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摘要

地球上生命的起源必须从解释核糖核酸(rna)在无氧时代是如何积累的故事开始。由于非偶氮时代的世界可能充满了水，单个RNA分子应该有水解的危险，而不是有渐进合成的趋势。这必然需要蛋白质的共同进化，这些蛋白质一直发挥着保护RNA不被水解的作用。本文论述了埋藏于地幔深部、高压高温下的有机磷酸盐和甲烷水合物大规模存在的可能性。在这种条件下，d -核糖的聚合物形式可以制成由碱基对与相邻链连接的左旋螺旋。在RNA的左旋螺旋晶格中，大量的空隙允许各种氨基酸的聚集，从最小的如甘氨酸到不大的如色氨酸。在聚合RNA链的3 '端，也可能发生氨基酰化。生命起源的其他必要物质，如腺嘌呤-三磷酸，可能是一起积累起来的。

简介

化石表明，生物化学上先进的微生物生命早在30亿年前就存在于地球上。由于地球的年龄被认为约为46亿年，我们很自然地认为，在地球诞生后不久或同时，已经积累了核酸和蛋白质的前生物分子，当时的地球表面是岩浆海洋，覆盖着一层厚厚的汽化水分子和各种气体分子，其中氢分子相当丰富。在Murchison陨石[1]中观察到甘氨酸、α-氨基异丁酸、丙氨酸、谷氨酸、β-丙氨酸、异缬氨酸、天冬氨酸和亮氨酸。虽然他们报道了l -对映体的相对丰度，但这可能不是l -对映体在当今地球上盛行的起源原因[2,3]。在yamto -91198陨石中观察到丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、肌氨酸、α-氨基丁酸、β-氨基丁酸、γ-氨基丁酸、α-氨基异丁酸、α-氨基脂酸、各种脂肪族碳酸、脂肪族和芳香烃。然而，除了一些嘌呤和嘧啶外，在陨石中没有观察到核酸的迹象。其中一些可能是由雷电合成的，而另一些，特别是核酸，可能是在沸腾的岩浆海洋中被破坏的。因此，在许多其他戊糖候选基因中，以d -核糖为主要成分的核酸是如何形成的仍然是一个问题。本文试图提出一种假说，以解决从地球起源到生命起源的多重困难问题。

地球的进化

地球的起源一直被认为是陨石和彗星的聚集中心。彗星的核心通常由冰水和干冰(二氧化碳)以及甲烷、氨、硅酸盐和磷酸盐组成。另一方面，陨石的成分主要是还原金属和金属氧化物。由于彗星和陨石碰撞产生的热能，原始地球的表面温度会相当高，但当其核心被陨石的成分占据，其表面被彗星的成分覆盖时，其表面温度会下降。地球的上述演化过程应称为第一阶段。地球历史的第二阶段开始于地核温度升高，铀原子解体产生的热能积累。在这个阶段，表面温度应该和彗星一样低。随着地核温度的升高，水蒸气会集中在古代地球的大气中，而它的表面会是由裸露的热地幔组成的岩浆海洋，热雨会降落在上面，形成许多沸腾的湖泊。沸腾的湖泊可能形成了沸腾的海洋。它应该被称为第三阶段。 The fourth stage in the history of earth would be in the cooling process. When the first signs of the ancient life existed over 3 billion years ago, the evolution of RNA had already reached a ripening period. The basic hypothesis adopted in the present article is that the evolution of RNA started from the end of the first stage and continued until the end of the third stage.

有机磷酸盐和芳香胺的积累

水和甲烷的混合物在高压下的极低温下形成的一种矿物学形式是已知的与氧气接触时非常易燃的甲烷水合物。这一现象意味着甲基很容易与氧原子反应形成。由于原始大气应该富含氢分子，大部分活性氧原子应该以一种由陨石带来的氧化亚铁的形式保留下来。因此，可以想象的非生物成因生物物质合成的起始事件之一是在高压和低温下，甲烷水合物和氧化亚铁在气态地球深处的接触。铀原子的解体可能对氧自由基的产生起了作用，氧自由基也可能是由于溶化的还原铁在地心集中而形成热地幔和地核的一个原因。来自甲基的可能的各种链式反应会产生各种脂肪链和芳香链和脂肪酸。这种在原始地球上以非生物的方式合成的有机化合物的比重比氢原子含量高得多的甲烷水合物的比重要重。大部分由陨石产生的有机化合物会与新合成的有机化合物混合在一起。这些是在地幔底层按照比重的顺序深深沉淀下来的。由于地幔与地核的分离不够充分，这些组成近似均匀的有机化合物与含有氧化亚铁、铀以及硅酸盐、硫酸盐和磷酸盐的金属陨石岩石密切接触。 The first organic compound synthesized in this way would have been methanol, which could have occupied the lattice position of water molecule in the crystalline form of methane hydrate. Condensation reaction between two methanol molecules with an oxygen radical would have produced a molecule of diose that is a simplest form of sugar containing two carbon atoms. A similar condensation between one molecule of diose and methanol would have produced a triose without isomers. This is called glycerol. Phosphorylation of glycerol produce glycerophosphoric acid, which has three isomers. Triose molecules were synthesized just below the interface with the methane hydrate layer, but deposited deeply in the bottom of the mantle. Further evolution of organic compounds from triose could be independent of the presence of the methane hydrate. It is, however, important to assume that the main chemical reactions were promoted by oxygen radicals. A similar condensation reaction between two trioses could have produced hexoses, and a simultaneous condensation of three trioses with two oxygen radicals would have produced glycerols. Such a mixture of hexoses and glycerols could have made a contact with an energy-rich polyphosphoric acids in the rocks. Polyphosphates could also be formed inside a rock probably by intervention of oxygen radicals. It would have been a considerable period before accumulation of phosphohexoses and phosphoglycerols were completed. Such reactions could have proceeded at a low temperature. As the temperature of the mantle started elevating, dehydration reactions between phosphohexoses and between phosphoglycerols and fatty acids gradually started syntheses of polyphosphohexoses and phospholipids, both of which were separated from each other in accordance with their physicochemical characters.

