Uma revisão da estrutura e função do ribossomo mitocondrial

A Review of Mitoribosome Structure and Function Does not Support the Serial Endosymbiotic Theory
by Daniel C. Criswell, Logos Research Associates
October 7, 2009
Tradução, adaptação e revisão: 
Júnior D. Eskelsen, 28 de Outubro de 2013.
Ilustração: mitocôndria

Aqui você pode entender um pouco do ódio das militâncias aos criacionistas. Daniel C. Criswell revela simples detalhes, acessíveis a qualquer pessoa, que comprometem a Teoria Endossimbiótica Serial, um dos pilares da “Árvore da Vida”.


A Teoria da Endossimbiose Sequencial diz que as células eucarióticas evoluíram a partir da simbiose entre células procariotas menores, aeróbicas e autótrofas, que viviam dentro de células procariotas maiores. Ao contrário das células de plantas e animais, as células procarióticas não contêm organelos ligados a membrana ou um núcleo organizado. Com base nesta teoria, organelas como as mitocôndrias nas células eucarióticas modernas seriam as descendentes evolutivas das células procariontes aeróbicas “engolidas” pelos procariontes maiores.

As mitocôndrias têm algumas características menores que são semelhantes a bactérias como o seu tamanho, a ausência de intros no genoma mitocondrial e uma membrana bi-camada de revestimento as quais têm sido utilizadas para apoiar a teoria de endosimbiose em sequencial. No entanto, também existem diferenças significativas que fazem a transição de uma bactéria em uma mitocôndria eucariótica impossível.

Ambas, mitocôndrias e bactérias, têm ribossomos feitas de proteínas e ácido ribonucleico (RNA em inglês) para catalisar a síntese de proteínas.

Quando a teoria de endosimbiose sequencial foi proposta pela primeira vez presumiu-se que os ribossomas ocorreu somente em duas formas: uma menor variedade 70S encontrados em procariotas e uma maior 80S de ribossomas encontrada no citosol de células de eucariotas. De acordo com a Teoria da Endossimbiose Sequencial, os ribossomos presentes em mamíferos, nas mitocôndrias, eram para se assemelhar aos ribossomos dos procariontes 70S. No entanto a estrutura dos ribossomos mitocondriais dos mamíferos, RNA e sequências de aminoácidos indicam que os ribossomos mitocondriais dos mamíferos são completamente diferentes dos ribossomos procariontes.

A evolução dos ribossomos de mamíferos a partir de procariontes requer grandes mutações e eventos de seleção para transformar um ribossomo procarionte em um ribossomo mitocondrial como os observados hoje em mamíferos. No entanto as simulações de computador com dados de leveduras e humanos têm mostrado que a seleção natural não é capaz de selecionar novas estruturas benéficas em eventos de mutação aleatória. Experimentos introduzindo pequenas alterações no RNA e sequências de proteínas dos ribossomos também demonstraram que essas mudanças são prejudiciais e levam a uma diminuição de fitness.
É evidente, a partir do conhecimento adquirido sobre a estrutura e função do ribossomo mitocôndrial como a proposta da Teoria Endossimbiose Sequencial, que procariontes não são os ancestrais das mitocôndrias de mamíferos ou dos outros Eucariontes.

Palavras-chave: mitocôndrias, endossimbiose, ribossomo, eucarionte,procarionte, 
ácido ribonucleico (RNA), proteína

Sumário

» Introdução
» Ribossomos e Teoria Endossimbiótica Sequencial
» Comparação da estrutura de ribossomos procariontes e eucariontes
» Diferenças funcionais entre os ribossomos procariotas e os mitorribossomos
» Transformando um ribossomo Procarionte em um Mitorribossomo
» Resistência a antibióticos em procariontes: um modelo para as consequências das alterações em ribossomos ❋
» A seleção poderia alterar um ribossomo? ❋ ❋
» Conclusão
» Referências

Introdução (sumário)

Muitas pessoas assumem que os organismos “primitivos” são feitos de células com menor número de vias metabólicas, menos organização, e genomas menores do que os organismos mais “avançados”. De acordo com a teoria da evolução, os organismos unicelulares chamados “primitivos” procariontes (“genoma primitivo” ou “anterior ao núcleo”) foram as primeiras células a aparecer na Terra. A adição de vias metabólicas e genomas maiores conduziria eventualmente a evolução de procariotas em tipos de células mais avançada e organismos multicelulares.

Organismos “avançados”, chamados eucariontes (“genoma moderno ou nuclear”), são feitos de células com mais rotas metabólicos, maior
organização e genomas maiores. Muitas vias metabólicas eucariotas e genomas são localizadas em compartimentos no interior das células a fim de facilitar o aumento de reações metabólicas necessárias para manter os sistemas mais complexos. A compartimentação, presente na forma de organelas delimitadas por membrana, é uma das características distintivas que separa eucariontes de procariontes. Procariontes típicos, como as bactérias, são organismos unicelulares que não tem compartimentação em muitas de suas reações metabólicas. Plantas (incluindo algas), fungos e animais têm células com muitas organelas incluindo um núcleo, mitocôndrias e cloroplastos (plantas), que “sequestram” reações que permitem os mais diversos tipos de células e funções.

