twee biopolymeren zijn de enzymatische en coderende machines van het hedendaagse leven gaan domineren: polypeptiden en polynucleotiden. Deze molecules vertonen beide exquisitely goed-aangepaste zelfassemblagekenmerken, hoewel gebruikend orthogonale zelfassemblagestrategieën. In het hedendaagse leven, laat het ribosoom de stroom van informatie tussen deze twee divergente, maar gecorreleerde biopolymeren toe. Dit overzicht bespreekt de relatie tussen deze twee biopolymeren, met een focus op de vroege evolutie van het ribosoom.Charles Darwin merkte op beroemde wijze op dat “…van zo ’n eenvoudig begin, eindeloze vormen de mooiste en de mooiste zijn geëvolueerd en zijn geëvolueerd”. We weten nu dat de biodiversiteit op aarde toeneemt en afneemt. Vormen worden geëvolueerd en vormen worden gedoofd, maar niet in een stabiele toestand. De Cambrische explosie, ongeveer 540 miljoen jaar geleden, betekende een relatief snelle toename van de diversiteit. Cataclysmen, vooral het Perm–Trias (251 Mya) en krijt–Paleogeen (65 Mya) uitsterven, verminderde diversiteit.

leven is eenvoudig. Als men naar moleculen kijkt, wordt Darwin ‘ s breedte van diversiteit als illusoir gezien. Vormen zijn niet eindeloos, en ze zijn in wezen constant gebleven gedurende de laatste paar miljard jaar van evolutie. Vroege biologie versmalde de diversiteit van moleculen, in plaats van het te laten escaleren. Chemische complexiteit, geïntegreerd in alle biologische systemen op aarde, is lager dan de diversiteit van zelfs een klein beperkt abiotisch systeem zoals een chondritische meteoriet of een van Stanley Miller ‘ s vonkontlading experimenten . Op het niveau van biopolymeren is diversiteit nog meer verdord. Slechts twee polymeer backbones, polynucleotide (DNA/RNA) en polypeptide (eiwit), domineren het leven en zijn universeel. De ongeëvenaarde zelfassemblage eigenschappen van polynucleotiden en polypeptiden hebben concurrerende polymeren uit de biosfeer gedreven.

waarom twee polymeer backbones? Waarom niet één, of drie? Wat zijn de onderscheidende kenmerken van onze biopolymeren? Deze twee vormen een yin en een Yang van biomoleculaire structuur (figuur 1). Het assemblageschema dat door polynucleotides wordt gebruikt is het directe omgekeerde van het schema dat door polypeptides wordt gebruikt. Polynucleotiden zijn polypeptiden door het spiegelglas, en vice versa.

Polynucleotiden assembleren door waterstofbindingsinteracties tussen zijkanten (d.w.z. tussen basen, Figuur 2). De ruggengraat is zelfafstotend, en is aan de buitenkant van de zijketelkern, blootgesteld aan het waterige milieu (Figuur 3). In Watson-Crick die tussen basissen in paren rangschikken, is de ruimtelijke ordening van de donors/acceptors van de waterstofband van cytosine complementair aan dat van guanine. Adenine is complementair aan thymine / uracil. De planariteiten van de nucleotidebasissen zijn ook kritiek aan hun assemblage. Base-base stapelen (Figuur 3) is minstens zo belangrijk voor de stabiliteit als base pairing . RNA is complexer dan DNA, met veel ‘niet – canonieke’ basenparen.

polypeptiden assembleren door waterstofbindende interacties tussen atomen van de ruggengraat (Figuur 4). De backbone van het polypeptide is zelf-complementair en samenhangend, met geschikte gescheiden waterstofbindende donoren en acceptoren. De zelf-complementariteit van polypeptide is van toepassing in zowel α-helices Als β-bladen, die de dominante samenstellingselementen van gevouwen proteã nen zijn. Voor zowel α-helices als β-sheets zijn alle donors en acceptoren van de waterstofbinding voldaan en zijn de zijkanten naar buiten gericht, weg van de ruggengraat. Daarom bevat de backbone van het polypeptide een inherente schakelaar: helices en bladen kunnen interconverteren.