磷酸d -核糖聚合物的左手单链螺旋的积累

目前假设的要点之一是，原始地球可能被脂肪族和芳香族化合物(包括它们的衍生物，如脂肪酸)所覆盖，因为含氮、硫和磷的有机化合物的密度应该比只含氢、碳和氧原子的有机化合物大。因此，在第一层石油、油脂和脂肪酸的下面会积累各种不含磷原子的氨基酸。甲烷水合物的氢键网络在第二层与氨、硫酸盐(或硫醇)、磷、氨基酸、烷基胺等混合，并与氧化亚铁和硅酸盐直接接触。甲醇自由基作为甲基和水的反应产物会被困在氢键网络中，从而形成甘油酯和磷酸甘油酯。甘油酯是各种糖合成的起始原料，包括各种戊糖。磷酸甘油酯和脂肪酸之间的反应会在第一层石油油层和第二层或第三层之间形成一个单层磷脂，具有丰富的氢键结合能力。聚磷酸盐的积累在这一阶段可能是重要的，因为有机反应在地球和生命进化中的主导作用将逐渐从上述自由基反应转移到通过诸如三磷酸糖等反应中间体脱水氨基酸和磷酸糖的聚合反应。

人们很自然地认为，高浓度的水蒸气使表面温度与沸水的温度相差不大。如果温度不太高，可能有足够数量的有机化合物覆盖在岩浆洋表面，小的有机化合物通过脱水反应聚合，聚合的有机化合物可能在岩浆上的磷酸盐和硅酸盐熔融溶液中进行磷酸化。硫原子之所以没有参与聚合反应的过程，可能是由于与磷酸化化合物相比，硫化化合物的沸腾和破坏温度较高，以及地球表面温度的微妙调节。然而，需要注意的是，在加拉帕戈斯裂谷[4]的海底温泉中发现了一种原始的硫氧化细菌。它利用化学合成从海水和岩石在高温下的反应中获得全部能源，而不是光合作用。在《生命起源》的时代，硫氧化细菌可能扮演了重要角色，但科利斯，et al。(1979)没有描述祖先细菌如何从温泉水中获得富含能量的磷酸盐化合物和氨基酸。有一种可能是含硫RNA而不是普通含磷RNA。如前一节所述，磷酸甘油酯的积累一定发生在RNA进化之前的石油和磷脂层之下。磷酸甘油酯与甲烷水合物网络中的甲基通过氧化亚铁提供的氧原子发生反应，可产生各种磷酸化的戊糖和己糖。氢键网络中的水分子将被那些磷酸化的糖以及各种氨基酸和烷基胺所取代。另一方面，Martin, Baross, Kelley和Russell发现H₂有限公司₂热液喷口中的氧化还原偶与一些现代原核自养生物的核心能量代谢反应具有惊人的相似性。因此，在热液喷口区这样的环境中，是什么机制启动了生命的化学反应，这可能是另一个问题。本文的基本假设试图阐明这一点。

甘油磷酸与二糖缩合生成各种不同的核糖异构体，其中磷- d -核糖是最有前景的。另一方面，与碳自由基和氨的缩合反应可以积累芳香环化合物，如尿嘧啶、胸苷基、胞嘧啶、腺苷基、鸟苷基等，其中包括一些羟基环化合物，如二氢脲酰。Joyce(1989)展示了腺嘌呤、二氨基嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤和黄嘌呤的各种生产过程，从氰化氢(HCN)开始，经过二氨基马来腈(DAMN)[6]。他还证明了乙醛(HC=OCH)的缩合反应₂OH)和一氧化碳(H₂CO)生产醛糖、核酮糖、木糖糖、核糖、阿拉伯糖、木糖、糖糖(这些是戊糖)，以及茴香糖、果糖、梨糖、他加糖、丙糖、糖糖、葡萄糖、甘露糖、葡糖、碘糖、半乳糖、滑糖(这些是己糖)。磷- d -核糖可能与上述芳香化合物中最占优势的尿嘧啶自由基发生反应，从而达到尿嘧啶的目的。5 ' -磷酸d -核糖相对于其他糖和磷酸糖的最大优点之一是它可以在几何上无限延伸为左手单链螺旋。位于C1′位置的尿嘧啶碱基使其与相邻的左手单链螺旋的氢键结合能力具有相当的稳定性。即使没有理想的腺嘌呤-尿嘧啶(a -u)和鸟嘌呤-胞嘧啶(G-C)的沃森-克里克碱基对或鸟嘌呤-尿嘧啶(G-U)的摆动对，尿嘧啶-尿嘧啶(U-U)碱基对也能保证相对的稳定性。由于米虫的一些tRNA分子在其双链螺旋区[7]中含有相当数量的U-U碱基对。本文之所以特别强调尿苷5 ' -磷酸，是因为它有可能与图1所示的氢键U-U碱基对和左手单链螺旋形成无限大的晶格。两个尿嘧啶碱基之间的距离为7.2 Å。

