två biopolymerer har kommit att dominera det enzymatiska och kodande maskineriet i samtida liv: polypeptider och polynukleotider. Dessa molekyler uppvisar båda utsökt väl anpassade självmonteringsegenskaper, om än med hjälp av ortogonala självmonteringsstrategier. I samtida liv möjliggör ribosomen informationsflödet mellan dessa två divergerande, men ändå korrelerade biopolymerer. Denna översyn diskuterar förhållandet mellan dessa två biopolymerer, med fokus på den tidiga utvecklingen av ribosomen.Charles Darwin konstaterade att ”från en så enkel början har oändliga former som är vackraste och mest underbara utvecklats och håller på att utvecklas”. Vi vet nu att biologisk mångfald på jorden växer och avtar. Former utvecklas och former släcks, men inte i steady state. Den kambriska explosionen, för cirka 540 miljoner år sedan, markerade en relativt snabb ökning av mångfalden. Katastrofer, särskilt Permian-Triassic (251 Mya) och Cretaceous–Paleogene (65 Mya) utrotningar, minskad mångfald.

livet är enkelt. Om man tittar på molekyler, Darwins bredd av mångfald ses som illusorisk. Formerna är inte oändliga, och de har förblivit väsentligen konstanta under de senaste miljarder åren av evolutionen. Tidig biologi minskade mångfalden av molekyler, snarare än att eskalera den. Kemisk komplexitet, integrerad över alla biologiska system på jorden, är lägre än mångfalden av till och med ett litet begränsat abiotiskt system, såsom en kondritisk meteorit eller ett av Stanley Millers gnisturladdningsexperiment . På nivån av biopolymerer är mångfalden ännu mer uttorkad. Bara två polymerben, polynukleotid (DNA/RNA) och polypeptid (protein) dominerar livet och är universella för det. De oöverträffade självmonteringsegenskaperna hos polynukleotider och polypeptider har drivit konkurrerande polymerer från biosfären.

varför två polymer backbones? Varför inte en eller tre? Vilka är de främsta egenskaperna hos våra biopolymerer? Dessa två bildar en Yin och en Yang av biomolekylär struktur (Figur 1). Monteringsschemat som används av polynukleotider är den direkta konversen av det schema som används av polypeptider. Polynukleotider är polypeptider genom glaset och vice versa.

polynukleotider monteras genom vätebindningsinteraktioner mellan sidokedjor (dvs mellan baser, Figur 2). Ryggraden är självrepulsiv och ligger på utsidan av sidokedjekärnan, utsatt för den vattenhaltiga miljön (Figur 3). I Watson-Crick-parning mellan baser är det rumsliga arrangemanget av vätebindningsgivare/acceptorer av cytosin komplementärt till guanins. Adenin är komplementärt till tymin / uracil. Planariteterna hos nukleotidbaserna är också kritiska för deras montering. Bas-bas stapling (Figur 3) är minst lika viktigt för stabilitet som bas parning . RNA är mer komplex än DNA, med många ’icke – kanoniska’ baspar.

polypeptider monteras genom vätebindningsinteraktioner mellan atomer i ryggraden (Figur 4). Polypeptid-ryggraden är självkomplementär och sammanhängande, med lämpligt åtskilda vätebindningsdonatorer och acceptorer. Självkomplementariteten hos polypeptid gäller både i OC-spiraler eller i OC-ark, vilka är de dominerande monteringselementen i vikta proteiner. För både 6x-spiraler och xnumx-ark är alla vätebindningsdonatorer och acceptorer nöjda och sidokedjorna riktas utåt, bort från ryggraden. Därför innehåller polypeptid-ryggraden en inneboende omkopplare: spiraler och ark kan interkonverteras.

Vi kan fråga om biologi som vi känner det kräver exakt två converse typer av dominerande biopolymerer, en Yin och en Yang av självmontering (Figur 1). Jag skulle säga ja. Den funktionella polypeptiden och den informativa polynukleotiden gav upphov till varandra i en extravagant dans av samutveckling. Det fanns ingen RNA-värld , som konventionellt beskrivits, enligt min åsikt. Dessa polära motsatta polymerer är sammankopplade och beroende av varandra i sina djupaste evolutionära rötter. De särskiljande och nödvändiga funktionerna hos biologins två dominerande polymerer indikeras direkt av deras system för självmontering. Som uttryckt av Watson och Crick , ” den specifika parningen vi har postulerat föreslår omedelbart en möjlig kopieringsmekanism för det genetiska materialet.”De vikta strukturerna av fibrösa och klotformiga proteiner, som huvudsakligen består av kokos-spiraler och kokos-ark, signalerar på samma sätt deras funktioner.