We kunnen ons afvragen of de biologie zoals we die kennen precies twee omgekeerde types van dominerende biopolymeren vereist, een Yin en een Yang van zelfassemblage (figuur 1). Ik zou ja zeggen. Het functionele polypeptide en het informatieve polynucleotide gaven aanleiding tot elkaar in een extravagante dans van co-evolutie. Er was geen RNA-wereld, zoals conventioneel beschreven, naar mijn mening. Deze polaire tegengestelde polymeren zijn onderling verbonden en onderling afhankelijk in hun diepste evolutionaire wortels. De onderscheidende en noodzakelijke functies van de twee dominante polymeren van de biologie worden direct aangegeven door hun schema ‘ s van zelfassemblage. Zoals door Watson en Crick wordt uitgedrukt, ” de specifieke koppeling die we hebben gepostuleerd suggereert onmiddellijk een mogelijk kopieermechanisme voor het genetische materiaal.”De gevouwen structuren van vezelige en bolvormige eiwitten, die voornamelijk bestaan uit α-helices en β-sheets, signaleren eveneens hun functies.

vertaling en het ribosoom. In vertaling wordt informatie van polynucleotide naar polypeptide getransducteerd. Tijdens de vertaling verbindt de yin van de biologie zich direct met de Yang. Aangezien de assemblageprincipes van deze twee polymeren conversaties van elkaar zijn (sidechain-sidechain versus backbone-backbone), is een uitgebreid proces van indirecte templating vereist voor het transductieproces. De macromoleculaire samenstellingen van vertaling, die uit zowel polynucleotide als polypeptide worden samengesteld, voeren deze taak uit, en door dit te doen, definiëren het leven en onderscheiden het leven van het niet-leven.

het ribosoom bestaat uit een kleine subeenheid (SSU) die het bericht decodeert en een grote subeenheid (LSU) die peptidyloverdracht katalyseert. Het ribosoom en de vertaling zijn enkele van onze meest directe verbindingen met het diepe evolutionaire verleden en de oorsprong van het leven. Deze coterie van macromoleculen en ionen is de best bewaarde van de oude moleculaire machines van het leven, en het is samengesteld uit primordiale, bevroren polymeer backbones, sequenties, en assemblages.

Het Cooptiemodel van de ribosomale evolutie. Het meest geaccepteerde model van ribosomale evolutie is het “cooption model”. In dit model (een) voorouders van de SSU en LSU is ontstaan en geëvolueerd, onafhankelijk van elkaar, met autonome functies, (b) een voorouder van de LSU, onbekwaam voor de montage met de SSU, bevatte de PTC (Peptidyl Transferase Center), en gekatalyseerd niet-gecodeerde productie van heterogene oligomeren van peptiden, esters, thioesters, en mogelijk ook andere polymeren , © een voorouder van de SSU een functie had, dat was meer voorlopig, maar misschien hebben de betrokken RNA polymerisatie, (d) sommige van de niet-gecodeerde oligomer producten van de PTC gebonden aan de ontluikende LSU, toekenning van het voordeel, (e) voorouderlijke LSU-en SSU-functies zijn, in een cooptieproces, gekoppeld aan gecodeerde eiwitsynthese, en (f) de niet-gecodeerde oligomeren van gesynthetiseerde polymeren geassocieerd met de voorouderlijke LSU gefossiliseerd in de staarten van ribosomale eiwitten die diep doordringen in de bestaande LSU. In het cooption model, en andere modellen van ribosomale evolutie, veranderingen over evolutie zijn beperkt tot die welke PTC en decodering structuur en functie behouden. De katalytische kern van de LSU, en het decoderingscentrum van de SSU, zijn bevroren assemblages die de coöperatieve relatie tussen LSU en de SSU dateert.

