doi biopolimeri au ajuns să domine mecanismele enzimatice și de codificare ale vieții contemporane: polipeptide și polinucleotide. Ambele molecule prezintă caracteristici de auto-asamblare deosebit de bine adaptate, deși folosesc strategii de auto-asamblare ortogonale. În viața contemporană, ribozomul permite fluxul de informații între acești doi biopolimeri Divergenți, dar corelați. Această revizuire discută relația dintre acești doi biopolimeri, cu accent pe evoluția timpurie a ribozomului.Charles Darwin a observat că”de la un început atât de simplu, formele nesfârșite, cele mai frumoase și cele mai minunate, au fost și sunt evoluate”. Acum știm că biodiversitatea pe Pământ crește și scade. Formele sunt evoluate și formele sunt stinse, dar nu la starea de echilibru. Explozia cambriană, în urmă cu aproximativ 540 de milioane de ani, a marcat o creștere relativ rapidă a diversității. Cataclismele, în special extincțiile Permian–Triasic (251 Mya) și Cretacic–Paleogen (65 Mya), au diminuat diversitatea.

viața este simplă. Dacă ne uităm la molecule, lărgimea diversității lui Darwin este văzută a fi iluzorie. Formele nu sunt nesfârșite și au rămas în esență constante în ultimii miliarde de ani de evoluție. Biologia timpurie a redus diversitatea moleculelor, mai degrabă decât să o escaladeze. Complexitatea chimică, integrată peste toate sistemele biologice de pe pământ, este mai mică decât diversitatea chiar și a unui mic sistem abiotic limitat, cum ar fi un meteorit chondritic sau unul dintre experimentele de descărcare prin scânteie ale lui Stanley Miller . La nivelul biopolimerilor, diversitatea este și mai uscată. Doar două coloane vertebrale polimerice, polinucleotida (ADN/ARN) și polipeptida (proteina), domină viața și sunt universale pentru aceasta. Proprietățile de auto-asamblare de neegalat ale polinucleotidelor și polipeptidelor au condus polimeri concurenți din biosferă.

de ce două coloane vertebrale polimerice? De ce nu unul sau trei? Care sunt caracteristicile distinctive ale biopolimerilor noștri? Aceste două formează un Yin și un Yang de structură biomoleculară (Figura 1). Schema de asamblare utilizată de polinucleotide este inversul direct al schemei utilizate de polipeptide. Polinucleotidele sunt polipeptide prin oglindă și invers.

polinucleotidele se asamblează prin interacțiuni de legare a hidrogenului între lanțurile laterale (adică între baze, Figura 2). Coloana vertebrală este auto-respingătoare și se află în exteriorul miezului lat lateral, expus mediului apos (Figura 3). În împerecherea Watson-Crick între baze , aranjamentul spațial al donatorilor/acceptorilor de legături de hidrogen ai citozinei este complementar cu cel al guaninei. Adenina este complementară timinei / uracilului. Planaritățile bazelor nucleotidice sunt, de asemenea, critice pentru asamblarea lor. Stivuirea bază-bază (Figura 3) este cel puțin la fel de importantă pentru stabilitate ca asocierea bazei . ARN – ul este mai complex decât ADN-ul, cu multe perechi de baze non-canonice.

Polipeptidele se asamblează prin interacțiuni de legare a hidrogenului între atomii coloanei vertebrale (Figura 4). Coloana vertebrală polipeptidică este auto-complementară și coezivă, cu donatori și acceptori de legare a hidrogenului distanțați corespunzător. Auto-complementaritatea polipeptidei se aplică atât în foi-elice, cât și în foi-foi, care sunt elementele de asamblare dominante ale proteinelor pliate. Atât pentru foile de tip X-X, cât și pentru cele de tip X-X, toți donatorii și acceptorii de legare a hidrogenului sunt satisfăcuți, iar lanțurile laterale sunt îndreptate spre exterior, departe de miezul coloanei vertebrale. Prin urmare, coloana vertebrală polipeptidică conține un comutator inerent: helicele și foile pot interconverti.