Por eucariotos terem geralmente mais vias metabólicas e genomas maiores admite-se que as células eucariotas evoluíram a partir de procariotos, menos complexos. A principal hipótese que explica a evolução das células eucarióticas a partir de células procariotas é a Teoria Endossimbiótica ou Teoria Endossimbiótica Sequencial (TES) popularizada por Lynn Margulis (Margulis 1970). A TES propõe que as células eucarióticas evoluíram a partir de uma comunidade simbiótica de procariontes menores que viviam dentro das células procariotas maiores.

Um cenário simples para TES sugere uma série de eventos iniciados com a membrana plasmática procariota dobrando internamente, evoluindo eventualmente caracterizando o sistema endomembranoso do retículo endoplasmático e complexo de Golgi. As células procariotas aeróbias menores foram tragado por procariontes maiores com os procariontes menores eventualmente evoluindo para as mitocôndrias. Os cloroplastos originaram-se quando a simbiose entre pequenas bactérias autotróficas e procariontes maiores seria resultado da incorporação de procariontes autotróficos nos procariontes maiores (Campbell e Reece 2005).

As alphaproteobacteria – como as espécies Paracoccus, Rickettsia e Bartonella – são consideradas semelhantes aos procariontes ancestrais que deram origem a mitocôndria, isso baseado em comparações de sequências de RNA ribossomal (Andersson et ai, 1998;. Kurland e Andersson, 2000; Margulis, 1970; . Suzuki et ai, 2001b; Yang et ai 1985).. Estas comparações são também baseadas no pressuposto de que um ancestral procarionte das mitocôndrias transferiu muitos dos seus genes para o genoma hospedeiro, resultando em mitocôndrias com genomas menores, enquanto o núcleo eucariota evoluiu possuindo quase todos os genes para a estrutura e função mitocondrial. Embora esta hipótese não esteja sem problemas.

Os genomas mitocondriais humanos e bovinos tem apenas 37 genes, incluindo 13 genes codificadores de proteínas, 22 genes tRNA, e dois genes rRNA. Esta configuração de genes está também presente em todos os outros genomas mitocondriais de vertebrados conhecidas. Não só os vertebrados possuem os mesmos genes, a ordem dos genes é idêntico em todas as espécies com a exceção de algumas espécies que possuem a ordem de apenas um par de genes de RNA de transferência invertido (Moe et ai 1997,. Mindell, Sorenson, e Dimcheff 1998).

O conteúdo e a ordem dos genes é um forte indício de estase, sem transferência de genes mitocondriais para o núcleo em espécies de vertebrados. Em um cenário evolutivo isso representaria cerca de 400 milhões de anos de estagnação. Os genes para as proteínas de ribossomos mitocôndrias vertebrados estão localizados no genoma nuclear como várias centenas de outros genes, incluindo aqueles para a fosforilação oxidativa e arquitetura mitocondrial. Além disso, os genes dos ribossomos mitocondriais estão espalhados entre os cromossomos dos genomas sequenciados, como seres humanos e Bos taurus (Boi) e tem íntrons característicos de genomas eucariontes.

Escherichia coli, um procarionte típico, tem muitos genes de proteínas ribossomais agrupados no cromossomo e, claro, por ser procarionte, estes genes não tem os intrões característicos dos genes de ribossomos humanos ou bovinos.

Rickettsia prowazekii, uma típica a-proteobactéria sugerida como um tipo de antepassado mitocondrial, tem 834 genes conhecidos codificadores de proteínas (Andersson et al. 1998), que é mais de 20 vezes o tamanho do genoma mitocondrial de vertebrados e mais do que 12 vezes os tamanho do genoma mitocondrial do protozoário Reclinomonas americana (67 genes), que possui o maior genoma eucarionte mitocondrial conhecido. Certamente, se a TES é válida, todas as transferências de genes tiveram que ocorrer antes da radiação dos vertebrados e, provavelmente, antes de a radiação de eucariotas unicelulares.

A Rickettsia prowazekii é normalmente considerada uma representante do tipo de procariontes que poderiam ter sido um ancestral das mitocôndrias eucariontes. A Rickettsia prowazekii tem um dos menores genomas e vários genes estão organizados semelhantemente ao genoma mitocondrial da Reclinomonas americana, que acreditam representar um dos primeiros tipos de células eucariotas (Andersson et al. 1998). As mitocôndrias da Reclinomonas americana têm a maioria dos genes que codificam proteínas (67) do que qualquer DNA mitocondrial eucarionte conhecido, incluindo 49 genes ortólogos codificadores de proteínas que são encontradas em genomas mitocondriais sequenciados de outros eucariotas (Gray, Burger, e Lang, 1999;. Gray et al, 1998).

Outras fontes de apoio à TES incluem a observação de muitos organismos endossimbióticos existente hoje, a estrutura similar de mitocôndrias e cloroplastos com bactérias (Margulis 1993;. Zablen et al 1975), comparações entre sequências de DNA em organelas eucarióticas e procariontes (Yang et al. 1985) e comparações do citocromo c (Dickerson 1980).[cyt c]

Há muitos exemplos de endossimbiose observadas entre os organismos existentes, mas a endossimbiose em sequencial não deve ser confundido com o endossimbiose observada entre diferentes tipos de organismos. A TES propõe que as relações simbióticas entre os organismos observados na natureza reflete um processo semelhante de partida para a evolução das células eucarióticas.