översättning och ribosomen. I översättning omvandlas information från polynukleotid till polypeptid. Under översättningen ansluter Yin av biologi direkt till Yang. Eftersom monteringsprinciperna för dessa två polymerer är samtal av varandra (sidokedja-sidokedja kontra ryggrad-ryggrad) krävs en utarbetad process för indirekt mallning för transduktionsprocessen. De makromolekylära översättningsenheterna, som består av både polynukleotid och polypeptid, utför denna uppgift och definierar därmed liv och skiljer liv från icke-liv.

ribosomen består av en liten subenhet (SSU) som avkodar meddelandet och en stor subenhet (LSU) som katalyserar peptidylöverföring. Ribosomen och översättningen är några av våra mest direkta kopplingar till det djupa evolutionära förflutna och till livets ursprung. Denna kotteri av makromolekyler och joner är den bäst bevarade av livets gamla molekylära maskiner, och den består av primordiala, frysta polymerben, sekvenser och sammansättningar.

Cooptionsmodellen för Ribosomal Evolution. Den mest accepterade modellen för ribosomal evolution är ”cooption-modellen”. I denna modell, (A) förfäder till SSU och LSU har sitt ursprung och utvecklats oberoende av varandra, med autonoma funktioner, (b) en förfader till LSU, inkompetent för montering med SSU, innehöll PTC (Peptidyltransferascentrum), och katalyserad icke-kodad produktion av heterogena oligomerer av peptider, estrar, tioestrar och potentiellt andra polymerer, hade en förfader till SSU en funktion som var mer preliminär men kan ha involverat RNA-polymerisation, (d) några av de icke-kodade oligomerprodukterna från PTC-bundna till den framväxande LSU, som ger fördel, (e) förfäder LSU-och SSU-funktioner länkade, i en kooptionsprocess, vilket möjliggör kodad proteinsyntes, och (f) de icke-kodade oligomererna av syntetiserade polymerer associerade med förfäderna LSU fossiliserade i svansarna av ribosomala proteiner som tränger djupt in i den existerande LSU. I cooption-modellen och andra modeller av ribosomal evolution är förändringar över evolutionen begränsade till de som upprätthåller PTC och avkodningsstruktur och funktion. Den katalytiska kärnan i LSU, och avkodningscentret för SSU, är frysta enheter som föregår samarbetsförhållandet mellan LSU och SSU.

ett gammalt ” enzym.”Översättningsmaskineriet katalyserar kondens, en av biologins äldsta och mest bestående kemiska omvandlingar . Två aminosyror förenas, bildar en peptidbindning och frigör en vattenmolekyl, i en gammal kemisk omvandling som föregår biologi. Om man tar bort eller åsidosätter mer moderna translationella komponenter såsom aminoacyl tRNA-syntetaser och den lilla ribosomala subenheten, ses den katalytiska kärnan i ribosomen, PTC, för att visa alla kännetecken för ett gammalt enzym. Här är ordet ”enzym” avsett att beteckna en biologisk katalysator och innebär inte att den var gjord av protein. Den befintliga PTC behåller en kapacitet för icke-specifik kondensation. Det är en rå entropifälla som, till skillnad från moderna enzymer, inte kan stabilisera ett övergångstillstånd specifikt . PTC har behållit förmågan att bilda en mängd olika kondensprodukter inklusive peptider, estrar, tioestrar etc. . Förfädernas PTC var en” korvtillverkare ” som producerade en icke-kodad blandning av korta heterogena oligomerer genom kondensation.

motstå förändring. Livet, vid dess biokemiska väsen, är det mest motståndskraftiga och robusta kemiska systemet i det kända universum. Småmolekylära metaboliter, polymerben, kemiska omvandlingar och komplexa biokemiska system som vi observerar i den biologiska världen idag kan spåras till tidiga biotiska och till och med prebiotiska kemiska system . Många av livets molekyler och processer är djupt frusna och har förblivit oförändrade över stora tidsskalor. På kemisk nivå innehåller den biologiska världen omkring oss” levande fossiler ” som lätt är över 3 miljarder år gamla. Vi delar konceptuellt dessa i molekylära fossiler (aminosyror, polypeptider, baspar, nukleosider, fosfater, polynukleotider, järnsvavelcentra och vissa polymersekvenser) och processfossiler (kondensation, hydrolys, fosforylering, översättning och glukoneogenes).

bevarat liv tillåter oss att härleda molekyler, vägar, strukturer och församlingar i det antika livet. Livet behåller sin egen historia och kan lära oss den historien. Att bryta livets molekylära och processfossiler är en av våra bästa metoder för att förstå forntida biologi och livets ursprung.

en molekylär tidsmaskin. Viktig information om ribosomen har avslöjats av högupplösta, tredimensionella strukturer från olika regioner i det evolutionära trädet . Vi skapade en molekylär tidsmaskin genom att beräkna LSU i en lök (Figur 5), med PTC i kärnan . Vi approximerar processen med ribosomal utveckling som accretion av lökskal. Man kan gå bakåt eller framåt i tiden, genom att flytta från skal till skal i löken. Den äldsta delen av ribosomal lök är centrum (PTC).