如果这是3.6Å，通常是碱基堆积的最佳距离，则d -核糖环与相邻的d -核糖环在左单链螺旋上士第6位发生致命的近接触。从这个意义上说，两个尿嘧啶碱基之间7.2 Å的距离意味着在尿嘧啶-尿嘧啶氢键网络层之间有可能插入另一个芳香碱基，如腺嘌呤、鸟嘌呤等。图2显示了这样一个无限螺旋的一部分被三个相似的无限螺旋包围，通过制造U-U碱基对来稳定。这种多尿苷链网络保护自己不被热水水解。图3显示三磷酸腺嘌呤(ATP)可在尿嘧啶碱基层之间堆叠。类似的鸟嘌呤三磷酸(GTP)和其他核苷酸聚磷酸的堆积可以发生在腔内以保存材料，即使简单的聚合这些材料不利于多尿苷层的生长。Joyce(1989)列出了当今生物体中类似核苷酸的辅酶，如udp -葡萄糖、cdp -二酰基甘油、s -腺苷甲硫氨酸、黄酮类单核苷酸、硫胺素焦磷酸、烟酰胺等。这些都可以保存在腔[6]中。细胞膜的成分，如磷脂，也是有能力的候选人，以类似的方式保存。即使是氨基酸，如果它们的侧链不是太大，也能成为重要的膨化材料。 Polymerization of such small amino acids could have occurred by simple dehydration reaction. Figure 4 shows a case of L-amino acids polymerization growing up in the hole of cavity, even if it is not a right-handed α–helix.

多尿苷的6倍对称左旋螺旋层的厚度无法估计。它们的外表面会接触到热水蒸汽。因此，它可能被一层厚厚的、富含磷脂的皮肤所覆盖，就像一个大细胞膜，在它的下面又有一层厚厚的甲烷水合物、氨、D-和l -氨基酸，以及处于混乱混合状态的其他成分。外部皮肤区域的运动应该是如此剧烈，以至于任何常规的复杂结构，如反密码子环，都不可能有机会进化。相比之下，另一个与地幔接触的表面，包含硅酸盐、金属氧化物的晶体结构和各种凹凸结构，可能适合生长一种特殊的多尿苷结构。图5显示了一个用粉色画的氨基酸甘氨酸，它在左手单链螺旋底部与多尿氨酸的羧基端连接到3 '端。这是一种原始形式的转移RNA (tRNA)，将与脯氨酸聚合，以进一步聚合l -氨基酸。粉色的甘氨酸n端与蓝色的脯氨酸羧基端相连。这种立体特定的化学反应不可能在接触热水的外部表面发生，但在硅酸盐表面可能发生。从图6还可以看出，在20种必需的l -氨基酸中，色氨酸的最大侧链可以在这种环境中容纳。 As the temperature and the pressure gradually lowered at the bottom of the polyuridine layers in contact with the mantle rocks, the aminoacylation between 3’-end of uridine and the carboxyl end of amino acids became harder without a supply of energy transfer from the reaction of ATP to ADP + H_3.阿宝₄．图7显示了与图8相似但未插入ATP的状态，而图8则是将ATP的结构插入到长螺旋(棕色)上结合在多尿氨酸末端3 ' -O的二肽Gly-Pro的过渡态之间，该过渡态与长螺旋的另一部分(仅一圈)分离，长螺旋的另一部分(黄色)分离。洋红色部分的核苷酸是普通t-RNA U31 ~ A39 (U-OMC-U-C-C-A-MIA-A-A)的反密码子环的一部分，其反密码子为Gly。然而，重要的是要注意到l -氨基酸的聚合似乎比d -氨基酸的聚合更有利。在一个连续的l -氨基酸肽中，只有一个d -氨基酸可能参与其中，但似乎并不有利。从图9的甘氨酸(Gly)到图31的色氨酸(Trp)，在氨基酸酰化的原始形式中，这种对l -氨基酸的偏好变得更加清晰。在这些图中，U33的O4原子没有氢键到35位的磷酸盐氧上，这是所有trna[8]结晶学结果的情况。众所周知，U33对于所有trna都是高度保守的。反密码子环的晶体结构中口袋中有一个镁离子，但在与细胞外镁浓度大致相同的1mmol的低镁浓度下，反密码子环表现出比晶体形式[9]更强的灵活性。这是生命进化中最重要的一点，因为它具有选择口袋中所有l -氨基酸和甘氨酸的能力。 At this stage of evolution of life. The nucleotide at the 33th position might not have to be uridine, but U33 seems more favorable for performing a multifunctional role in translation [9].
在多尿苷层的外围，氨基酸的羧基端与末端尿苷的3 '端缩合，促进了甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、缬氨酸、苏氨酸和脯氨酸等小氨基酸的聚合。反密码子环结构似乎是自发进化的，所以它只能捕获l -氨基酸。由此可见，d -氨基酸在反密码子环的空腔中非常难以容纳。然而，从密码子的化学结构来看，反密码子各自的核苷酸序列如何有利于指定的氨基酸，如A的N6, G的O6和N2, C的N4, u的O4。因此，用反密码子的核苷酸组合来选择氨基酸时可能会出现很多错误。为了通过反密码子的组合来提高氨基酸选择的准确性，我们必须等待很长一段时间才能进化出氨基酰tRNA合成酶以及tRNA本身。众所周知，tRNA的长度已经进化到大约76个三叶草形状的核苷酸。trna的整体三维结构被称为l型结构，其腰部区域对氨基酸类型的识别尤为重要。另一方面，氨基酰tRNA合成酶的进化似乎已经开始合成一对合成酶和tRNA的二聚体。由于tRNA在进化过程中3 '端与反密码子环之间的距离拉长，反密码子与tRNA 3 '端之间的1对1识别变得越来越困难，因此对搭档tRNA 3 '端反密码子环的成对识别可能更容易识别。根据催化核心的结构序列特征，氨基酰基trna合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS)的进化分为I类和II类[10,11]。 Each aaRS recognizes a single amino acid and attaches it to the 3’-end of a tRNA whose anticodon matches a codon for that amino acid. According to Ibba and Sӧll [12], however, there exists many exceptions to these rules, and many aaRS additionally rely on various proofreading or editing mechanisms to ensure the translation to the genetic code. In order to charge a tRNA, the amino acid must be first activated with ATP by the aaRS to form an aminoacyl-adenylate intermediate and then transferred onto the terminal adenosine of the tRNA [12].