A TES ganhou ainda mais apoio após a melhor compreensão de parte da estrutura mitocondrial eucarionte, o que revelou muitas semelhanças com as bactérias descritas em outro livro por Margulis (Margulis, 1993). Estas semelhanças incluem um tamanho semelhante com o das bactérias se descobriu que a transferência genética horizontal ou lateral, pode ocorrer entre o núcleo e as mitocôndrias ou cloroplastos(Adams, Ong, e Palmer 2001; Chacinska e Rehling 2004; Covello e Gray, 1992). Isto proporcionou uma suposição para explicar os genes do DNA nuclear codificarem proteínas de cloroplastos e mitocôndrias ao invés dos seus respectivos genomas e, assim, como os genomas desses organelos tornaram-se consideravelmente menores do que os seus ancestrais
homólogos de procariontes(Adams e Palmer 2003).

Apesar das semelhanças existentes entre mitocôndrias e cloroplastos de eubactérias e eucariontes documentadas muitos problemas permanecem sem solução em conciliar a TES com o conhecimento atual dos sistemas biológicos de organismos procariontes e eucariontes. Com o aumento do conhecimento adquirido a partir de sequenciamento de genomas com grande representação em todos os domínios da vida e vários milhares de genomas de organelas, as diferenças na estrutura e na seqüência de DNA dos genomas de organelas e procariontes como conjuntos de organismos ancestrais tem deformado a validade da TES.

Vários pesquisadores proeminentes têm notado os problemas de endossimbiose como um modelo para a origem das células eucarióticas. Por exemplo, Kurland e Andersson, declararam não ser possível identificar o hospedeiro ancestral endossimbionte para TES e que a teoria endossimbiótica corrente (em 2000) necessitava ser modificada (Kurland e Andersson, 2000). Gabaldon e Huynen também observaram que não há eucarionte existente cujo estado “amitocondriado” poderia ser considerado ancestral (Gabaldon e Huynen 2004) e reconheceu as implicações para a TES se esta situação se mantiver inalterada. Depois de examinar as propriedades dos ribossomos mitocôndrias de mamíferos, O’Brien observou que as propriedades incomuns desses ribossomos levantam questões sobre sua relação com outros tipos de ribossomos (O’Brien, 2002). Obviamente, nenhum desses pesquisadores estão em processo de abandono de pensamento evolucionista, mas todos fizeram avaliações honestas sobre a situação sem solução para a origem evolutiva das células eucarióticas.

Não só a identificação de um ancestral representante permaneceu desconhecida, mas à medida que mais informação são encontradas na estrutura das mitocôndrias em particular, a plausibilidade da TES torna-se menos sustentável. No centro desta controvérsia está a estrutura e função dos ribossomos mitocôndrias eucariotas e a sua falta de semelhança a um suposto ancestral ribossomo procarionte. Deve-se reconhecer que, em um cenário evolutivo mais de 2 bilhões de anos se passaram, o que permitiria uma quantidade incrível de divergência entre os organismos eucariontes resultantes e os ancestrais procariontes (Adams e Palmer 2003; Gabaldon e Huynen 2004; Smits et ai. 2007). No entanto, para a TES ser plausível deve haver evidência observável ligando os descendentes (mitocôndrias) a um ancestral (procarionte) e um mecanismo viável para converter as estruturas existentes através do estado ancestral.

Ribossomos e Teoria Endossimbiótica Sequencial (sumário)

Os ribossomos mitocondriais foram assumidos como semelhantes aos ribossomos bacterianos em tamanho e estrutura. A estrutura e composição dos ribossomos mitocondriais (mitorribossomos) em comparação com ribossomos procariontes é o foco deste trabalho, uma vez que seria necessário um livro para cobrir todas as implicações da TES com base nas provas restantes apresentadas por Margulis e outros. A importância dos ribossomos para a TES é facilmente compreensível reconhecendo simplesmente que todos os caminhos bioquímicos são afetados pela estrutura, função e atividade dos ribossomos. Isto é verdade para todos procariontes e eucariontes. Mudanças na estrutura e função do ribossomo afetam todas as funções celulares dependentes da síntese de proteínas.

Antes da elucidação da estrutura do ribossomo assumiu-se que os ribossomos tem origem em dois tamanhos: um pequeno 70S encontrados em procariontes e um maior 80S encontrado no citoplasma de eucariontes. Esperava-se que, com base na TES ribossomos mitocondriais eucariontes em geral seriam os ribossomos menores, 70S, consistentes com a noção de que as mitocôndrias descendem de um procarionte aeróbico (O’Brien, 2003). Recentes avanços em técnicas de biologia molecular têm identificado os componentes estruturais e funcionais dos ribossomos de muitos procariontes e eucariontes e as informações a partir desses estudos é inconsistente especificamente com uma origem dos ribossomas mitocôndrias eucariontes através da TES, toda a origem das células eucarióticas a partir de um ancestral procarionte em geral. Existe uma vasta gama de tamanhos de ribossomos, dependendo do organismo e se o ribossomo está localizado no citosol, nas mitocôndrias, nos cloroplastos ou em um eucariota. Assumiu-se ainda, especificamente, que os vertebrados, incluindo mamíferos, teriam ribossomos mitocondriais semelhantes aos ribossomos 70S num antepassado procarionte ao invés dos 80S, seus homólogos citosólicos (Mears et ai. 2006).

