversettelse av unaturlige peptider. PLoS EN 2: e972.
21. Kang TJ ,Suga H (2008) Ribosomal syntese av ikke-standard peptider. Biochem Celle Biol 86: 92-99.
22. Ohta A, Murakami H, Suga H (2008) Polymerisering av alfa-hydroksysyrer ved ribosomer. ChemBioChem 9: 2773-2778.
23. Subtelny AO, Hartman MC, Szostak JW (2008) Ribosomal syntese av n-metylpeptider. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 April 6111.
24. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, Noller HF (1999) RØNTGEN krystallstrukturer AV 70s ribosom funksjonelle komplekser. Vitenskap 285: 2095-2104.
25. Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (2000) den komplette atomstrukturen til den store ribosomale underenheten ved 2,4 Å oppløsning. Vitenskap 289: 905-920.Harms J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan A, Gat S, Agmon I, Bartels H, Franceschi F, Yonath A (2001) høyoppløselig struktur av den store ribosomale underenheten fra et mesofilt eubacterium. Celle 107: 679-688.Selmer M, Dunham CM, Murphy FV, Weixlbaumer A, Petry S, Kelley AC, Weir JR, Ramakrishnan V (2006) Struktur AV 70-tallet ribosom kompleks med mRNA og tRNA. Vitenskap 313: 1935-1942.
26. Ben-Sem A, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) Krystallstruktur av eukaryotisk ribosom. Vitenskap 330: 1203-1209.
27. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag A, Ban N (2011) Krystallstruktur av eukaryotisk 40s ribosomal subenhet i kompleks med initieringsfaktor 1. Vitenskap 331: 730-736.
28. Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom A, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, Noller HF (2001) Krystallstruktur av ribosomet ved 5,5 Å oppløsning. Vitenskap 292: 883-896.
29. Schuwirth BS, Borovinskaya MA, Hau CW, Zhang W, Vila-Sanjurjo A, Holton JM, Cate JH (2005) Strukturer av bakteriell ribosom ved 3,5 Å oppløsning. Vitenskap 310: 827-834.Ogle JM, Brodersen DE, Clemons WM, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) Anerkjennelse av kognat overføring RNA AV 30s ribosomal subenhet. Vitenskap 292: 897-902.Noller HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) Uvanlig motstand av peptidyltransferase til proteinekstraksjonsprosedyrer. Vitenskap 256: 1416-1419.
30. Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB ,Steitz TA (2000) det strukturelle grunnlaget for ribosomaktivitet i peptidbindingssyntese. Vitenskap 289: 920-930.