经过氨基酰化后，两个tRNA能够被核苷酸的短序列排列，因此Pro-Gly的二肽可能更适合支持系统的整体结构，如氨基酰tRNA合成酶的一部分。图32显示了最简单的蛋白质合成例子，显示了mRNA和合成蛋白Pro-Gly的原始形式。Gly和Pro在生命进化的第一阶段，按照mRNA的处方进行蛋白质合成的准确性可能是最好的。随着氨基酰化的准确性的提高，通过使用一组特殊的信使rna来制备各种肽，以满足核苷酸层生长的需要。由于l -氨基酸数量的增加，6倍对称层的空腔变得有点太窄，所以下一阶段更紧凑、更宽的空腔可能会有用。图33和34显示了6.5倍对称左手单链多尿苷的两个立体视图。在这种情况下，不需要担心最近的两个核苷酸之间的短接触，栈基距离也没有问题。然而，许多焦磷酸核苷酸和磷脂被排除在外。从图35可以看出，由侧链较小的l -氨基酸如Ala、Ser、Val、Pro和Gly组成的肽可以容纳在左手螺旋圆柱的空腔内，而侧链较大的肽则有打破规律的倾向。精氨酸残基尤其容易破坏规则的形状，特别是因为螺旋圆柱体内部有一条连续的磷酸基线，从而形成我们熟悉的右旋双链多尿苷螺旋。 Since such a role of Arg residues were so important, Arg occupies a comparably large part in the Table of the genetic code in comparison with that of Ser, if we are allowed to think that Gly, Ala, and Pro were comparatively important to the other amino acids in the earlier stage of evolution of L-amino acid proteins. Similarly, Leu and Val residues seem to have been more important in playing a role of making hydrophobic side of α–helices and β–sheets. The roles of Glu, Asp, His and Lys could have been evolving as players of catalytic activities. It is well known that some particular form of RNAs could have a catalytic activity [13-15]. However, there seems to be a handicap of flexibility in the 3D-structure of RNA, so that the evolution of proteins having Glu, Asp, His and Lys residues became more and more important during the course of the origin of life. Also, important to consider the double-stranded right-handed RNA helices, it is immediately related with the importance of the canonical G-C and A-U base pairs and G-U wobble base pair. The growing of double-stranded regions of RNA made it possible of the evolutions of tRNA, mRNA and ribosomes of both large and small subunits.

核糖体的进化

核糖体在生命起源中的意义在于mRNA在大小RNA片段的两个亚基之间的运动。在生命起源之初，当不存在伸长因子Tu和G等蛋白因子以及rRNA结合蛋白时，A和P位点之间以及P和E位点之间都不存在能量障碍。构象变化的布朗运动实现了trna祖先形态的易位，伴随着RNA片段的分裂和结合。另一方面，现在核糖体的结构太大了。的二级结构如图36所示Esherichia杆菌16S rRNA，由1542个核苷酸和21个结合蛋白组成，图37和38显示了的5 ' - 1 / 2和3 ' - 1 / 2的二级结构大肠杆菌23S rRNA，由2904个核苷酸和30个结合蛋白组成。当今世界上的生物有5个不同的科。它们是(a)真细菌，(b)古生菌，(c)叶绿体，(d)真核生物，(e)线粒体。分析了(a)中52个生物、(b)中25个生物、(c)中27个生物、(d)中44个生物、(e)中52个生物的二级结构，这些序列的参考文献均列于Nagano和Nagano[7]中。分析表明核糖体最简单的二级结构是线粒体rrna锥虫属brucei，其中9S小亚基rRNA见图39,12S大亚基rRNA见图40[7]。据说是线粒体原生菌中最小的rRNA锥虫属brucei通过结合相对较多的蛋白质来稳定。然而，在原始核糖体时期，结合蛋白的进化还不成熟，因此，核糖体被认为是粘附在火山温泉底部的硅酸盐岩石上，那里含有包括Mg在内的碱性金属^{2 +}离子[4]相对较低，温度和压力非常高。高压抑制了原始核糖体的布朗运动，而不是与蛋白质结合。

已知密码子-反密码子识别的第一步只排除非同源的aa- trna的三元复合体，精度约为200/10,000[16]。提出了GTP水解过程中的动力学校正机制，以去除近同源的aa-tRNA的三元配合物，使精度提高到5/10,000[17]。这里，三元配合物表示aa-tRNA、延伸因子Tu (EF Tu)和GTP的配合物。结果表明，高镁的使用降低了测量精度^{2 +}浓度[18]。汤普森et al。[19]观察到近同源的aa-tRNA掺入A位点从6 mMol Mg急剧增加^{2 +}在12 mMol Mg时达到平台期^{2 +}．笔者试图解释这种现象是如何在核糖体的三维结构上实现的。

23S rRNA的12个核苷酸序列AGUACGAGAGGA是所有已知rRNA[20]中最长的普遍保守的。本文作者发现了16S rRNA的1064-1077核苷酸区域大肠杆菌序列与23S rRNA的核苷酸2653-2666区域互补，称为sarcin-ricin loop (SRL)[7]。图41为真细菌，图42为古生菌，图43为叶绿体，图44为真核生物，图45为线粒体，所列的所有核苷酸序列都是这种关系。由于23S rRNA的2653-2666区域称为GTPase结合位点，而16S rRNA的1068-1073位置的核苷酸构成二级结构的5 '侧，16S rRNA的35螺旋(h35)和23S rRNA的2653-2658和2663-2666位点的核苷酸是95螺旋(H95)的头区，其关系可总结为图46，其中SpcF为大霉素印迹位点[21]。残基数2660表示α-sarcin裂解位点[22]的序列。图46中最左边的结构在GTP水解过程中起着重要作用，而最右边第二个结构似乎是过渡态结构，但最终证实是GTP水解时刻GTPase的结合位点。尽管x射线分析和低温电子显微镜都没有观察到这样长的螺旋，但建立模型的技术可以展示它的样子，如图47所示。之所以在这个模型中有些碱基没有配对，是因为真核生物中对应的核苷酸，如图44所示，是G-G不利对。