Comparação da estrutura de ribossomos procariontes e eucariontes (sumário)

Todos os ribossomas são feitos de ácido ribonucleico (RNA) e proteínas. A Escherichia coli, uma típica procariotas e organismo modelo para a estrutura e função do ribossomo 70S, tem os ribossomos típicos de todos os procariotas (Cannone et ai. 2002). Ribossomos e suas subunidades de RNA são classificadas de acordo com um coeficiente de sedimentação (S). Os coeficientes de sedimentação são derivadas, em parte, do tamanho das moléculas de proteína e da composição de ácido nucleico como densos ou porosos durante a centrifugação. Consequentemente, algumas características de um ribossomo podem ser derivadas pelo conhecimento da composição do ribossomo e o seu coeficiente de sedimentação.

Os ribossomos com estrutura e composição semelhante terão coeficientes de sedimentação semelhantes enquanto ribossomos maiores geralmente têm coeficientes de sedimentação maiores do que moléculas menores.

Existem duas subunidades 70S no ribossomo da E. coli: uma pequena subunidade 30S (SSU), composto por 1.540 nucleotídeos do 16S RNA ribossomal (rRNA) e 21 proteínas, e uma grande subunidade 50S (LSU), composto por 23S e 5S rRNA (2.800 nucleotídeos) e 31 proteínas (Cannone et . ai 2002; Garrett e Grisham, 1999). As pequenas (30S) e grandes (50S) subunidades se reúnem para formar um ribossomo 70S durante a iniciação da síntese de proteínas.

Ribossomas citosólicos de mamíferos são maiores do que os seus homólogos procariotas contendo uma pequena subunidade 40S de rRNA 18S feito (1900 nucleótidos) e 33 proteínas, e uma subunidade grande feita de rRNA 28S e 5S (4700 nucleótidos) e 49 proteínas (Garrett e Grisham, 1999). Os ribossomos mitocondriais dos mamíferos (mitorribossomos) têm um coeficiente de sedimentação menor (55S) do que os ribossomos de procariotas, mas na verdade são maiores e mais pesados indicando que eles têm uma estrutura interna distintamente diferente de ribossomas procariotas. Mitorribossomos humanos, típicos de mamíferos, tem uma pequena subunidade 28S feita de RNA 12S (954 nucleótidos) e 33 proteínas, e uma subunidade grande feita de 39S RNA 16S (1558 nucleótidos) e 48 proteínas (Anderson et al, 1981;. O’Brien 1971; Smits et al 2007).. Os mitorribossomos mamíferos têm apenas 2/3 de RNA como os procariontes porém, 60% mais proteína. Ribossomos procariontes também tem 2/3 de RNA porém, apenas 1/3 de proteínas, em peso, enquanto que o inverso é verdadeiro para os mitorribossomos de mamíferos que são de 2/3 de proteína e 1/3 de RNA (Matthews et al. 1982). Os mitorribossomos mamíferos têm uma massa maior do que os ribossomos 70S procariontes, principalmente devido às suas proteínas maiores. O mitorribossomo bovino (Bos taurus), também típico dos mamíferos, tem uma massa de 2,64 x 10⁶ dalton (Da) determinadas a partir do RNA ribossomal mitocondrial e teor de proteína (Matthews et ai. 1982). Esta é maior do que a massa (2,49 x 10⁶ Da) do ribossomo da E. coli 70S (Patel, Cunningham, e Hantgan 2001). O tamanho do mitorribossomo bovino também é 24% maior do que os ribossomos 70S procariontes quando analisados por microscópio eletrônico (Patel, Cunningham, e Hantgan 2001).

Diferenças funcionais entre os ribossomos procariotas e os mitorribossomos (sumário)

As diferenças nos teores de proteína e RNA e os coeficientes de sedimentação entre ribossomos procariotas e eucariotas mitorribossomos não são triviais, eles são um indício de que existem grandes diferenças estruturais entre cada tipo de ribossomo. Devido as diferenças no conteúdo de RNA e proteína, presume-se, de acordo com a TES, que os antepassados das mitocôndrias eucariontes perderam um tanto de RNA ribossomal das mitocôndrias e substituiu com novas proteínas, proteínas bi-funcionais exaptadas ou extensões N-/C-terminais de proteínas existentes (O’Brien 2002;. Smits et al 2007).

A função de todas os ribossomos é essencialmente idêntico, e não deve ser surpreendente que haja regiões “conservadas” (usadas aqui para denotar RNA semelhantes e sequências de aminoácidos e estrutura) de ribossomas em diferentes domínios de vida. Todos os ribossomos, quer em um procarionte, no citosol de um eucarionte, na matriz mitocondrial ou no estroma do cloroplasto, é o sítio de tradução para o código de DNA e síntese de proteínas. A iniciação da síntese de proteínas, em procariotas, ocorre quando as sequências de iniciação de tradução no RNA mensageiro (mRNA) ligam as sequências complementares ao longo do rRNA da menor subunidade. Um complexo de iniciação se forma quando fatores de iniciação, a subunidade menor, o mRNA e a subunidade maior se montam.

