Dois biopolímeros têm vindo a dominar o enzimática e de codificação de maquinaria da vida contemporânea: polipeptídeos e polynucleotides. Estas moléculas apresentam características de auto-montagem extremamente bem adaptadas, embora empregando estratégias ortogonais de auto-montagem. Na vida contemporânea, o ribossoma permite o fluxo de informação entre estes dois biopolímeros divergentes, mas correlacionados. Esta revisão discute a relação entre estes dois biopolímeros, com foco na evolução inicial do ribossomo.Charles Darwin observou que “… de um começo tão simples, formas infinitas mais belas e maravilhosas têm sido, e estão sendo, evoluídas”. Sabemos agora que a biodiversidade na terra depila e diminui. As formas estão a ser desenvolvidas e as formas estão a ser extintas, mas não em estado estacionário. A explosão cambriana, há cerca de 540 milhões de anos, marcou um aumento relativamente rápido da diversidade. Cataclismos, especialmente as extinções Permiano–Triássicas (251 Mya) e Cretáceo–Paleogeno (65 Mya), diminuíram a diversidade.

A vida é simples. Se olharmos para as moléculas, a amplitude da diversidade de Darwin é vista como ilusória. As formas não são infinitas, e permaneceram essencialmente constantes nos últimos bilhões de anos de evolução. A biologia precoce restringiu a diversidade das moléculas, em vez de aumentá-la. A complexidade química, integrada em todos os sistemas biológicos da terra, é menor do que a diversidade de um pequeno sistema abiótico confinado, como um meteorito condrítico ou um dos experimentos de descarga de faísca de Stanley Miller . No nível de biopolímeros, a diversidade é ainda mais murcha. Apenas duas backbones de polímero, polinucleótido (DNA / RNA) e polipeptídeo (proteína), dominam a vida e são universais a ela. As propriedades de auto-montagem sem paralelo de polinucleótidos e polipeptídeos têm conduzido polímeros concorrentes da Biosfera.porquê duas backbones de polímero? Porque não um, ou três? Quais são as características distintivas dos nossos biopolímeros? Estes dois formam um Yin e um Yang de estrutura biomolecular (Figura 1). O esquema de montagem utilizado pelos polinucleótidos é o inverso direto do esquema utilizado pelos polipeptídeos. Polinucleótidos são polipeptídeos através do espelho, e vice-versa.

polinucleótidos reúnem-se por interações de ligação de hidrogénio entre sidecains (isto é, entre bases, Figura 2). A espinha dorsal é auto-repulsiva, e está no exterior do núcleo de sidechain, exposta ao ambiente aquoso (Figura 3). In Watson-Crick pairing between bases, the spatial arrangement of hydrogen bond Doors/acceptors of citosina is complementary to that of guanine. A adenina é complementar à timina/uracilo. As planaridades das bases nucleotídicas também são críticas para a sua montagem. Empilhamento Base-base (Figura 3) é pelo menos tão importante para a estabilidade como emparelhamento base . O RNA é mais complexo que o DNA, com muitos pares de bases “não – canônicos”.os polipeptídeos reúnem-se por ligações de hidrogénio entre átomos da coluna vertebral (Figura 4). A espinha dorsal dos polipeptídeos é auto-complementar e coesa, com doadores e aceitadores de hidrogênio devidamente espaçados. A auto-complementaridade do polipéptido aplica-se tanto em α-hélices como em β-folhas, que são os elementos de montagem dominantes das proteínas dobradas. Para ambos os hélices α e β-sheets, todos os doadores de ligação de hidrogênio e aceitadores são satisfeitos e os sidechains são direcionados para fora, longe do núcleo da espinha dorsal. Portanto, a espinha dorsal do polipeptídeo contém um interruptor inerente: hélices e folhas podem interconverter.