den ribosomala löken ger en detaljerad och självkonsistent berättelse om gamla biologiska övergångar. Tätheten av ribosomala proteiner är låg i mitten av löken och är hög i de yttre skalen (figur 6A). Således innehåller ribosomen ett register över införandet och införlivandet av kodat protein i biologi och utvecklingen av DNA/RNA/Proteinvärlden. Ribosomala proteinsegment nära mitten av löken är i ovanliga ’icke-kanoniska’ konformationer, men i de yttre skalen av löken viks till konventionella klotformiga former som består av kokos-spiraler och kokos-ark (figur 6B). Ribosomen registrerade historien om proteinvikningen.

ribosomen som lök är en anordning för att samla in och tolka en enorm mängd detaljerad information om forntida biokemi. Här har vi berört introduktionen av polypeptider till biologi och på utveckling av vikta proteiner. Ribosomen är ett rikt förråd av olika uppgifter för dem som är intresserade av forntida evolutionära processer och livets ursprung.

sammanfattning. Biokemi lärs vanligtvis ut som isolerade fakta, strukturer och reaktioner, tagna ur deras förklarande sammanhang. En rimlig förståelse av de djupaste och bredaste frågorna i biologi kräver ett integrerat tillvägagångssätt. Proteinstruktur kan förstås endast i samband med DNA / RNA-struktur och vice versa. Det omvända förhållandet mellan polypeptid och polynukleotidmontering är endast tydligt i jämförelse och informerar direkt vår förståelse av form, funktion och evolution. Det nuvarande dåliga läget för integration i biokemi illustreras i moderna läroböcker, som i allmänhet fortsätter att sprida organisationsschemat för Lehninger ’ s first biochemistry textbook (1975). Proteinstruktur lärs ut som irrelevant för och helt frånkopplad från nukleinsyrastruktur.

referenser.