O local da peptidil (local P), localizado em ambas as subunidades pequenas e grandes, é inicialmente ocupado por uma metionina modificada em um tRNA. (A modificação depende de que tipo de ribossomo está envolvido). O alongamento da cadeia polipeptídica começa conforme um tRNA cognato reconhece o codão correto no mRNA ocupando o local A (Aminoacil, um local composto de rRNA a partir de ambas as subunidades) e forma uma ligação peptídica com a cadeia de polipéptido ligado ao tRNA no sítio P. O peptidil-tRNA descarregado é liberado quando o tRNA no local A é ligado à cadeia de polipeptídeo e se transloca para o local P vago com o auxílio de um fator de alongamento e o dispêndio de energia a partir da hidrólise do trifosfato de guanosina (GTP). Estes passos são repetidos até que o polipéptido esteja formado e a tradução termina quando o ribossoma atinge um codão de parada no mRNA (Garrett e Grisham, 1999).

Porque a tradução é basicamente o mesmo processo em todos os tipos de células, mitocôndrias e cloroplastos, não deveria ser surpreendente que exista um grau de homologia nas regiões diretamente envolvidos com o processo de formação de um polipéptido nascente (Mears et ai. 2006). O que é surpreendente é o grau de divergência entre o resto do ribossoma em diferentes células e organelas. Uma breve comparação entre a estrutura bruta de ribossomos procariotas e ribossomas eucariotas mitocôndrias não confirmam a “teoria da substituição de RNA” da TES, mas apresenta tipos distintos de ribossomos em procariontes e mitocôndrias.

Crio-microscopia eletrônica (crio-ME) de mitorribossomos bovinos (Bos taurus) identificou estruturas distintas para mitorribossomos bovinos em relação aos procarionte ou ribossomos citosólicos eucarionte (Mears et al 2002;.. Sharma et al 2003). A crio-ME forneceu provas que as proteínas adicionais e alargada em mitorribossomos mamíferos não compensam os segmentos de RNA em falta, mas ocupam posições diferentes nas subunidades de mitorribossomos (Sharma et al. 2003).

Sharma et al. deram vários exemplos da estrutura “divergente” de mitorribossomos e o que se segue é um resumo de alguns dos pontos mais importantes dos seus dados. As pequenas e grandes subunidades dos ribossomas são unidas por “pontes” durante a iniciação da tradução e a estrutura e colocação dessas pontes são bastante diferentes na comparação de mitorribossomos mamíferos com ribossomos procariontes. Os ribossomos 70S procariontes tem nove pontes entre as subunidades que ligam as duas subunidades ribossomais durante a tradução(Yusupov et al 2001;. Wimberly et al 2000).. Os mitorribossomos 55S são mantidos unidos por 15 pontes entre as subunidades com apenas seis destas pontes semelhantes as encontrados em procariontes (Sharma et al. 2003). As nove pontes entre as subunidades em mitorribossomos não foram encontradas em procariontes, são dominadas por interações proteína-proteína, enquanto os ribossomos procariontes são por pontes RNA-RNA (Sharma et al., 2003). Embora seja verdade que as proteínas sejam responsáveis pela maior parte da rede de pontes dos mitorribossomos ao contrário das pontes de RNA em ribossomos procarióticas, é essencial reconhecer que as pontes de RNA em ribossomos procariotas não são substituídos por pontes de proteínas em mitorribossomos. As pontes de proteínas em mitorribossomos são distinta de todas as pontes identificadas nos procariontes e não existem homólogos procariontes para as nove pontes “novas” dos mitorribossomos.

Proteínas compõem uma parcela maior do mitorribossomo que do ribossomo procarionte. Estariam estas proteínas na verdade compensando a menor quantidade de RNA nos mitorribossomos ou elas estão em novas posições com funções distintas dos procariontes? A estrutura da ponte discutida acima mostra que muitas das proteínas adicionais têm diferentes posições no mitorribossomo do que aqueles no ribossomo procarionte. Isto é verdade para muitas das outras proteínas no mitorribossomo também. Há 33 proteínas (de 81 identificados até agora) em mitorribossomos humanos que não têm homólogos em ribossomos procariotas (Smits et al., 2007). Uma das diferenças mais distintas na estrutura da proteína do mitorribossomo é o local de muitas destas proteínas na porção superficial do ribossomo (Sharma et al. 2003). Em procariotas as proteínas são localizados esporadicamente em manchas sobre o exterior do ribossomo (Carter et al 2000,. Sharma et al. 2003,. Wimberly et al 2000.). Não são apenas as proteínas em diferentes posições, mas as estruturas sob crio-ME indicam que apenas ~ 20% dos componentes de RNA que faltam no mitorribossomo (em comparação com ribossomos procarionte) são substituídos por proteínas específicas de mitorribossomos (Mears et ai. 2006). Entre as proteínas que são homólogas em posição no ribossomo em ambos os ribossomas procariotas e mitorribossomos um aumento geral de tamanho nos mitorribossomos é observada. Isto é devido aos acréscimos de extensões assumidas aos terminais N-/C das proteínas homólogas.