een oud ” enzym.”De vertaalmachines katalyseren condensatie, een van de oudste en meest duurzame chemische transformaties in de biologie . Twee aminozuren worden samengevoegd, die een peptide band vormen en een watermolecuul vrijgeven, in een oude chemische transformatie die van voor de biologie dateert. Als men modernere translationele componenten zoals de aminoacyl tRNA synthetases en de kleine ribosomale subeenheid verwijdert of overschrijft, wordt de katalytische kern van het ribosoom, de PTC, gezien om alle kenmerken van een oud enzym te tonen. Hier is het woord “enzym” bedoeld om een biologische katalysator aan te duiden en betekent niet dat het gemaakt is van eiwitten. De bestaande PTC behoudt een mogelijkheid voor niet-specifieke condensatie. Het is een ruwe entropieval die, in tegenstelling tot moderne enzymen, niet in staat is om specifiek een overgangstoestand te stabiliseren . De PTC heeft de mogelijkheid behouden om een grote verscheidenheid aan condensatieproducten te vormen, waaronder peptiden, esters, thioesters, enz. . De voorouderlijke PTC was een “worstmaker”, die een niet-gecodeerd mengsel van korte heterogene oligomeren door condensatie produceerde.

verzet zich tegen verandering. Leven, in zijn biochemische essentie, is het meest veerkrachtige en robuuste chemische systeem in het bekende universum. Metabolieten van kleine moleculen, polymeerbeenderen, chemische transformaties en complexe biochemische systemen die we tegenwoordig waarnemen in de biologische wereld zijn traceerbaar tot vroege biotische en zelfs prebiotische Chemische Systemen . Veel van de moleculen en processen van het leven zijn diep bevroren, en zijn invariant gebleven over enorme tijdschalen. Op chemisch niveau bevat de biologische wereld om ons heen “levende fossielen” die gemakkelijk meer dan 3 miljard jaar oud zijn. Conceptueel verdelen we deze in moleculaire fossielen (aminozuren, polypeptiden, basenparen, nucleosiden, fosfaten, polynucleotiden, ijzer-zwavelcentra en sommige polymeersequenties) en procesfossielen (condensatie, hydrolyse, fosforylering, vertaling en gluconeogenese).

het bestaande leven stelt ons in staat moleculen, paden, structuren en samenstellingen van het oude leven af te leiden. Het leven behoudt zijn eigen geschiedenis en kan ons die geschiedenis leren. De mijnbouw van de moleculaire en proces fossielen van het leven is een van onze beste benaderingen om de oude biologie en de oorsprong van het leven te begrijpen.

een moleculaire tijdmachine. Belangrijke informatie over het ribosoom is geopenbaard door hoge resolutie, driedimensionale structuren uit ongelijksoortige gebieden van de evolutionaire boom . We creëerden een moleculaire tijdmachine door de LSU computationeel in een ui te snijden (Figuur 5), met de PTC in de kern . We benaderen het proces van ribosomale evolutie als aangroei van schelpen van de ui. Men kan achteruit of vooruit lopen in de tijd, door van schaal naar schaal te bewegen in de ui. Het oudste deel van de ribosomale UI is het centrum (de PTC).

de ribosomale UI geeft een gedetailleerd en zelfconsistent verhaal van oude biologische overgangen. De dichtheid van ribosomale eiwitten is laag in het midden van de ui en is hoog in de buitenste schalen (figuur 6A). Aldus, bevat het ribosoom een verslag van de inleiding en integratie van gecodeerde proteã ne in biologie, en de ontwikkeling van de wereld van DNA/RNA/Proteã ne. Ribosomale proteïnesegmenten in de buurt van het centrum van de ui zijn in ongewone ‘niet-canonieke’ conformaties, maar in de buitenste schalen van de ui zijn gevouwen in conventionele bolvormige vormen bestaande uit α-helices en β-vellen (figuur 6B). Het ribosoom registreerde de geschiedenis van het eiwit vouwen.