putem întreba dacă biologia așa cum o știm necesită exact două tipuri converse de biopolimeri dominanți, un Yin și un Yang de auto-asamblare (Figura 1). Aș spune da. Polipeptida funcțională și polinucleotida informațională s-au născut reciproc într-un dans extravagant de co-evoluție. Nu a existat nici o lume ARN , așa cum este descris convențional, în opinia mea. Acești polimeri polari opuși sunt interconectați și interdependenți în rădăcinile lor evolutive cele mai profunde. Funcțiile distinctive și necesare ale celor doi polimeri dominanți ai biologiei sunt indicate direct de schemele lor de auto-asamblare. Așa cum au exprimat Watson și Crick , ” împerecherea specifică pe care am postulat-o sugerează imediat un posibil mecanism de copiere a materialului genetic.”Structurile pliate ale proteinelor fibroase și globulare, care sunt compuse în primul rând din helice-uri și foi-URI-uri, semnalează în mod similar funcțiile lor.

traducerea și ribozomul. În traducere, informațiile sunt transduse de la polinucleotidă la polipeptidă. În timpul traducerii, yin-ul biologiei se conectează direct cu Yang-ul. Deoarece principiile de asamblare ale acestor doi polimeri sunt conversații între ele (lanț lateral-lanț lateral versus coloană vertebrală-coloană vertebrală), este necesar un proces elaborat de templare indirectă pentru procesul de transducție. Ansamblurile macromoleculare de traducere, compuse atât din polinucleotide, cât și din polipeptide, îndeplinesc această sarcină și, făcând acest lucru, definesc viața și disting viața de non-viață.

ribozomul este compus dintr-o subunitate mică (SSU) care decodifică mesajul și o subunitate mare (LSU) care catalizează transferul peptidil. Ribozomul și traducerea sunt unele dintre cele mai directe conexiuni ale noastre cu trecutul evolutiv profund și cu originea vieții. Această coterie de macromolecule și ioni este cea mai bine conservată dintre mașinile moleculare antice ale vieții și este compusă din coloane, secvențe și ansambluri de polimeri primordiali, congelați.

modelul de Coopțiune al evoluției ribozomale. Cel mai larg acceptat model de evoluție ribozomală este „modelul coopțiunii” . În acest model, (a) strămoșii SSU și LSU au provenit și au evoluat independent unul de celălalt, cu funcționalități autonome, (b) un strămoș al LSU, incompetent pentru asamblarea cu SSU, conținea PTC (Centrul peptidil transferazei) și a catalizat producția necodificată de oligomeri eterogeni de peptide, esteri, tioesteri și potențial alți polimeri, un strămoș al SSU a avut o funcție mai tentativă, dar poate a implicat polimerizarea ARN, (d) unele dintre produsele oligomer necodificate ale PTC legat de LSU în curs de formare, conferind avantaj, (e) ancestral Funcțiile LSU și SSU legate, într-un proces de coopțiune, permițând sinteza proteinelor codificate și (f) oligomerii necodificați ai polimerilor sintetizați asociați cu LSU ancestral fosilizat în cozile proteinelor ribozomale care pătrund adânc în LSU existent. În modelul coopției și alte modele de evoluție ribozomală, modificările asupra evoluției sunt limitate la cele care mențin PTC și decodează structura și funcția. Nucleul catalitic al LSU și Centrul de decodare al SSU sunt ansambluri înghețate care precedă relația de cooperare dintre LSU și SSU.