1. Darwin C (1859) arternas ursprung. Ett komma infördes i denna fras, för tydlighet.
2. Callahan MP, Smith KE, klyver HJ, 2: a, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP (2011) kolhaltiga meteoriter innehåller ett brett spektrum av utomjordiska nukleobaser. Proc Natl Acad Sci USA 108: 13995-13998.
3. Schmitt-Kopplin P, Gabelica Z, Gougeon RD, Fekete a, Kanawati B, Harir M, Gebefuegi I, Eckel G, Hertkorn N (2010) hög molekylär mångfald av utomjordiskt organiskt material i murchison meteorit avslöjade 40 år efter dess fall. Proc Natl Acad Sci USA 107: 2763-2768.
4. Johnson AP, klyver HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A ,Bada JL (2008) miller vulkaniska gnisturladdningsexperimentet. Vetenskap 322: 404.
5. Bean HD, Lynn DG, Hud NV (2009) självmontering och ursprunget till de första RNA-liknande polymererna. Kemisk Evolution II: från livets ursprung till det moderna samhället 1025: 109-132.
6. Watson JD, Crick FH (1953) molekylär struktur av nukleinsyror: en struktur för deoxiribos nukleinsyra. Natur 171: 737-738.
7. Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006) Basstapling och basparningsbidrag till termisk stabilitet hos DNA-dubbelspiralen. Nukleinsyror Res 34: 564-574.
8. Sugimoto N, Kierzek R, Turner DH (1987) Sekvensberoende för energetiken hos dinglande ändar och terminalbaspar i ribonukleinsyra. Biokemi 26: 4554-4558.
9. Gilbert W (1986) livets ursprung: RNA-världen. Natur 319: 618-618.Zuckerkandl e, Pauling L (1965) molekyler som dokument av evolutionär historia. J Theor Biol 8: 357-366.
10. Benner SA, Ellington AD, Tauer A (1989) Modern metabolism som en palimpsest av RNA-världen. Proc Natl Acad Sci USA 86: 7054-7058.
11. Westheimer FH (1987) varför naturen valde fosfater. Vetenskap 235: 1173-1178.
12. Woese CR (2001) översättning: i efterhand och utsikter. RNA 7: 1055-1067.
13. Hsiao C, Williams LD (2009) ett återkommande magnesiumbindande motiv ger en ram för det ribosomala peptidyltransferascentret. Nukleinsyror Res 37: 3134-3142.
14. Cech TR (2009) kryper ut ur RNA-världen. Cell 136: 599-602.
15. Fox GE (2010) ursprung och utveckling av ribosomen. Kall vår Harb Perspect Biol 2: a003483.Hud NV, Lynn DG (2004) från livets ursprung till en syntetisk biologi. Curr Opin Chem Biol 8: 627-628.
16. Woese CR (2000) tolkar det universella fylogenetiska trädet. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.
17. Hsiao C, Mohan S, Kalahar BK, Williams LD (2009) Peeling the onion: ribosomer är gamla molekylära fossiler. Mol Biol Evol 26: 2415-2425.
18. Bokov K, Steinberg SV (2009) en hierarkisk modell för utveckling av 23S ribosomalt RNA. Natur 457: 977-980.
19. Noller HF (2010) utveckling av proteinsyntes från en RNA-Värld. Kall Vår Harb Perspektiv Biol 7: 7.
20. Rich A (1971) det möjliga deltagandet av estrar såväl som amider i prebiotiska polymerer. I: Buvet R, Ponnamperuma C, redaktörer. Kemisk utveckling och livets ursprung. Amsterdam: Nord-Holland Förlag.Walker SI, Grover MA, Hud NV (2012) universell sekvensreplikation, reversibel polymerisation och tidiga funktionella biopolymerer: en modell för initiering av prebiotisk sekvensutveckling. PLoS EN 7.
21. Sievers A, Beringer M, Rodnina MV, Wolfenden R (2004) ribosomen som en entropifälla. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 7897-7901. Epub 2004 Maj 7812.
22. Carrasco N, Hiller DA, Strobel SA (2011) Minimal övergångstillståndsladdningsstabilisering av oxianionen under peptidbindningsbildning av ribosomen. Biokemi 50: 10491-10498.
23. Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, rik A (1970) Ribosomkatalyserad esterbildning. Biokemi 9: 2477-2483.
24. Fahnestock S, Rich A (1971) Ribosomkatalyserad polyesterbildning. Vetenskap 173: 340-343.
25. Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, Krayevsky AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) syntes av tioamidbindning katalyserad av E. Coli ribosomer. FEBS Lett 68: 215-218.
26. Tan ZP, Forster AC, Blacklow SC, Cornish VW (2004) aminosyra ryggraden specificitet av Escherichia coli översättningsmaskiner. J Am Chem Soc 126: 12752-12753.Hartman MC, Josephson K, Lin CW, Szostak JW (2007) en expanderad uppsättning aminosyraanaloger för ribosomal översättning av onaturliga peptider. PLoS EN 2: e972.
27. Kang TJ, Suga H (2008) Ribosomal syntes av icke-standardiserade peptider. Biochem Cell Biol 86: 92-99.
28. Ohta a, Murakami H, Suga H (2008) polymerisation av alfa-hydroxisyror genom ribosomer. ChemBioChem 9: 2773-2778.
29. Subtelny AO, Hartman MC, Szostak JW (2008) Ribosomal syntes av n-metylpeptider. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 April 6111.
30. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, Noller HF (1999) RÖNTGENKRISTALLSTRUKTURER av 70-talets ribosomfunktionella komplex. Vetenskap 285: 2095-2104.
31. Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (2000) den fullständiga atomstrukturen för den stora ribosomala underenheten vid 2, 4 GHz-upplösning. Vetenskap 289: 905-920.
32. Harms J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan A, Gat S, Agmon i, Bartels H, Franceschi F, Yonath A (2001) högupplöst struktur av den stora ribosomala subenheten från ett mesofilt eubacterium. Cell 107: 679-688.
33. Selmer M, Dunham CM, Murphy FV, Weixlbaumer A, Petry S, Kelley AC, Weir JR, Ramakrishnan V (2006) struktur av 70-talets ribosom komplex med mRNA och tRNA. Vetenskap 313: 1935-1942.
34. Ben-Shem a, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) kristallstruktur av den eukaryota ribosomen. Vetenskap 330: 1203-1209.
35. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag A, Ban N (2011) kristallstruktur av den eukaryota 40s ribosomala subenheten i komplex med initieringsfaktor 1. Vetenskap 331: 730-736.
36. Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom a, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, Noller HF (2001) kristallstruktur av ribosomen vid 5,5 GHz upplösning. Vetenskap 292: 883-896.
37. Schuwirth BS, Borovinskaya MA, Hau CW, Zhang W, Vila-Sanjurjo A, Holton JM, Cate JH (2005) strukturer av den bakteriella ribosomen vid 3,5 GHz upplösning. Vetenskap 310: 827-834.
38. Ogle JM, Brodersen DE, Clemons WM, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) erkännande av kognatöverföring RNA av 30s ribosomal subenhet. Vetenskap 292: 897-902.
39. Noller HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) ovanlig resistens av peptidyltransferas till proteinutvinningsprocedurer. Vetenskap 256: 1416-1419.
40. Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB, Steitz TA (2000) den strukturella grunden för ribosomaktivitet i peptidbindningssyntes. Vetenskap 289: 920-930.