dwa biopolimery zdominowały enzymatyczną i kodującą maszynę współczesnego życia: polipeptydy i polinukleotydy. Cząsteczki te wykazują znakomicie dobrze przystosowane właściwości samo-montażu, aczkolwiek stosując ortogonalne strategie samo-montażu. We współczesnym życiu rybosom umożliwia przepływ informacji między tymi dwoma rozbieżnymi, ale skorelowanymi biopolimerami. Niniejszy przegląd omawia związek między tymi dwoma biopolimerami, ze szczególnym uwzględnieniem wczesnej ewolucji rybosomu.

Karol Darwin słynnie zauważył, że „…od tak prostego początku, nieskończone formy najpiękniejsze i najcudowniejsze ewoluowały i powstają”. Obecnie wiemy, że różnorodność biologiczna na ziemi ulega woskowaniu i zanikowi. Formy są rozwijane i formy są wygaszane, ale nie w stanie stacjonarnym. Eksplozja kambryjska, około 540 milionów lat temu, oznaczała stosunkowo szybki wzrost różnorodności. Kataklizmy, zwłaszcza wymieranie Permu-triasu (251 mln lat temu) i kredy-paleogenu (65 mln lat temu), zmniejszyły różnorodność.

życie jest proste. Jeśli spojrzymy na molekuły, różnorodność Darwina jest iluzoryczna. Formy nie są nieskończone i zasadniczo pozostały niezmienne w ciągu ostatnich kilku miliardów lat ewolucji. Wczesna Biologia zawęziła różnorodność molekuł, zamiast ją eskalować. Złożoność chemiczna, zintegrowana ze wszystkimi układami biologicznymi na ziemi, jest mniejsza niż różnorodność nawet małego zamkniętego układu abiotycznego, takiego jak meteoryt chondrytyczny lub jeden z eksperymentów Stanley ’ a Millera z wyładowaniem iskrowym . Na poziomie biopolimerów różnorodność jest jeszcze bardziej zwiędła. Tylko dwa polimerowe kręgosłupy, polinukleotyd (DNA/RNA) i polipeptyd (białko), dominują w życiu i są dla niego uniwersalne. Niezrównane właściwości samoorganizacji polinukleotydów i polipeptydów napędzały konkurencyjne polimery z biosfery.

Dlaczego dwa polimerowe szkielety? Dlaczego nie jeden, albo trzy? Jakie są cechy wyróżniające nasze biopolimery? Te dwa tworzą Yin i Yang biomolecular struktury (Rysunek 1). Schemat asemblacji stosowany przez polinukleotydy jest bezpośrednią konwersją schematu stosowanego przez polipeptydy. Polinukleotydy są polipeptydami przez zwierciadło i odwrotnie.

polinukleotydy zbierają się przez interakcje wiązania wodorowego między łańcuchami bocznymi (tj. między zasadami, fig. 2). Kręgosłup jest samoistny i znajduje się na zewnątrz rdzenia łańcucha bocznego, wystawiony na działanie środowiska wodnego (ryc. 3). W parowaniu Watsona-Cricka między zasadami, przestrzenny układ donorów/akceptorów wiązania wodorowego cytozyny jest komplementarny do układu guaniny. Adenina jest komplementarna do tyminy/uracylu. Planowość zasad nukleotydowych jest również krytyczna dla ich montażu. Układanie bazy-bazy (Rysunek 3) jest co najmniej tak samo ważne dla stabilności jak parowanie bazy . RNA jest bardziej złożony niż DNA, z wieloma 'niekanonicznymi’ parami zasad.

polipeptydy powstają w wyniku oddziaływań wiązania wodorowego pomiędzy atomami szkieletu (ryc. 4). Szkielet polipeptydu jest samospełniający się i spójny, z odpowiednio rozmieszczonymi donorami i akceptorami wiązania wodorowego. Komplementarność polipeptydu zachodzi zarówno w α-helisach, jak i β-arkuszach, które są dominującymi elementami złożonymi białek. Zarówno dla α-Helis, jak i β-arkuszy, wszystkie donory i akceptory wiązania wodorowego są spełnione, a łańcuchy boczne są skierowane na zewnątrz, z dala od rdzenia szkieletu. Dlatego szkielet polipeptydu zawiera nieodłączny przełącznik: helisy i arkusze mogą się interkonwertować.