o enzimă antică”.”Mașina de traducere catalizează condensarea, una dintre cele mai vechi și mai durabile transformări chimice ale biologiei . Doi aminoacizi sunt uniți, formând o legătură peptidică și eliberând o moleculă de apă, într-o transformare chimică antică care precede biologia. Dacă se îndepărtează sau se înlocuiește componente de translație mai moderne, cum ar fi aminoacil Arnt sintetazele și subunitatea ribozomală mică, nucleul catalitic al ribozomului, PTC, este văzut pentru a afișa toate semnele distinctive ale unei enzime antice. Aici, cuvântul „enzimă” este destinat să desemneze un catalizator biologic și nu implică faptul că a fost făcut din proteine. PTC existent păstrează o capacitate de condensare nespecifică. Este o capcană brută de entropie care, spre deosebire de enzimele moderne, este incapabilă să stabilizeze în mod specific o stare de tranziție . PTC a păstrat capacitatea de a forma o mare varietate de produse de condensare, inclusiv peptide, esteri, tioesteri etc. . PTC ancestral a fost un” producător de cârnați”, producând un amestec necodificat de oligomeri eterogeni scurți prin condensare.

rezistență la schimbare. Viața, în esența sa biochimică, este cel mai rezistent și robust sistem chimic din universul cunoscut. Metaboliții cu molecule mici, coloana vertebrală a polimerilor, transformările chimice și sistemele biochimice complexe pe care le observăm astăzi în lumea biologică sunt trasabile la sistemele chimice biotice timpurii și chiar prebiotice . Multe dintre moleculele și procesele vieții sunt profund înghețate și au rămas invariante de-a lungul unor perioade vaste de timp. La nivel chimic, lumea biologică din jurul nostru conține „fosile vii” care au o vechime de peste 3 miliarde de ani. Le împărțim conceptual în fosile moleculare (aminoacizi, polipeptide, perechi de baze, nucleozide, fosfați, polinucleotide, centre de fier-sulf și unele secvențe de polimeri) și procesăm fosile (condensare, hidroliză, fosforilare, traducere și gluconeogeneză).viața existentă ne permite să deducem molecule, căi, structuri și ansambluri ale vieții antice. Viața își păstrează propria istorie și ne poate învăța acea istorie. Exploatarea fosilelor moleculare și de proces ale vieții este una dintre cele mai bune abordări ale noastre pentru înțelegerea biologiei antice și a originii vieții.

o mașină moleculară a timpului. Informații importante despre ribozom au fost dezvăluite de structuri tridimensionale de înaltă rezoluție din regiuni disparate ale arborelui evolutiv . Am creat o mașină a timpului molecular prin sculptarea computațională a LSU într-o ceapă (Figura 5), cu PTC la bază . Aproximăm procesul de evoluție ribozomală ca acumulare a cojilor de ceapă. Se poate merge înapoi sau înainte în timp, trecând de la coajă la coajă în ceapă. Cea mai veche parte a cepei ribozomale este centrul (PTC).

ceapa ribozomală oferă o poveste detaliată și auto-consistentă a tranzițiilor biologice antice. Densitatea proteinelor ribozomale este scăzută în centrul cepei și este ridicată în cojile exterioare (figura 6A). Astfel, ribozomul conține o înregistrare a introducerii și încorporării proteinelor codificate în biologie și a dezvoltării lumii ADN/ARN/proteine. Segmentele proteice ribozomale din apropierea centrului cepei se află în conformații neobișnuite ‘necanonice’, dar în învelișurile exterioare ale cepei sunt pliate în forme globulare convenționale compuse din spirale și foi de inele (figura 6B). Ribozomul a înregistrat Istoricul plierii proteinelor.

ribozomul ca ceapă este un dispozitiv pentru colectarea și interpretarea unei cantități masive de informații detaliate despre biochimia antică. Aici am atins introducerea polipeptidelor în biologie și dezvoltarea proteinelor pliate. Ribozomul este un depozit bogat de informații diverse pentru cei interesați de procesele evolutive antice și de originea vieții.