tRNA反密码子环的u33延伸和u33折叠形式

tRNA反密码子环5 '侧的尿苷33普遍保守，但在一些引发剂甲酰甲硫酰基tRNA中，胞苷33除外。U33的尿苷基折叠在x射线晶体学目前观察到的trna的反密码子环内，并与反密码子[8]的第36个核苷酸的一个磷酸氧原子氢键结合。这种结构在本文中称为u33折叠形式。这种u33折叠形式的密码子-反密码子heix构象似乎不够稳定。如果密码子-反密码子螺旋的构象假设是理想的a型RNA，则可以预期U33碱基会突出或暴露。这种结构可能会有点不稳定，因为与U33折叠形式的氢键U33碱基相比，U33碱基裸露在外。然而，u33扩展形式的稳定性在很大程度上依赖于密码子-反密码子螺旋的稳定性，这似乎对提高翻译的准确性起着重要作用。u33折叠型和伸展型之间的相对稳定性也取决于Mg的浓度^{2 +}实验中使用的缓冲溶液。据说Mg^{2 +}肌肉细胞内的浓度约为1mmol，与细胞外的浓度基本相同。另一方面，Mg^{2 +}用于整个核糖体结晶的浓度在某些情况下为10mmol或更高。活细胞中trna的反密码子环的构象必须更加动态。活核糖体与核糖体晶体之间的正电荷离子的差异主要由K来补偿⁺，如果核糖体的环境与肌肉细胞大致相同。解码位点的x射线结构的最新结果表明，在第一个位置(mRNA/Phe和tRNA之间)的近同源密码子-反密码子相互作用的G-U碱基对₂^低浓缩铀)和第二个位置(在mRNA/Cys和tRNA之间^酪氨酸)不能分别与同源G-C和A-U碱基对[23]区分。聚(U)程序核糖体与亮氨酸之间的近同源GTPase反应急剧增加²6mmol ~ 12mmol的三配物(图1[19])强烈提示G-U对尿苷碱基的N3和O4的质子化无法与G-C对[23]区分开，核糖体从u33延伸到u33折叠形态的反密码子环的构象变化不能区分近同源的Leu₂-tRNA来自同源的phi -tRNA。图48显示了在密码子-反密码子螺旋的第一个位置上的近同源G-U对的不同的三维结构，基于本工作的模型构建技术，其中用洋红色绘制的U33碱基从反密码子环突出，尽管Mg^{2 +}六水分子仍然结合在YG37的OP2原子和O2′甲基化的OMC32的O2原子之间。u33 -扩展形式的反密码子环会破坏环结构的稳定性。此外，在Mg作用下，鸟嘌呤碱的N1-H和尿嘌呤碱的N3-H发生脱质子反应，使质子向尿嘌呤碱的O4原子移动可能是有利的^{2 +}多余的条件。Demeshkina的图1，et al。[23]还表明，mRNA的P/ a扭结与核糖体其他x射线结构获得的扭结一样广泛开放[24,25]，并由两个Mg簇结合支持^{2 +}六水合物。另一方面，Nagano(2015)展示了一种不同类型的P/ a -和E/P-扭结，如图49所示，每种扭结都由一簇Mg支持^{2 +}六水合物。长野[9]的扭结结构与x射线结构的差异可以在低Mg的基础上进行合理解释^{2 +}上面描述的浓度。与图48相比，图50和图51显示了图50中的同源情况和图51中的近同源情况在a位点密码子-反密码子螺旋结构上的差异。在这两个结构中，U33和OMC32以及YG37的碱基都被暴露出来，以代表同源和近同源密码子-反密码子螺旋结构之间的微妙差异。由于差异，一个Mg^{2 +}YG37的OP2原子和OMC32的O2原子之间的六水化合物被排出，导致U33和A1396碱基之间的相互作用略有不同。A1492和A1493与密码子-反密码子螺旋小凹槽的相互作用可以达到与x射线结构[23]几乎相同的效果，但G530的相互作用在530环中没有构象变化，这是由于反密码子干-环(ASL)结构构象变化较大以及h45的位置发生了较大的移动，这在后面将进行描述。图51中a位点密码子第一个碱基上的近似同源G-U碱基对与图48相当，但与图50中的同源情况有微妙但可识别的差异，而图48中的结构由于与Demeshkina中相应的结构差异较大，无法实现。et al。[23]。

假设U33扩展形式的U33暴露碱基与16S rRNA解码位点的某种普遍保守腺嘌呤碱基配对支持，其二级结构如图36所示。与目前在x射线结构中观察到的反密码子环内的氢键U33碱基相比，这样的碱基对是远距离相互作用。因此，在Mg的生理条件下，u33折叠形态和u33伸展形态之间的过渡更为频繁^{2 +}浓度。虽然C1399和G1504之间的G-C对因其高度守恒性而被预测[14,15]，但在2HGR (PDB数据库中登录号[26])的晶体结构中未被证实。另一方面，证实了G1401-C1501对以及C1400的碱基与p位点tRNA[27]的反密码子第一碱基的叠加。众所周知，腺嘌呤和胞苷在解码位点上都是普遍保守的。因此，我们很自然地认为p位点tRNA的U33扩展形式的U33碱基可以与A1398配对。这必然导致A1396在A位点(T位点)识别模式下被分配给aa-tRNA的u33扩展形式的碱基配对伙伴。似乎无论是A1502还是A1503都有可能在E位点有U33扩展形式的脱酰基tRNA的U33。Nagano(2015)的模型构建结果表明A1502是最有利的，而A1503似乎离E-site tRNA的U33有点远。