możemy zapytać, czy Biologia, jaką znamy, wymaga dokładnie dwóch odmiennych typów dominujących biopolimerów, Yin i Yang samoorganizacji (ryc. 1). Powiedziałbym, że tak. Funkcjonalny polipeptyd i informacyjny polinukleotyd dały początek sobie nawzajem w ekstrawaganckim tańcu koewolucji. Moim zdaniem nie było Świata RNA, jak to umownie opisano. Te przeciwbiegunkowe polimery są ze sobą powiązane i współzależne w swoich najgłębszych korzeniach ewolucyjnych. Charakterystyczne i niezbędne funkcje dwóch dominujących w biologii polimerów są bezpośrednio wskazywane przez ich schematy samoorganizacji. Jak wyrażają Watson i Crick, ” konkretne parowanie, które postulowaliśmy natychmiast sugeruje możliwy mechanizm kopiowania materiału genetycznego.”Złożone struktury białek włóknistych i kulistych, które składają się głównie z α-Helis i β-arkuszy, podobnie sygnalizują ich funkcje.

tłumaczenie i rybosom. W tłumaczeniu informacja jest przekazywana z polinukleotydu do polipeptydu. Podczas tłumaczenia, Yin biologii łączy się bezpośrednio z Yang. Ponieważ zasady montażu tych dwóch polimerów są konwersje siebie (sidechain-sidechain versus szkielet-szkielet), skomplikowany proces pośredniego szablonów jest wymagane dla procesu transdukcji. Makromolekularne zespoły translacji, składające się zarówno z polinukleotydu, jak i polipeptydu, wykonują to zadanie, a czyniąc to, definiują życie i odróżniają życie od NIE-życia.

rybosom składa się z małej podjednostki (SSU), która dekoduje wiadomość i dużej podjednostki (LSU), która katalizuje transfer peptydylu. Rybosom i translacja są jednymi z naszych najbardziej bezpośrednich związków z głęboką przeszłością ewolucyjną i pochodzeniem życia. Ta koteria makromolekuł i jonów jest najlepiej zachowaną starożytną maszyną molekularną życia i składa się z pierwotnych, zamrożonych polimerowych szkieletów, sekwencji i zespołów.

model kooperacji ewolucji Rybosomalnej. Najbardziej powszechnie akceptowanym modelem ewolucji rybosomalnej jest „model cooption”. W tym modelu, (a) przodkowie SSU i LSU powstały i ewoluowały niezależnie od siebie, z autonomicznymi funkcjami, (b) przodek LSU, niekompetentny do montażu z SSU, zawierał PTC (Centrum transferazy Peptydylowej) i katalizował niekodowaną produkcję heterogenicznych oligomerów peptydów, estrów, tioestrów i potencjalnie innych polimerów, © przodek SSU miał funkcję, która była bardziej wstępna, ale mogła obejmować polimeryzację RNA, (d) niektóre niekodowane oligomery produkty PTC związane z powstającym LSU, przyznające przewagę, e) przodkowie Funkcje LSU i SSU połączone, w procesie cooption, umożliwiając kodowaną syntezę białek, i (f) niekodowane oligomery syntetyzowanych polimerów związanych z przodkami LSU skamieniały w ogonach rybosomalnych białek, które przenikają głęboko w istniejącym LSU. W modelu cooption i innych modelach ewolucji rybosomalnej zmiany w ewolucji są ograniczone do tych, które utrzymują PTC i dekodują strukturę i funkcję. Rdzeń katalityczny LSU i centrum dekodujące SSU są zamrożonymi zespołami, które poprzedzają współpracę między LSU a SSU.

starożytny ” enzym.”Maszyna translacyjna katalizuje kondensację, jedną z najstarszych i najbardziej trwałych przemian chemicznych w biologii . Dwa aminokwasy są połączone, tworząc wiązanie peptydowe i uwalniając cząsteczkę wody, w starożytnej transformacji chemicznej, która poprzedza biologię. Jeśli ktoś oderwie lub zastąpi bardziej nowoczesne składniki translacyjne, takie jak syntetazy aminoacylo tRNA i mała podjednostka rybosomu, widać, że rdzeń katalityczny rybosomu, PTC, wykazuje wszystkie cechy starożytnego enzymu. Tutaj słowo „enzym” ma oznaczać biologiczny katalizator i nie oznacza, że został wykonany z białka. Istniejący PTC zachowuje zdolność do niespecyficznej kondensacji. Jest to surowa pułapka entropii, która w przeciwieństwie do współczesnych enzymów nie jest w stanie konkretnie ustabilizować stanu przejściowego . PTC zachował zdolność do tworzenia szerokiej gamy produktów kondensacji, w tym peptydów, estrów, tioestrów itp. . Przodkowie PTC byli „wytwórcami kiełbas”, wytwarzającymi niekodowaną mieszaninę krótkich heterogenicznych oligomerów przez kondensację.