Não é viável discutir todas as 48 proteínas homólogas individualmente para os fins do presente documento, mas uma discussão da proteína procariota, uma pequena subunidade, S15 irá fornecer um exemplo típico das diferenças significativas entre as proteínas “homólogas” procariotas e mitorribossomais como também explicar a importância de algum grau de homologia. A proteína mitorribossomal de mamíferos S15 é 2,4 vezes mais massiva que a sua homóloga na E. coli. Esta diferença do tamanho é atribuível às extensões dos terminais N-/C- da proteína mitorribossomal S15 (Suzuki et ai. 2001a). As proteínas S15 em procariotas e mitorribossomos se ligam ao RNA 16S e ao 12S de RNA, respectivamente, ao longo da hélice de cadeia dupla 34 (numeração de E. coli) (Suzuki et al, 2001a,.. Cárter et ai, 2000).

A S15 tem quatro a-hélices que permitem a sua ligação à hélice da cadeia dupla de RNA, tanto em procariotas como mitorribossomos, em uma área envolvida com a translocação do polipéptido de crescimento a partir do local A para o local P (Brink et ai. 1994; Cárter et ai, 2000;. Suzuki et ai, 2001a).

Não deve ser surpreendente que as sequências de aminoácidos da a-hélice S15, em ambos os tipos de ribossomos, dividem cerca de 36 a 38% de homologia dentre os vários procariotas (incluindo R. prowazekii e E. coli) comparados aos mitorribossomos de mamíferos (Suzuki et al, 2001a. ).

Os procariotas não possuem sequências homólogas às extensões terminais N-/C- nas proteínas S15 de mitorribossomos e pesquisas por sequências parálogas de DNA não foram encontradas no genoma humano, indicando que as extensões terminais N-/C- da S15 são novos e não se originaram a partir de sequências preexistentes dentro do genoma humano (Suzuki et ai. 2001a).

Isto parece ser também verdade para as extensões terminais N-/C- de outras proteínas mitorribossomais que são identificados como “homólogas” a proteínas ribossomais procariotas. É importante notar isto, porque as extensões terminais de N-/C- teriam que se originar a partir das sequências de DNA recém-criados, não a partir de DNA existentes (tais como os pseudogenes, genes duplicados, ou as regiões não traduzidas) que podem ser recrutadas para substituir o RNA “perdido”.

Devido às diferenças de composição de RNA e proteínas, bem como os arranjos distintamente diferentes de RNA e das proteínas na comparação dos mitorribossomos com os ribossomos procariontes, não deve ser surpreendente descobrir grandes diferenças na especificidade dos dois sistemas de tradução. mitorribossomos não têm a capacidade de reconhecer as sequências Shine-Delgarno no mRNA, que é necessária para a iniciação da tradução em ribossomos procariontes, mas obviamente não para mitorribossomos (Sharma et al., 2003). mitorribossomos de mamíferos também possuem um sítio de ligação de GTP intrínseco na proteína da subunidade menor, que é única entre todos os sistemas conhecidos de translação (Denslow, Anders, e O’Brien, 1991; O’Brien, 2002) e muito diferente do local de ligação da GTP localizada no alongamento do fator G em procariontes (Bilgin et ai 1990,.. Cárter et ai, 2000). As características exclusivas de estrutura e composição do mitorribossomo o tornam capaz de processar exclusivamente seu próprio mRNA. O mRNA mitocondrial não têm modificações no 5′ e 3′ encontradas no mRNA do citosol eucarionte ou mRNA procarionte, e tem um codão de iniciação dentro de três nucleótidos da extremidade 5′, todas essas características exclusivas entre os mRNA’s e sistemas de tradução (Anderson et al 1982.; Sharma et ai. 2003).

Comparações entre as sequências de genes de RNA mitorribossomal (rDNA) e rRNA procariota das subunidades (pequenas e grandes) são difíceis devido à ausência de sequências homólogas. As diferenças de seqüência são tão significativas que os programas de alinhamento disponíveis no National Center for Biotechnology Information (NCBI) não alinham essas sequências, em parte devido à diferença de comprimento (por exemplo, procarionte: E. coli RNA ssu 1540 nucleotídeos; mitorribossomo humano ssu RNA de 954 nucleotídeos) e em parte devido às diferentes frequências de nucleotídeos no rRNA . Um alinhamento pode ser forçado manualmente usando um programa como ClustalX, mas estes alinhamentos, que são altamente subjetivos, mostram menos do que 40% de homologia entre os dois tipos de RNA da subunidade pequena com longos períodos de lacunas no alinhamento resultando em contagens insignificantes.

Uma comparação das frequências de nucleótidos revela vários desvios marcantes. A guanina é a que ocorre mais frequentemente nas sequências de nucleótidos (30%) em RNA ribossomal (rRNA) de procariontes, mas ela é menos de 18% dos nucleótidos do rRNA mitocondrial bovino (Mears et ai. 2006). Por outro lado a adenina compõe apenas 25% das sequências em rRNA de procariontes, mas compõe 38% das sequências de rRNA mitocondrial em bovinos (Mears et al., 2006).

Embora existam várias hairpin loop com nucleótidos emparelhamentos na estrutura secundária do rRNA (Carter et al 2000,.. Wimberly et al 2000), deve notar-se que a maior parte do rRNA em ribossomos não é emparelhada fazendo a frequência dos nucleótidos individuais muito mais importante para a estrutura secundária e o papel do rRNA do que as frequências de nucleótidos num ácido nucleico de cadeia dupla, tal como o DNA.