het ribosoom als UI is een apparaat voor het verzamelen en interpreteren van een enorme hoeveelheid gedetailleerde informatie over oude biochemie. Hier hebben we gesproken over de introductie van polypeptiden in de biologie en over de ontwikkeling van gevouwen eiwitten. Het ribosoom is een rijke opslagplaats van diverse informatie voor diegenen die geà nteresseerd zijn in oude evolutionaire processen en de oorsprong van het leven.

samenvatting. Biochemie wordt gewoonlijk onderwezen als geïsoleerde feiten, structuren en reacties, uit hun verklarende context gehaald. Een redelijk begrip van de diepste en breedste vragen in de biologie vereist een geïntegreerde aanpak. De eiwitstructuur kan slechts in de context van DNA/RNA-structuur worden begrepen, en vice versa. De omgekeerde verhouding van polypeptide aan polynucleotideassemblage is slechts duidelijk door vergelijking, en informeert direct ons begrip van vorm, functie en evolutie. De huidige slechte staat van integratie in de biochemie wordt geïllustreerd in moderne leerboeken, die over het algemeen het organisatieschema van Lehninger ‘ s eerste biochemie leerboek (1975) blijven propageren. De eiwitstructuur wordt onderwezen als irrelevant aan en volledig losgekoppeld van nucleic zuurstructuur.

referenties.