opieranie się zmianom. Życie, w swej biochemicznej istocie, jest najbardziej odpornym i solidnym systemem chemicznym w znanym wszechświecie. Małocząsteczkowe metabolity, polimerowe szkielety, przemiany chemiczne i złożone układy biochemiczne, które obserwujemy w dzisiejszym świecie biologicznym, są identyfikowalne z wczesnymi biotycznymi, a nawet prebiotycznymi układami chemicznymi . Wiele cząsteczek i procesów życia jest głęboko zamrożonych i pozostają niezmienne w ogromnych skalach czasowych. Na poziomie chemicznym, otaczający nas świat biologiczny zawiera „żywe skamieniałości”, które z łatwością mają ponad 3 miliardy lat. Koncepcyjnie dzielimy je na skamieniałości molekularne (aminokwasy, polipeptydy, pary zasad, nukleozydy, fosforany, polinukleotydy, centra żelazo-siarka i niektóre sekwencje polimerowe) i skamieniałości procesowe (kondensacja, hydroliza, fosforylacja, translacja i glukoneogeneza).

istniejące życie pozwala nam wnioskować o cząsteczkach, szlakach, strukturach i złożeniach starożytnego życia. Życie utrzymuje swoją własną historię i może nas tego nauczyć. Wydobywanie molekularnych i procesowych skamieniałości życia jest jednym z naszych najlepszych podejść do zrozumienia starożytnej Biologii i pochodzenia życia.

molekularny Wehikuł Czasu. Ważne informacje o rybosomie zostały ujawnione przez trójwymiarowe struktury o wysokiej rozdzielczości z różnych regionów drzewa ewolucyjnego . Stworzyliśmy molekularny wehikuł czasu, obliczeniowo rzeźbiąc LSU w cebulę (ryc. 5), z PTC w rdzeniu . Proces ewolucji rybosomalnej przybliżamy jako akrecję muszli cebuli. Można chodzić do tyłu lub do przodu w czasie, przechodząc od skorupy do skorupy w cebuli. Najstarszą częścią cebuli rybosomalnej jest centrum (PTC).

cebula rybosomalna zapewnia szczegółową i spójną historię starożytnych przemian biologicznych. Gęstość białek rybosomalnych jest niska w środku cebuli i jest wysoka w zewnętrznych skorupkach (Fig. 6A). Tak więc rybosom zawiera zapis wprowadzenia i Włączenia kodowanego białka do biologii oraz rozwoju świata DNA/RNA/białka. Rybosomalne segmenty białek w pobliżu środka cebuli są w nietypowych „niekanonicznych” konformacjach, ale w zewnętrznych skorupach cebuli są złożone w konwencjonalne kuliste formy złożone z α-Helis i β-arkuszy (Fig.6B). Rybosom zapisał historię fałdowania białek.

rybosom jako cebula jest urządzeniem do zbierania i interpretowania ogromnej ilości szczegółowych informacji na temat starożytnej biochemii. Poruszyliśmy tu kwestię wprowadzenia polipeptydów do biologii i rozwoju białek złożonych. Rybosom jest bogatym repozytorium różnorodnych informacji dla osób zainteresowanych starożytnymi procesami ewolucyjnymi i pochodzeniem życia.

podsumowanie. Biochemia jest powszechnie nauczana jako izolowane fakty, struktury i reakcje, wyjęte z ich kontekstu wyjaśniającego. Rozsądne zrozumienie najgłębszych i najszerszych pytań w biologii wymaga zintegrowanego podejścia. Struktura białka może być rozumiana tylko w kontekście struktury DNA / RNA i odwrotnie. Relacja odwrotna polipeptydu do zespołu polinukleotydowego jest wyraźna tylko przez porównanie i bezpośrednio informuje o naszym zrozumieniu formy, funkcji i ewolucji. Obecny zły stan integracji w biochemii ilustruje współczesne podręczniki, które generalnie propagują schemat organizacyjny pierwszego podręcznika biochemii Lehninger ’ a (1975). Struktura białka jest nauczana jako nieistotna i całkowicie odłączona od struktury kwasu nukleinowego.