A esmagadora evidência da singularidade em estrutura e função do mitorribossomo em relação ao ribossomo procarionte é uma prova de que mitorribossomos são muito diferentes e não compartilham ancestral comum. A estrutura dos ribossomos em organelas, procariontes e no citosol eucarionte são tão diferentes que são facilmente distinguíveis um do outro. Esta singularidade se estende até mesmo para os diferentes domínios da vida onde ribossomos de arqueas e bactérias são muito diferentes, não tendo “zonas cinzentas” da confusão entre a identidade de cada tipo de ribossomo (Roberts et al. 2.008).

Transformando um ribossomo Procarionte em um Mitorribossomo (sumário)

Certamente pode-se argumentar que 2 bilhões de anos de evolução criaram as enormes diferenças entre os ribossomos procariontes existentes e seus, agora evidentes, “parentes distantes” mitorribossomos de vertebrados. Quais os mecanismos que promovem ou mesmo permitem a conversão de um ribossomo do tipo procarionte para o bem diferente mitorribossomo? Seria uma acumulação de mutações quase neutras no DNA que codifica os componentes de máquinas e de proteínas ribossomais de tradução resultando numa transição para um ribossoma inteiramente diferente? Ou foram fortes pressões do ambiente que incentivaram a seleção de DNA, RNA, proteínas e alterações que facilitaram a conversão dos ribossomos do tipo procarionte em mitorribossomos?

É bem documentado que mitorribossomos e ribossomos procariontes não estão sob a definição clássica do modelo neutro da teoria da evolução (Hasegawa, Cao, e Yang, 1998; Rand 2008). A razão mais simples para essa omissão é as altas taxas de substituição não sinônimas/sinônima de uma mesma espécie e entre espécies, uma condição não é compatível com a teoria neutra. Só uma discussão sobre mutação e seleção natural será considerada uma vez que há muitas evidências de que mitorribossomos, especialmente, estão sob fortes pressões seletivas.

Resistência a antibióticos em procariontes: um modelo para as consequências das alterações em ribossomos ❋ (sumário)

O rápido tempo de cada geração e as altas taxas de mutação em procariontes permitem alteração genética limitada permitindo adaptações às mudanças nas condições ambientais microbianas. Estas alterações são limitadas pelo custo da maquinaria metabólica de organismos afetados e são eliminadas a partir da população, quando as condições ambientais retornam, favorecendo o fenótipo anterior a mutação (Criswell et ai. 2006). As mutações no RNA ribossomal e proteínas que conferem resistência a antibióticos têm proporcionado um modelo excelente para as limitações de variação genética em muitos procariontes, e um entendimento de alguns destes mecanismos irá clarificar as limitações de variação de ribossomos em sistemas de tradução procariontes existentes. Existem numerosos trabalhos que documentam o custo da aptidão dos procariontes e outros micróbios que acumulam mutações no RNA ribossomal e de proteínas que conferem resistência a antibióticos específicos. (Veja Criswell et al. 2006 para muitas destas referências.) No entanto, o mais importante é o efeito que estas mutações têm em função do ribossomo e a plausibilidade de que mutação seja um possível mecanismo para a conversão de um ribossomo procarionte em um distintamente diferente mitorribossomo.

Muitas mutações que conferem resistência a antibióticos na E. coli (e uma série de outras bactérias) foram documentadas e os mecanismos de resistência bem estudados. Uma mutação de resistência a antibióticos que é bem conhecida é a mutação do DNA que muda o emparelhamento de bases na hélice 34 do RNA 16S ribossomal, conferindo resistência ao antibiótico espectinomicina (Brink et al. 1994). Uma mutação C1192G na hélice 34 e na sua parceira de emparelhamento G1064C proporcionam baixos níveis de resistência à espectinomicina, mas, mais importante ainda, resulta num decréscimo de cinco vezes na taxa de crescimento (Brink et al. 1994). A atividade da cloranfenicol-acetiltransferase (CAT), em E. coli portadoras desta dupla mutação, foi de apenas 20% dos níveis normais (não mutantes ou de tipo selvagem), verificando-se o custo da maquinaria metabólica desta mutação (Brink et al. 1994). Os níveis reduzidos de atividade da CAT resultaram da capacidade reduzida da E. coli montar o ribossomo 70s das subunidades menores portadoras da mutação dupla (Brink et al., 1994). As mutantes que não estão na presença de espectinomicina seriam (e são) rapidamente eliminados pela sua incapacidade de competir com as estirpes que transportam as sequências de RNA originais e mais eficazes fazendo com que a população volte aos mecanismos metabólicos mais eficientes portados no DNA. Embora isto seja somente um exemplo das consequências de alteração do ribossomo procarionte, é típico das mutações que estão documentadas conferir resistência a antibióticos. Mutações causam grandes alterações na estrutura secundária de ribossoma e tem consequências acentuadas que são ampliados por toda a célula assim como todas as atividades metabólicas são afetados pela fidelidade da síntese de proteínas realizada pelos ribossomos (Allen e Noller 1989).