A-P和P-E tRNA在易位前和易位后的对接对

核苷酸序列互补性的普遍规律(图46)首次被注意到是由于一项发现，如TѰCG或UUCG等寡核苷酸片段抑制了aa-tRNA在a位点[28]的结合。我们发现这种高度保守的序列存在于16S rRNA的h35的3 '侧，而h35的另一侧与23S rRNA[29]中SRL的保守环头序列互补。除了上述发现外，我们还发现各种含有D-loop的tRNA片段能够抑制aa-tRNA在A位点[28]的结合。这有力地说明，与h35位点3 '侧形成碱基对的aa-tRNA的t -环和与p位点tRNA的t -环形成碱基对的aa-tRNA的d -环是aa-tRNA进入A位点的必要条件。还需要注意的是，几乎所有的trna上都存在一对高度保守的鸟嘌呤(尽管它们的相对位置略有不同)，而trna的T-loop中高度保守的胞苷残基是C56和C61。(然而，有一个例外的情况人类线粒体Ser-tRNA完全缺失d -环。我们如何解释它的平移运动?这是一个重要的问题。)相比的x射线结构孤立的l形的肘部区域tRNA,按照的搭配C56沃森克里克类型,但G18氢键Ѱ55不规则的方式[8],普遍的守恒的鸟嘌呤,G18和按照T aa-tRNA的网站与其他普遍的守恒的碱基胞,C56 C61, p区tRNA,分别按照G18和p区tRNA与C56 C61 E-site tRNA,分别。x射线结构的孤立l型[8,21,26]与长野对接模型tRNA的形状差异如此之大et al。[29]和长野[9]来自Mg的巨大差异^{2 +}专注，就像上面提到的。

整个核糖体的x射线结构的结果表明，16S rRNA的两个保守区域，h29附近包含G1338和A1339的脊和790环的头部，构成了阻挡P位点结合的tRNA向E位点的易位运动的屏障，如果我们假设这种运动只是简单的从晶体P位点向晶体E位点的平移。从x射线结构到预测的长野[9]结构的过渡，需要通过U33 (aa-tRNA)和暴露在x射线结构上的A1396相互作用，以及aa-tRNA的GTѰCG(或GTѰCA)与CGAGC1107的碱基配对，从aa-tRNA的U33扩展形式开始。伸长因子体中的效应区EF-Tu和EG-G都会与由h30、h32、h34组成的长螺旋发生碰撞[14,15]，从而完成23S rRNA的srl区与16S rRNA的h35的5 '侧的远程相互作用。在固定P-和e -位点trna的A76位置的条件下，u33扩展形式使G18 (P- trna)和C56 (E-tRNA)之间的距离更短，C56 (P- trna)更接近G18 (aa-tRNA)，扭转使P-和e -位点trna在各自的弯头区d -loop和T-loop分离。这种P-和e-位点trna的构象变化使得G18 (aa-tRNA)和C56 (P- trna)、G18 (P- trna)和C56 (E-tRNA)之间的碱基配对成为可能，G19 (aa-tRNA)和C61 (P- trna)、G19 (P- trna)和C61 (E-tRNA)之间的碱基配对成为可能。从而完成A-P-E tRNA对接三联体形式，最终完成E位点的密码子-反密码子螺旋。这是h35展开后与伸长因子EF-Tu和EF-G本体碰撞后发生的一系列构象变化，最终在E位点形成密码子-反密码子螺旋。

图52显示，P位点(绿色)的U33与A1398(红色)配对，E位点(紫色)的U33与A1502(粉色)配对，而A位点(品红)的U33与A1396(棕色)没有配对。形成了C1399-G1504对，并以金色显示。图53显示，P位点(绿色)的U33与A1398(红色)配对，A位点(品红)的U33与A1396(棕色)配对，而E位点(紫色)的U33与A1502(粉红色)没有配对。形成C1399-G1504对(金)。另一方面，图54显示，在A、P和E位点上的所有三个U33(分别为品红、绿色和紫色)分别与A1396(棕色)、A1398(红色)和A1502(粉色)碱基配对，代价是C1399和G1504(金色)的碱基分离。由于P位点和E位点的trna都是同源的，与x射线结构的情况相比，T位点的aa-tRNA如果也是同源的，则会呈现过渡态构象，如图54所示。在整个结构的波动过程中，C1399和G1504这两个残基都离碱基对很近，因为它们之间的距离不是很远。然后，A位或E位的A- u碱基对被破坏。哪个A- u对被破坏取决于A和E位点上密码子-反密码子螺旋的稳定性，例如，在反密码子环不稳定的情况下，U33碱基和C1400碱基之间的距离会变大。因此，非同源(GTP水解前)和近同源(GTP水解时)的aa-tRNA都被排斥，只有同源(GTP水解后)的aa-tRNA才能进入A位点，将E位点脱酰基的tRNA从核糖体中排出。 This would be a reasonable explanation of the mechanism of translation concerning how high accuracy could be achieved at the decoding site.