rezumat. Biochimia este predată în mod obișnuit ca fapte, structuri și reacții izolate, scoase din contextul lor explicativ. O înțelegere rezonabilă a celor mai profunde și mai largi întrebări din biologie necesită o abordare integrată. Structura proteinelor poate fi înțeleasă numai în contextul structurii ADN/ARN și invers. Relația inversă a polipeptidei cu ansamblul polinucleotidic este clară doar prin comparație și ne informează direct înțelegerea formei, funcției și evoluției. Starea actuală slabă de integrare în biochimie este ilustrată în manualele moderne, care, în general, continuă să propage schema de organizare a primului manual de Biochimie al lui lehninger (1975). Structura proteinelor este predată ca irelevantă și complet deconectată de structura acidului nucleic.

referințe.Darwin c (1859) Originea speciilor. O virgulă a fost introdusă în această frază, pentru claritate.

Callahan MP, Smith KE, scindează HJ, 2, Ruzicka J, Stern JC, GLAVIN DP, Casa CH, Dworkin JP (2011) meteoriți carbonici conțin o gamă largă de nucleobaze extraterestre. 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) diversitatea moleculară ridicată a materiei organice extraterestre în meteoritul murchison a fost dezvăluită la 40 de ani de la căderea sa. Proc Natl Acad Sci U S A 107: 2763-2768.

Johnson AP, scindează HJ, Dworkin JP, GLAVIN DP, Lazcano A, Bada JL (2008) experimentul miller vulcanice scânteie de descărcare de gestiune. Știință 322: 404.

Bean HD, Lynn DG, HUD NV (2009) auto-asamblare și originea primilor polimeri asemănători ARN-ului. Evoluția chimică II: de la originile vieții la societatea modernă 1025: 109-132.Watson JD, Crick FH (1953) structura moleculară a acizilor nucleici: o structură pentru acidul nucleic deoxiriboză. Natură 171: 737-738.

Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006) contribuții de stivuire a bazei și de asociere a bazei în stabilitatea termică a helixului dublu ADN. Acizi Nucleici Res 34: 564-574.Sugimoto n, Kierzek R, Turner DH (1987) dependența secvenței pentru energetica capetelor suspendate și a perechilor de baze terminale în acidul ribonucleic. Biochimie 26: 4554-4558.Gilbert w (1986) originea vieții: lumea ARN. Natură 319: 618-618.

Zuckerkandl e, Pauling L (1965) molecule ca documente ale istoriei evolutive. J Theor Biol 8: 357-366.

Benner sa, Ellington AD, Tauer A (1989) metabolismul Modern ca palimpsest al lumii ARN. Proc Natl Acad Sci U S A 86: 7054-7058.Westheimer FH (1987) De ce natura a ales fosfații. Știință 235: 1173-1178.

Woese CR (2001) traducere: în retrospectivă și perspectivă. ARN 7: 1055-1067.

Hsiao C, Williams LD (2009) un motiv recurent de legare a magneziului oferă un cadru pentru centrul peptidil transferazei ribozomale. Acizi Nucleici Res 37: 3134-3142.

Cech TR (2009) târându-se din lumea ARN. Celula 136: 599-602.

Fox Ge (2010) originea și evoluția ribozomului. Rece de primăvară Harb Perspect Biol 2: a003483.

Hud NV, Lynn DG (2004) de la originile vieții la o biologie sintetică. Curr Opin Chem Biol 8: 627-628.

Woese CR (2000) interpretarea arborelui filogenetic universal. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.

Hsiao c, Mohan s, Kalahar BK, Williams LD (2009) Peeling ceapa: ribozomii sunt fosile moleculare antice. Mol Biol Evol 26: 2415-2425.

Bokov K, Steinberg SV (2009) un model ierarhic pentru evoluția ARN ribozomal 23S. Natură 457: 977-980.

Noller HF (2010) evoluția sintezei proteinelor dintr-o lume ARN. Rece De Primăvară Harb Perspect Biol 7: 7.

Rich a (1971) posibila participare a esterilor, precum și a amidelor la polimerii prebiotici. În: Buvet R, Ponnamperuma C, editori. Evoluția chimică și originea vieții. Amsterdam: North-Holland Publishing Company.