A competição entre os diferentes tipos de ribossomas também tem sido observada em E. coli, confirmando que é improvável que os ribossomos aberrantes sejam incorporadas na maquinaria metabólica quando os ribossomas do tipo selvagem ou específicos da célula ainda estão presentes. A E. coli, transmutada com um plasmídeo portador de genes específicos do 16S ribossomal da Salmonella enterica resistentes à espectinomicina, não foi capaz de adquirir resistência a espectinomicina (O’Connor e Dahlberg, 2002). Embora os genes para a Salmonella ribossomas sejam 97% idênticos na sequência de DNA aos ribossomos da E. coli (Krawiec e Riley, 1990), é provável que as pequenas subunidades da Salmonella o gene de RNA 16S foram incapazes de competir com as proteínas ribossomais da E. coli e fatores de conversão para a montagem ribossômica (O’Connor e Dahlberg, 2002). A incapacidade da E. coli de montar os componentes com os ribossomas 16S “estranhos” de RNA é uma evidência de que as principais alterações no genoma procarionte não são incorporados na bioquímica do organismo ou em seu material genético.

Isto é uma indicação de que as estruturas capazes de proporcionar uma vantagem temporária para a célula necessitam de uma série de mudanças simultâneas na maquinaria celular para a utilização dos componentes aberrantes resultantes de alterações súbitas de múltiplos componentes.

Para a TES ser viável, é necessário identificar os mecanismos observáveis que convertem ribossomos procariontes em mitorribossomos com as características observadas hoje em sistemas procariontes ou protistas ( R. americana ). Com o pequeno genoma mitocondrial encontrados ena R. americana e os 400 milhões de anos de estase (de acordo com a evolução) observada no genoma mitocondrial vertebrado, não há nenhuma evidência observável que qualquer parte da TES ocorreu após a divergência de vertebrados.

A seleção poderia alterar um ribossomo? ❋ ❋ (sumário)

Os mecanismos primordiais considerados para a evolução são a mutação e a seleção natural. A evidência anterior demonstra que a seleção ocorre entre os procariontes que sofrem mutações em ribossomos resistentes aos antibióticos. A seleção também foi documentada na população de ribossomos mitocondriais na linha germinal dos mamíferos. Mas a seleção natural pode realmente escolher as mutações que permitem que um organismo obtenha alterações significativas permanentes em seu genoma, na bioquímica e, conseqüentemente, ao fenótipo que são benéficos para um ambiente diferente proposto?

Uma equipe de cientistas trabalhou no Institute for Creation Research desenvolveu um programa de simulação computacional para testar a hipótese de que a seleção natural poderia usar mutações para corrigir alterações benéficas no genoma ao eliminar mutações deletérias e, conseqüentemente, evoluindo de um organismo em uma nova forma ou espécie ( Sanford et al. de 2008). Os resultados de suas simulações com genomas humanos e leveduras demonstraram que a seleção poderia remover pouquíssimas mutações deletérias durante a seleção de mutações benéficas. Um resumo de suas simulações de população revelou os seguintes princípios:

1) Mutações deletérias continuam a se acumular ao longo do tempo.

2) A seleção foi incapaz de separar mutações deletérias de mutações benéficas. Ambos os tipos de mutações são herdadas em conjunto.

3) O efeito líquido da mutação é sempre negativo.

4) Pelo efeito geral ser sempre negativo a aptidão sempre diminui com o tempo. Isso resulta em um aumento na entropia genética ou perda de informação que conduz à extinção e não novos tipos de organismos ou sistemas biológicos.

Os resultados do trabalho de Sanford et al. são confirmados pela evidência experimental de organismos resistentes a antibióticos que perdem aptidão com o acumulo de mutações. A proposta de uma “rota evolutiva” do ribossomo mitocondrial a partir de um ancestral procarionte contradiz a evidência observável e experimental indicando estase entre essas máquinas biológicas importantes.

Conclusão (sumário)

Ribossomos mitocondriais são muito diferentes dos ribossomos procariotos na estrutura e nas especificidades de tradução e síntese de proteínas. A estrutura do ribossomos mitocondrial é distintamente diferente de ribossomos procariontes, evidenciada por uma maior massa e tamanho, mas o coeficiente de sedimentação menor. Os ribomossomos mitocondrial diferem dos ribossomos procariontes em RNA e em proteínas, a posição e função do RNA ribossomal e das proteínas, e são significativamente diferentes em sequência, especialmente nas regiões que sem relação com o tRNA ou a cadeia polipeptídica em crescimento. Ribossomos mitocondriais têm muitas características únicas para um sistema de tradução mitocondrial incluindo novos mRNAs, modificações nos ribossomos mitocondriais para processar mRNA mitocondrial e um sítio singular de ligação GTP durante o alongamento polipeptídico.

Um cenário possível para converter ribossomos procariontes en ribossomos mitocondriais não está próximo. As mutações, em ambos os procariontes e os ribossomos de organismos eucariontes (como humanos), demonstraram que a mutação e seleção natural não são capazes de produzir novos sistemas biológicos ou organismos. Mutações levam à aptidão reduzida e extinção em sistemas biológicos. Uma elevada taxa de substituição nos genomas mitocondriais dentro da espécie e entre espécies é uma evidência de que a teoria da evolução neutra não é aplicável a estes sistemas.

A falta de um antepassado observável e plausível “amitocondriado” e a falta de ribossomos de transição e sistemas de tradução têm levado muitos pesquisadores a questionar a atual Teoria da Endossimbiose Sequencial e sugerir modificações à teoria. A comparação dos ribossomos e sistemas de translação neste trabalho fornecem evidências de que a Teoria da Endossimbiose Sequencial não é viável com base nos dados atuais disponíveis para revisão.


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