1. Darwin C (1859) The origin of species. Een komma werd ingevoegd in deze zin, voor de duidelijkheid.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.Schmitt-Kopplin P, Gabelica Z, Gougeon RD, Fekete a, Kanawati B, Harir M, Gebefuegi I, Eckel G, Hertkorn N (2010) High molecular diversity of extraterrestrial organic matter in murchison meteorite revealed 40 years after its fall. Proc Natl Acad Sci U S A 107: 2763-2768.Johnson AP, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL (2008) The miller volcanic spark discharge experiment. Wetenschap 322: 404.
2. Bean HD, Lynn DG, Hud NV (2009) zelfassemblage en de oorsprong van de eerste RNA-achtige polymeren. Chemical Evolution II: From the Origins of Life to Modern Society 1025: 109-132.Watson JD, Crick FH (1953) Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid. Natuur 171: 737-738.
3. Yakovchuk P, Protozanova E, Frank-Kamenetskii MD (2006) Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix. Nucleic Zuren Res 34: 564-574.Sugimoto N, Kierzek R, Turner DH (1987) Sequence dependence for the Energetics of bungling ends and terminal base pairs in ribonucleic acid. Biochemistry 26: 4554-4558.Gilbert W (1986) Origin of life: The RNA world. Natuur 319: 618-618.Zuckerkandl E, Pauling L (1965) Molecules as documents of evolutionary history. J Theor Biol 8: 357-366.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.Westheimer FH (1987) waarom de natuur fosfaten koos. Wetenschap 235: 1173-1178.
4. Woese CR (2001) Translation: in retrospect and prospect. RNA 7: 1055-1067.
5. Hsiao C, Williams LD (2009) A recurrent magnesium-binding motif provides a framework for the ribosomal peptidyl transferase center. Nucleïnezuren Res 37: 3134-3142.
6. Cech TR (2009) kruipen uit de RNA-wereld. Cel 136: 599-602.
7. Fox GE (2010) oorsprong en evolutie van het ribosoom. Koude Veer Harb Perspect Biol 2: a003483.HUD NV, Lynn DG (2004) From life ‘ s origins to a synthetic biology. Curr Opin Chem Biol 8: 627-628.
8. Woese CR (2000) Interpreting the universal phylogenetic tree. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8392-8396.
9. Hsiao C, Mohan s, Kalahar BK, Williams LD (2009) Peeling the onion: Ribosomes are ancient molecular fossils. Mol Biol Evol 26: 2415-2425.
10. Bokov K, Steinberg SV (2009) A hiërarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA. Natuur 457: 977-980.
11. NOLLER HF (2010) evolutie van de eiwitsynthese vanuit een RNA-wereld. Koude Lente Harb Perspect Biol 7: 7.
12. Rijk A (1971) de mogelijke participatie van zowel esters als amiden in prebiotische polymeren. In: Buvet R, Ponnamperuma C, editors. Chemische evolutie en de oorsprong van het leven. Amsterdam: Noord-Hollandse Uitgeverij.
13. Walker SI, Grover MA, Hud NV (2012) Universal sequence replication, reversible polymerization and early functional biopolymers: A model for the initiation of prebiotic sequence evolution. PLoS 1 7.
14. Sievers A, Beringer M, Rodnina MV, Wolfenden R (2004) The ribosoom as an entropy trap. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 7897-7901. Epub 2004 Mei 7812.
15. Carrasco N, Hiller DA, Strobel SA (2011) Minimal transition state charge stabilization of the oxyanion during peptide bond formation by the ribosoom. Biochemie 50: 10491-10498.Fahnestock S, Neumann H, Shashoua V, Rich A (1970) ribosoom-catalyzed ester formation. Biochemie 9: 2477-2483.
16. Fahnestock s, Rich A (1971) ribosoom-gekatalyseerde polyestervorming. Wetenschap 173: 340-343.
17. Victorova LS, Kotusov VV, Azhaev AV, Krayevsky AA, Kukhanova MK, Gottikh BP (1976) Synthesis of thioamide bond catalyzed by E. Coli ribosomes. FEBS Lett 68: 215-218.
18. 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.
19. 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.
20. Kang TJ, Suga H (2008) Ribosomal synthesis of non standard peptides. Biochemcel Biol 86: 92-99.
21. Ohta a, Murakami H, Suga H (2008) polymerisatie van alfa-hydroxyzuren door ribosomen. ChemBioChem 9: 2773-2778.
22. Subtelny EA, Hartman MC, Szostak JW (2008) Ribosomal synthesis of n-methyl peptides. J Am Chem Soc 130: 6131-6136. Epub 2008 April 6111.
23. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ, Earnest TN, NOLLER HF (1999) X-ray crystal structures of 70S ribosoom functional complexes. Wetenschap 285: 2095-2104.
24. 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. Wetenschap 289: 905-920.
25. 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. Cel 107: 679-688.
26. Selmer m, Dunham CM, Murphy FV, Weixlbaumer A, Petry S, Kelley AC, Weir JR, Ramakrishnan V (2006) Structure of the 70S ribosoom complexed with mRNA and tRNA. Wetenschap 313: 1935-1942.
27. Ben-sem a, Jenner L, Yusupova G, Yusupov M (2010) Crystal structure of the eukaryotic ribosoom. Wetenschap 330: 1203-1209.
28. Rabl J, Leibundgut M, Ataide SF, Haag A, Ban N (2011) Crystal structure of the Eukaryotic 40s ribosomal subunit in complex with initiation factor 1. Wetenschap 331: 730-736.Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom A, Lieberman K, Earnest TN, Cate JH, NOLLER HF (2001) Crystal structure of the ribosoom at 5.5 Å resolution. Wetenschap 292: 883-896.
29. Schuwirth BS, Borovinskaya MA, Hau CW, Zhang W, Vila-Sanjurjo A, Holton JM, Cate JH (2005) Structures of the bacterial ribosoom at 3.5 Å resolution. Wetenschap 310: 827-834.
30. Ogle JM, Brodersen de, Clemons WM, Jr., Tarry MJ, Carter AP, Ramakrishnan V (2001) Recognition of cognote transfer RNA by the 30S ribosomal subunit. Wetenschap 292: 897-902.
31. NOLLER HF, Hoffarth V, Zimniak L (1992) Unusual resistance of peptidyl transferase to protein extraction procedures. Wetenschap 256: 1416-1419.
32. Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB, Steitz TA (2000) The structural basis of ribosoom activity in peptide bond synthesis. Wetenschap 289: 920-930.