Walker si, Grover MA, Hud NV (2012) replicarea secvenței universale, polimerizarea reversibilă și biopolimerii funcționali timpurii: un model pentru inițierea evoluției secvenței prebiotice. PLoS Unu 7.

Sievers a, Beringer M, Rodnina MV, Wolfenden R (2004) ribozomul ca o capcană de entropie. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 7897-7901. Epub 2004 Mai 7812.

Carrasco n, Hiller DA, Strobel SA (2011) stabilizarea sarcinii minime de tranziție a oxianionului în timpul formării legăturii peptidice de către ribozom. Biochimie 50: 10491-10498.

Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rich a (1970) formarea esterului catalizat de ribozomi. Biochimie 9: 2477-2483.

Fahnestock s, Rich A (1971) formarea poliesterului catalizat de ribozomi. Știință 173: 340-343.

Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, Krayevsky AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) sinteza legăturii de tioamidă catalizată de ribozomii E. Coli. Februarie Lett 68: 215-218.

Tan ZP, Forster AC, Blacklow SC, Cornish VW (2004) specificitatea coloanei vertebrale de aminoacizi a mașinilor de traducere Escherichia coli. J Am Chem Soc 126: 12752-12753.

Hartman Mc, Josephson K, Lin CW, Szostak JW (2007) un set extins de analogi de aminoacizi pentru traducerea ribozomală a peptidelor nenaturale. PLoS Unul 2: e972.

Kang TJ, Suga H (2008) sinteza ribozomală a peptidelor nestandardizate. Biol De Celule Biochem 86: 92-99.

Ohta a, Murakami H, Suga H (2008) polimerizarea acizilor alfa-hidroxi prin ribozomi. ChemBioChem 9: 2773-2778.

Subtelny AO, Hartman MC, Szostak JW (2008) sinteza ribozomală a peptidelor N-metil. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 Aprilie 6111.

Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, noller HF (1999) structuri cristaline cu raze X ale complexelor funcționale ribozomale din anii 70. Știință 285: 2095-2104.

Ban n, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (2000) structura atomică completă a subunității ribozomale mari la rezoluția de 2,4%. Știință 289: 905-920.

Harms J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan A, Gat S, Agmon I, Bartels H, Franceschi F, Yonath a (2001) structura de înaltă rezoluție a subunității ribozomale mari dintr-un Eubacterium mezofil. Celula 107: 679-688.

Selmer m, Dunham CM, Murphy FV, Weixlbaumer a, Petry s, Kelley AC, Weir JR, Ramakrishnan V (2006) structura ribozomului anilor ‘ 70 complexat cu ARNm și Arnt. Știință 313: 1935-1942.

Ben-Shem a, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) structura cristalină a ribozomului eucariot. Știință 330: 1203-1209.

Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag a, Ban N (2011) structura cristalină a subunității ribozomale eucariote 40s în complex cu factor de inițiere 1. Știință 331: 730-736.

Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom A, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, noller HF (2001) structura cristalină a ribozomului la rezoluția de 5,5 milimetri. Știință 292: 883-896.

Schuwirth BS, Borovinskaya MA, Hau CW, Zhang W, Vila-Sanjurjo a, Holton JM, Cate JH (2005) structuri ale ribozomului bacterian la rezoluția de 3,5 la sută. Știință 310: 827-834.

Ogle JM, Brodersen DE, Clemons WM, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) recunoașterea ARN-ului de transfer înrudit de către subunitatea ribozomală 30S. Știință 292: 897-902.

Noller HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) rezistență neobișnuită a peptidil transferazei la procedurile de extracție a proteinelor. Știință 256: 1416-1419.

Nissen P, Hansen J, Ban n, Moore PB, Steitz TA (2000) baza structurală a activității ribozomilor în sinteza legăturilor peptidice. Știință 289: 920-930.