1. Darwin C (1859) the origin of species. Do tego zdania wstawiono przecinek, dla jasności.
2. Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, 2nd, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP (2011) meteoryty węglowe zawierają szeroki zakres pozaziemskich nukleobaz. 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) wysoka molekularna różnorodność pozaziemskiej materii organicznej w meteorycie murchison ujawniła się 40 lat po jego upadku. 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. Nauka 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. Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006) base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix. Nucleic Acids Res 34: 564-574.
8. Sugimoto N, Kierzek R, Turner DH (1987) Sequence dependence for the energetics of dangling ends and terminal base pairs in ribonucleic acid. Biochemistry 26: 4554-4558.
9. Gilbert w (1986) Origin OF life: THE RNA world. Nature 319: 618-618.
10. Zuckerkandl E, Pauling L (1965). J Theor Biol 8: 357-366.
12. 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.
13. Westheimer FH (1987) dlaczego natura wybrała fosforany. Nauka 235: 1173-1178.
14. Woese CR (2001) tłumaczenie: z perspektywy czasu i perspektywy. RNA 7: 1055-1067.
15. Hsiao C, Williams LD (2009) a recurrent magnesium-binding motif provides a framework for the ribosomal peptidyl transferase center. Nucleic Acids Res 37: 3134-3142.
16. Cech TR (2009) Komórka 136: 599-602.
17. Fox GE (2010) pochodzenie i ewolucja rybosomu. Cold Spring Harb Perspect Biol 2: a003483.
18. Hud NV, Lynn DG (2004). From life ’ s origins to a synthetic biology. Curr Opin Chem Biol 8: 627-628.
19. Woese CR (2000) interpretacja uniwersalnego drzewa filogenetycznego. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.
20. Hsiao C, Mohan S, Kalahar BK, Williams LD (2009) Mol Biol Evol 26: 2415-2425.
21. Bokov K, Steinberg SV (2009) hierarchiczny model ewolucji rybosomalnego RNA 23s. Nature 457: 977-980.
22. Noller HF (2010) Ewolucja syntezy białek ze świata RNA. Cold Spring Harb Perspect Biol 7: 7.
23. Rich a (1971) the possible participation of esters as well as amides in prebiotyc polymers. In: Buvet R, Ponnamperuma C, editors. Ewolucja chemiczna i pochodzenie życia. Amsterdam: North-Holland Publishing Company.
24. Walker SI, Grover MA, Hud NV (2012) Universal sequence replication, reversible polymerization and early functional biopolimers: a model for the initiation of prebiotyc sequence evolution. PLoS One 7.
25. 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 Maj 7812
26. Carrasco N, Hiller DA, Strobel SA (2011) Minimal transition state charge stabilization of the oxyanion during peptide bond formation by the ribosome. Biochemistry 50: 10491-10498.
27. Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rich a (1970). Biochemistry 9: 2477-2483.
28. Fahnestock S, Rich a (1971). Nauka 173: 340-343.
29. Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, Krayevsky AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) synteza wiązania tioamidowego katalizowanego przez rybosomy E. Coli. FEBS Lett 68: 215-218.
30. 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.
31. Hartman MC, Josephson K, Lin CW, Szostak JW (2007) an expanded set of amino acid analogs for the ribosomal translation of unnatural peptides. PLoS ONE 2: e972.
32. Kang TJ, Suga H (2008) Rybosomalna synteza niestandardowych peptydów. Biochem Cell Biol 86: 92-99.
33. Ohta a, Murakami H, Suga H (2008) polimeryzacja alfa-hydroksykwasów przez rybosomy. ChemBioChem 9: 2773-2778.
34. Subtelny ao, Hartman MC, Szostak JW (2008) Rybosomalna synteza peptydów N-metylowych. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 Apr 6111.
35. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, Noller HF (1999) X-ray crystal structures of 70s ribosome functional complexes. Nauka 285: 2095-2104.
36. Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore Pb, Steitz TA (2000) The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 Å resolution. Nauka 289: 905-920.
37. Harms J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan a, Gat s, Agmon I, Bartels H, Franceschi F, Yonath a (2001) High resolution structure of the large ribosomal subunit from a mesophilic eubacterium. Komórka 107: 679-688.
38. Selmer m, Dunham CM, Murphy FV, Weixlbaumer a, Petry S, Kelley AC, Weir JR, Ramakrishnan V (2006) struktura rybosomu Lat 70. Nauka 313: 1935-1942.
39. Ben-Shem a, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) struktura krystaliczna rybosomu eukariotycznego. Nauka 330: 1203-1209.
40. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag a, Ban N (2011) Crystal structure of the eukariotic 40s ribosomal subunit in complex with initiation factor 1. Nauka 331: 730-736.
41. Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom a, Lieberman K,Earnest TN, Cate JH, Noller HF (2001) Crystal structure of the ribosome at 5.5 Å resolution. Science 292: 883-896.
42. Schuwirth BS, Borovinskaya MA, Hau CW, Zhang w, Vila-Sanjurjo A, Holton JM, Cate JH (2005) Structures of the bacterial ribosome at 3.5 Å resolution. Science 310: 827-834.
43. Ogle JM, Brodersen DE, Clemons WM, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) Recognition of cognate transfer RNA by the 30s ribosomal subunit. Science 292: 897-902.
44. Noller HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) niezwykła oporność transferazy peptydylowej na procedury ekstrakcji białek. Nauka 256: 1416-1419.
45. Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore Pb, Steitz TA (2000) the structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis. Nauka 289: 920-930.