当包含SRL的23S rRNA的U2653-C2666区域(品红)与16S rRNA的G1064-G1077区域(天蓝色)结合在一起时，其构象如图47所示，16S rRNA的区域从30S亚基的主体部分延伸出来。为了实现这种长距离的碱基配对相互作用，16S rRNA的h30、h32和h34组成的长螺旋必须在h32和h34之间以及h30和h32之间的区域周围有相当程度的弯曲。这必然导致势垒G1338和A1339从原来的位置向h32和h34的结合部区域偏移较大，h45的位置发生了很大的变化。结果，普遍保守的二甲基化腺嘌呤a_平方米1519年,一个_平方米1520，在h45的环与下游mRNA接触。这一结果可以解释为什么这些残基是二甲基化的，而2HGR[26]的x射线结构不能。A1396接近aa-tRNA的U33碱基，而16S rRNA的h44在a-位点密码子的内槽处接触，具有普遍保守的A1492和A1493[30]。如图53所示，当a -位点tRNA的U33与A1396碱基配对，E-位点tRNA的U33未与A1502碱基配对时，三tRNA结合结构中E位点(紫色)脱酰基tRNA的构象由U33延伸与p -位点tRNA对接的状态变为U33折叠孤立的形态。然后，脱酰基的tRNA沿L1柄方向离开核糖体。当解码位点的核苷酸构象如图52所示时，T位点会发生什么变化?当aa-tRNA非同源时，不需要U33-A1396碱基对的形成，密码子-反密码子螺旋的碱基对不会形成。无论是近同源的还是同源的情况下，密码子-反密码子螺旋都可以成为理想的a -形式，而U33-A1396的帮助在GTP水解的步骤中是非常重要的。解码位点的构象在图54和52之间波动后，如果E位点的构象稍强一些，T位点的螺旋就会断裂。然后，aa-tRNA的构象变成一个具有孤立的l形弯头区的u33折叠型，并沿L7/L12柄方向离开核糖体。 At the instant, the conformation of the A-site codon would loosen, and become ready for accepting the next anticodon of aa-tRNA as a ternary complex, that would have probably been waiting for opening the A-site codon by using the 3’-side of h35 and A1394. A1394 is also highly conserved, although it is less conserved than A1396 and A1398.

转位作为a - p - tRNA对接对到P-E对接对的旋转运动

spectinomycin对ef - g依赖性易位的抑制作用早就被注意到了[31,32]。除了上述，佩斯克et al。[33]的结论是EF-G在30S亚基解码区域附近的核糖体上产生构象重排，spectinomycin对tRNA-mRNA的运动有直接的抑制作用，这与本工作的基本假设非常一致。图56与图57和图58的比较表明，易位不是trna从晶体学上得到的P位点到E位点的平动运动，而是围绕a -和E-位点trna靠近的轴的旋转运动。如果氨基酰基仍然在A位点，而P位点tRNA仍然肽基化，由于P位点[34]锁定，就不会发生易位。肽基转移酶反应在A位点产生肽基tRNA，在P位点产生脱酰tRNA，这种状态自动产生50亚基上的P和E位点。这是由于H14和H22(核苷酸AA423)之间的铰链有旋转自由，以及23S rRNA的假结CCAU416/AUGG2410上H22和H88两个螺旋的刚性结合。H88碱基上的C2394和G2421由于图57所示的过程而为空，它们可以在P位点[35]上转向捕捉脱酰基tRNA的CCA端腺嘌呤碱基。化学修饰实验表明，脱酰基tRNA的p位点71和76核苷酸的2′-羟基分别被23S rRNA的H68和H74碱基上的A2433和A2434的小槽中的核苷酸C1892所识别，分别为[36]。这些残基也构成了50亚基上E位点的一部分。它将H80环上的P-loop以及A2450亚基中心环上的相关核苷酸从P-site tRNA的CCA端，即50S亚基上的P位点上排出，转移到相邻A-site tRNA的CCA端。我们称之为P/E和A/P混合状态。 Such a transition would not occur if either the 3’-end of P-site tRNA is peptidylated or some of the above key nucleotides are chemically modified. This could be an explanation as to why peptidyl-tRNA bound to the P site locks ribosomal functions such as translocation, termination, and recycling [34]. Figure 59 shows that the foot of H88 (cyan), where C2395 and C2421 are situated, reaches the adenine base of P-site tRNA (green), while the P-loop of H80 (red) catches the bases of C74 and C75 of A-site tRNA (magenta). This is the 3D structural representation of the 3’-end of tRNAs at the A/P and P/E hybrid states. When EF-G·GTP complex comes to occupy the space of A-site tRNA, the A-P tRNA docking pair rotates around the axis passing closer to the A-, P- and E-site tRNAs to reach the site of P-E tRNA docking pair at the classical P/P and E/E states. The 3D structural representation of them can be shown as in Figure 60.

延伸因子如何作用于现有模型以产生GTP水解?

最近对EF-Tu和aa-tRNA[37]结合的核糖体晶体结构的研究结果似乎并不能完全解释aa-tRNA迁入A位点的机制。从图58洋红色的tRNA结构出发，它要么离开核糖体，要么与EF-Tu·GTP作为三元配合物进入核糖体，通过移植Trp-tRNA的3’端区域，对其3’端区域进行修饰^Trp与EF-Tu和GDP结合在70核糖体2Y18[38]上的同源密码子上。添加p - γ磷酸盐使GDP结构转变为GTP。fe - tu的构象发生了变化，使Pγ原子靠近A2660的N6原子，Pβ原子靠近C2658的N4原子。f - tu中Pγ和Pβ原子被氨基酸残基20-26区(VDHGKTT)覆盖。GTP部分的G碱基与U2656成氢键，其核糖环上的O3’和O2’原子分别与16S rRNA的A2657的N6原子和G1074的O6原子成氢键。这种GTP与本模型在核糖体结构上23S rRNA的RSL和16S rRNA的h35的5 ' - 1 / 2的接口处结合的局部结构如图61[9]所示。