podemos perguntar se a biologia como a conhecemos requer exatamente dois tipos conversos de biopolímeros dominantes, um Yin e um Yang de auto-montagem (Figura 1). Eu diria que sim. O polipéptido funcional e o polinucleótido informacional deram origem um ao outro em uma dança extravagante de co-evolução. Não havia mundo RNA, como convencionalmente descrito , na minha opinião. Estes polímeros polares opostos estão interligados e interdependentes nas suas raízes evolutivas mais profundas. As funções distintivas e necessárias dos dois polímeros dominantes da biologia são diretamente indicadas por seus esquemas de auto-montagem. Como expresso por Watson e Crick, ” o emparelhamento específico que temos postulado imediatamente sugere um possível mecanismo de cópia para o material genético.”The folded structures of fibrous and globular proteins, which are composed primarily of α-hélices and β-sheets, similarly signal their functions.Tradução e ribossoma. Em Tradução, a informação é transduzida do polinucleótido para o polipéptido. Durante a tradução, O Yin da biologia conecta-se diretamente com o Yang. Uma vez que os princípios de montagem destes dois polímeros são convergentes entre si (sidechain-sidechain versus backbone-backbone), um processo elaborado de templação indireta é necessário para o processo de transdução. Os conjuntos macromoleculares de tradução, compostos de polinucleótido e polipéptido, realizam esta tarefa, e ao fazê-lo, definem a vida e distinguem a vida da não-vida.

o ribossomo é composto por uma pequena subunidade (SSU) que descodifica a mensagem e uma grande subunidade (LSU) que catalisa a transferência peptidila. O ribossoma e a tradução são algumas de nossas conexões mais diretas com o passado evolutivo profundo e com a origem da vida. Esta coteria de macromoléculas e íons é a melhor preservada das antigas máquinas moleculares da vida, e é composta de primordial, congelado backbones de polímero, sequências e conjuntos.

O modelo de Coopção da evolução Ribossómica. O modelo mais amplamente aceito da evolução ribossômica é o “modelo de cooption” . Neste modelo, (a) os antepassados da SSU e LSU se originou e evoluiu de forma independente uns dos outros, com autónoma funcionalidades, (b) um antepassado do LSU, incompetente para a montagem com a SSU, continha o PTC (Peptidyl Transferase, Centro), e catalisada não codificada da produção heterogéneo de oligômeros de peptídeos, ésteres, thioesters, e, potencialmente, outros polímeros , © um ancestral do SSU tinha uma função que foi mais provisório, mas pode ter envolvido RNA de polimerização, (d) alguns dos não-codificados oligómero de produtos da PTC vinculado ao nascente LSU, conferindo vantagem, (e) ancestral As funções LSU e SSU ligadas, num processo de coopção, permitindo a síntese de proteínas codificada, e f) Os oligómeros não codificados de polímeros sintetizados associados ao LSU ancestral fossilizado nas caudas de proteínas ribossómicas que penetram profundamente no LSU existente. No modelo de cooption, e outros modelos de evolução ribossômica, as mudanças sobre evolução são restritas àqueles que mantêm a estrutura e função PTC e decodificação. O núcleo catalítico da LSU, e o centro de decodificação da SSU, são conjuntos congelados que antecedem a relação de cooperação entre a LSU e a SSU.