对这个局部结构的观察表明，当EF-Tu带GTP的区域从C2658的N4原子移动到A2660的N6原子，而不是垂直于上面的移动时，GTP水解可能发生。当N4和N6原子之间的距离分别随Pβ和Pγ原子而增大时，G2659的N2位NH2基团攻击Pβ-Pγ键。EF-Tu的整体结构以及T-和p -位点tRNAs的相关区域如图62所示。在图62所示的结构中GTP水解后，EF-Tu的构象恢复到与EF-Tu和Trp-tRNA结合的核糖体的晶体结构中观察到的原始构象^Trp2 y18[38]。这样的结构如图63所示。在正常的低镁状态下，EF-Tu分子会很快离开核糖体^{2 +}浓度。A-site tRNA的构象如图56和57所示。由于a -位点tRNA的结合非常接近p -位点tRNA, p -位点tRNA的位置与图55 - 58中的其他结构几乎相同，因此SRL区域与p -位点tRNA之间的空腔变得略宽，这是EF-G应该结合的地方。如图64所示，金中的tRNA结构被认为是EF-G的一种祖先形态，其中金中的tRNA样体代表EF-G[39]的结构域IV，而另一部分代表EF-Tu整个结构的其余部分。如果在GTP水解后，EF-Tu部分发生构象变化，则会得到与图62非常相似的结构。由于EF-G结构域IV的暴露形式，或金中的tRNA部分，将非常不稳定，易位后结构将立即变得与图63相同。这正是在EF-G[40]结合后不久核糖体的晶体结构中发生的情况。为什么EF-G依赖的易位会被大图霉素的结合所抑制[31-33]，这可以很清楚地解释为图61所示的GTP水解机制中缺少h35的5 ' - 1 / 2的贡献。与EF-G依赖性易位相比，EF-Tu催化的a -位点tRNA调节似乎不受大景霉素的影响。其原因可能是h35的3 ' -半CGAGC1107区域与aa-tRNA的t -环GTѰCG区域相互作用展开，也可能是由于p γ原子与p -位点tRNA的3 ' -端(27 Å)之间的距离略有不同。 GTP hydrolysis results in a big conformational change in EF-Tu with a right hand (amino acid sequence from Ala1 to Arg190) pushing the GTPase-binding site and with a left hand (from Gly191 to Glu405) pulling the whole body of P-site tRNA. The final shape of A-site tRNA is just like a sitting-up of the T-site tRNA. On the other hand, GTP hydrolysis in translocation by means of EF-G produces a little different result from that of EF-Tu. This could be due to a slight difference in amino acid sequence between EF-Tu and EF-G (one amino acid insertion) and result in a different rotational movement with EF-G’s left hand pushing the whole body of A-site tRNA toward P-site tRNA and with its right hand pushing the GTPase-binding site to break the long helix made by the SRL region of 23S rRNA and 5’-side of h35 of 16S rRNA. The big distortion introduced by formation of the GTPase-binding site is cancelled and returns to the original state. This movement of the whole ribosome represents exactly where the driving force of the ratchet-like movement of the ribosome [41] comes from.

核糖体结合蛋白和蛋白质因子的进化

在核糖体的进化过程中，各种核糖体结合蛋白也通过改变其氨基酸序列来进行结构进化。目前作者一直在思考一个问题，即哪种类型的氨基酸序列可以选择性地识别它们在16S和23S rrna上的负责位置。核糖体蛋白的数量在细菌核糖体中为50 - 60个，在真核生物[42]的细胞质核糖体中为70 - 80个。在大肠杆菌有21个小亚基核糖体蛋白和32个单个大亚基核糖体蛋白[42]。利用大亚单位核糖体蛋白和核糖体(50)大肠杆菌， Nierhaus通过重组[43]对50S核糖体的逐步组装进行了分析。Nierhaus的50S组装图显示，大亚基核糖体蛋白L2、L3和L4分别在约1500、2200和650的23S rRNA序列上的某处被识别。图65显示了L2从大肠杆菌有相当的序列同源性Paenibacillus pabul我(p·帕布),、（t .其他), L3大肠杆菌与Alicyclobacillus sendaiensis（答:森),t .其他， L4从大肠杆菌与芽孢杆菌vallisimortis（b .西班牙),t .其他．本文的三维原子模型是基于Korosterev的笛卡尔坐标et al。[26] (PDB登录号为2HGR表示小亚单元，2HGU表示大亚单元)。16S和23S亚基的所有核糖体蛋白质的位置显示在目前工作的原子模型上，从图66到111。如果我们将图65所示的L2、L3和L4的序列对比与23S rRNA和L2、L3和L4的原子坐标进行比较，我们可能可以得到一些关于肽结构和rRNA结构之间相互作用强度的想法。在这种情况下，50亚基[43]的阶梯形重组分析结果将为我们提供大量关于蛋白质- rrna和蛋白质-蛋白质相互作用的信息。这样的分析还没有完成。

图112显示了四种gtpase效应区氨基酸序列的相似性，分别是EF-Tu及其相关延伸因子(eEF-1)、EF-G及其相关因子(eEF-2)、终止因子(RF3)和起始因子(IF-2)。EF-Tu组的蛋白质序列类型为D****E**RGITI, EF-G组的蛋白质序列类型为D****E***G**I, RF3组的蛋白质序列类型为D****E**RGIS*。值得注意的是，除IF-2外，它们都是从GTPase的一个共同序列开始进化的，但逐渐分化为三个不同的序列，对70S核糖体执行略有不同的功能。然而，这是一个完全不同的功能，起始因子必须通过将70S核糖体分裂成30S和50S亚基来开始其功能。if -2效应区氨基酸序列似乎告诉我们，如果它也是从祖先GTPase的共同结构开始进化的，那么它需要很长时间才能达到现在的状态。笔者个人认为，核糖体的RNA结构是在硅酸盐岩石的强烈影响下，在没有蛋白质因子和结合核糖体蛋白质的帮助下，在地幔底部开始形成的，特别是在环境受高压和温度控制的情况下，各种类型蛋白质结构的进化帮助了核糖体的原始形态独立于硅酸盐岩石。水的浓度和碱金属的浓度都有增加的趋势。为了保护这种趋势的水解作用，核糖体蛋白和细胞膜结构的进化一定是非常重要的。这是核糖体的进化，它也与氨基酰基trna合成酶的进化高度相关，如上所述。关于生命起源的故事始于核糖体结构的完成和信使rna在DNA出现之前如何进行自我繁殖。 This is the story of RNA world [6].

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