uma enzima antiga.”The translation machinery catalyzes condensation, one of biology’s oldest and most enduring chemical transformations . Dois aminoácidos são unidos, formando uma ligação peptídica e liberando uma molécula de água, em uma antiga transformação química que antecede a biologia. Se uma tira ou sobrepõe componentes translacionais mais modernos como as sintetases aminoacil tRNA e a pequena subunidade ribossómica, o núcleo catalítico do ribossoma, o PTC, é visto para exibir todas as marcas de uma enzima antiga. Aqui, a palavra “enzima” destina-se a denotar um catalisador biológico e não implica que ele foi feito de proteína. O PTC existente mantém a capacidade de condensação não específica. É uma Armadilha de entropia que, ao contrário das enzimas modernas, é incapaz de estabilizar especificamente um estado de transição . O PTC manteve a capacidade de formar uma grande variedade de produtos de condensação, incluindo peptídeos, ésteres, tioésteres, etc. . O PTC ancestral era um” fabricante de salsichas”, produzindo uma mistura não codificada de pequenos oligômeros heterogêneos por condensação.resistência à mudança. A vida, na sua essência bioquímica, é o sistema químico mais resistente e robusto do universo conhecido. Metabolitos de pequenas moléculas, backbones poliméricos, transformações químicas e sistemas bioquímicos complexos que observamos no mundo biológico de hoje são rastreáveis aos primeiros sistemas químicos bióticos e mesmo pré-bióticos . Muitas das moléculas e processos da vida estão profundamente congelados, e têm permanecido invariáveis ao longo de vastas escalas de tempo. Em um nível químico, o mundo biológico ao nosso redor contém “fósseis vivos” que são facilmente mais de 3 bilhões de anos de idade. Nós os dividimos conceitualmente em fósseis moleculares (aminoácidos, polipéptidos, pares de bases, nucleósidos, fosfatos, polinucleótidos, centros ferro-enxofre, e algumas sequências de polímeros) e processamos fósseis (condensação, hidrólise, fosforilação, tradução e gluconeogênese).a vida existente nos permite inferir moléculas, caminhos, estruturas e conjuntos da vida antiga. A vida mantém a sua própria história e pode ensinar-nos essa história. Minerar os fósseis moleculares e de processo da vida é uma das nossas melhores abordagens para compreender a biologia antiga e a origem da vida. uma máquina do tempo Molecular. Informações importantes sobre o ribossoma foram reveladas por estruturas tridimensionais de alta resolução de diferentes regiões da árvore evolucionária . Nós criamos uma máquina do tempo molecular por computacionalmente esculpindo o LSU em uma cebola (Figura 5), com o PTC no núcleo . Aproximamos o processo de evolução ribossómica como acreção de conchas da cebola. Pode-se andar para trás ou para a frente no tempo, movendo-se da casca para a casca na cebola. A parte mais antiga da cebola ribossómica é o centro (PTC).

a cebola ribossómica fornece uma história detalhada e auto-consistente de transições biológicas antigas. A densidade das proteínas ribossomais é baixa no centro da cebola e é alta nas conchas exteriores (figura 6A). Assim, o ribossoma contém um registro da introdução e incorporação de proteínas codificadas na biologia, e o desenvolvimento do mundo DNA/RNA/proteína. Os segmentos proteicos ribossómicos próximos do centro da cebola estão em conformações “não canónicas” incomuns, mas nas conchas exteriores da cebola são dobrados em formas globulares convencionais compostas por α-hélices e β-folhas (figura 6B). O ribossoma registrou a história da dobragem de proteínas.

o ribossomo como cebola é um dispositivo para coletar e interpretar uma grande quantidade de informações detalhadas sobre a bioquímica antiga. Aqui tocamos na introdução de polipeptídeos à biologia e no desenvolvimento de proteínas dobradas. O ribossoma é um rico repositório de informações diversas para aqueles interessados em processos evolutivos antigos e na origem da vida.resumo A bioquímica é comumente ensinada como fatos, estruturas e reações isoladas, retiradas de seu contexto explicativo. Uma compreensão razoável das questões mais profundas e amplas da biologia requer uma abordagem integrada. A estrutura proteica só pode ser entendida no contexto da estrutura DNA/RNA, e vice-versa. A relação inversa do polipéptido com o conjunto polinucleótido é apenas Clara por comparação, e informa diretamente a nossa compreensão da forma, função e evolução. The current poor state of integration in biochemistry is illustrated in modern textbooks, which generally continue to propagate the organization scheme of Lehninger’s first biochemistry textbook (1975). A estrutura proteica é ensinada como irrelevante e totalmente desconectada da estrutura de ácido nucleico.

referências.Darwin C (1859) a origem das espécies. Foi inserida uma vírgula nesta frase, para maior clareza.Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, 2nd, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP (2011) Carbonaceous meteorites contain a wide range of extraterrestrial nucleobases. Proc Natl Acad Sci U S A 108: 13995-13998.