venerdì 3 maggio 2013

L'RNA: I SUOI COSTITUENTI. Un bluff





Post n.10
NOI, GLI ALIENI, LA MATERIA. Ma un'altra vita è possibile (le macromolecole fondamentali)
Immaginatevi di voler costruire una casa. Incaricate degli architetti versando un cospicuo anticipo. Dopo alcuni mesi andate a controllare lo stato dei lavori e trovate solo il tetto sorretto da una enorme ponteggio. Gli architetti vi spiegano che non c’è problema, si può benissimo iniziare dal tetto. Fondamenta e muri portanti, nel progetto, ci sono già. Riguardate ancora, sbigottiti, lo stato dei lavori e notate che l’impalcatura inizia a vacillare.
Che sensazioni provate?
Dunque, per le peculiarità delle loro strutture atomiche, gli elementi biogeni sono gli unici che, attraverso i loro composti, sono adatti a svolgere, negli organismi viventi, le numerose funzioni biologiche. Sappiamo che tra questi composti i più importanti sono gli acidi nucleici, DNA e RNA, e le proteine. Gli acidi nucleici sono portatori dell’informazione per la sintesi delle proteine.
Tra i due acidi nucleici l’RNA ha dato origine alla teoria del “mondo a RNA”. Essa postula che la vita ebbe origine attraverso la comparsa di molecole autoreplicanti di RNA.
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Ma i costituenti dell’RNA erano presenti in epoca prebiotica?
L'RNA è una grande molecola le cui unità costitutive sono quattro nucleotidi.
Essi sono i muri portanti dell’RNA e sono costituiti da un gruppo fosfato, dal D-Ribosio (uno zucchero pentoso) e una delle quattro basi azotate, Adenina, Guanina, Uracile, Citosina.
I nucleotidi però, per poter dare origine all’RNA devono essere attivati, cioè ad ogni nucleotide bisogna legare altri due gruppi fosfato.
Come abbiamo già evidenziato nell’articolo riguardante il mondo a RNA,A. Graham Cairns-Smith ha analizzato la procedura attraverso la quale, in laboratorio, si sono ottenuti nucleotidi attivati.

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Egli ha contato 140 eventi (versare, agitare, decantare, distillare, ecc.) che avrebbero dovuto succedersi, in epoca prebiotica, non a caso ma in maniera appropriata; cioè, come lanciare un dado e ottenere il numero 6 per 140 volte di seguito. Viste queste enormi difficolta procedurali, seguendo il principio del rasoio di Occam, la supposizione più semplice e ovvia è che i nucleotidi in epoca prebiotica non sono mai esistiti. E infatti Graham Cairns-Smith in “Sette indizi sull’origine della vita”, 1986, conclude: «[…]. Essi hanno tutto l’aspetto di molecole congegnate per scopi particolari».
Comunque, come abbiamo visto, i nucleotidi sono costituiti dalla sintesi di tre molecole diverse, che sono poi le fondamenta dell’RNA. Il gruppo fosfato che, anche se in piccole quantità, si trova diffuso su tutta la superficie del pianeta.
Il D-Ribosio(uno zucchero pentoso) e una delle quattro basi: Adenina e Guanina, appartenenti alla famiglia delle Purine; Uracile e Citosina appartenenti alla famiglia delle Pirimidine.
Ora, al di là delle difficoltà procedurali per ottenere nucleotidi attivati, ma Ribosio e Basi azotate erano presenti in epoca prebiotica?

Chi ritiene che queste sostanze fossero presenti in epoca prebiotica, sono principalmente i sostenitori del mondo a RNA. Allora, attraverso le pubblicazioni dei loro più autorevoli scienziati, Ciryl Ponnamperuma, Manfred Eigen e Leslie Orgel, andiamo a scoprire le loro carte. (è utile precisare che per cianuro di ammonio si intende acido cianidrico, HCN e ammoniaca, NH3; inoltre, l’acido cianidrico vien chiamato anche cianuro di idrogeno)
C. Ponnamperuma “Origine della vita”, 1984: «Le purine sono state sintetizzate per la prima volta in condizioni che simulavano quelle della Terra primitiva da Orò (v., Studies in..., 1963), il quale dimostrò che si poteva ottenere la sintesi di adenina da una soluzione concentrata di cianuro d'ammonio. Nelle sue linee essenziali la reazione può essere raffigurata come 5 molecole di cianuro di idrogeno che, in presenza di ammoniaca, danno luogo ad adenina. Questa sintesi è stata confermata da Lowe e collaboratori […]. In seguito, Orò riuscì a sintetizzare guanina e xantina portando a una temperatura di 100-140°C una soluzione acquosa di amminoimidazolocarbossimmide. Il rendimento è stato dell'1,5% per ambedue le purine. È possibile che questo sia uno dei modi in cui è avvenuta la sintesi delle purine sulla Terra primitiva, ma le concentrazioni usate da Orò erano di gran lunga troppo alte per corrispondere a una situazione prebiotica. Se le condizioni sperimentali fossero state davvero simili a quelle prebiotiche, se, per esempio, si fossero usate concentrazioni più basse, allora queste reazioni sarebbero di grande aiuto alla comprensione dell'origine delle purine nelle condizioni presenti nella fase prebiotica della Terra.. Nonostante gli sforzi fatti, non è stato possibile identificare con sicurezza purine e pirimidine tra i prodotti finali in esperimenti che impiegavano scariche elettriche. Poiché si forma una gran quantità di cianuro di idrogeno, è difficile capire come le purine potrebbero essere assenti. Ben poco è stato fatto nel campo della sintesi delle pirimidine. Fox e Harada (v., 1961) hanno dimostrato che uracile può essere ottenuto per riscaldamento di acido malico e urea. Mentre l'urea si forma facilmente negli esperimenti che simulano la Terra primitiva, non esiste alcuna indicazione della presenza di acido malico. […] e altri (v., Formation of.., 1963) hanno ottenuto anche la sintesi di adenina mediante irraggiamento con elettroni di metano, ammoniaca e acqua.[…]La maggior parte delle radiazioni prodotte da sorgenti radioattive viene assorbita dai solidi, e poiché la crosta terrestre ha uno spessore di circa 30 km, questo tipo di radiazione potrebbe non aver avuto alcun ruolo nella sintesi di materiale organico negli oceani primitivi».
Quindi Ponnamperuma afferma, nel 1984, che queste reazioni non sono di grande aiuto alla comprensione delle sintesi delle basi azotate nella fase prebiotica.
Esse quindi non offrono alcun indizio della presenza delle basi azotate in epoca prebiotica. D’altra parte reazioni non rispettano la prima e la seconda regola procedurale e sono, quindi, esperimenti di laboratorio di nessun interesse per la chimica prebiotica.
In riferimento al ribosio, Ponnamperuma continua: «In contrasto con i progressi compiuti nel campo della chimica primordiale degli amminoacidi, l'origine di un altro gruppo di sostanze altrettanto importanti biologicamente, i monosaccaridi (zuccheri), è tuttora assai incerta. Già nel 1861 A. Butlerow aveva mostrato che formaldeide (HCHO) sciolta in acqua va incontro a un processo di condensazione, in ambiente alcalino, dando luogo a una miscela di zuccheri. […] Ci sono peraltro varie difficoltà nell'accettare l'ipotesi che la formaldeide possa essere stata utilizzata come precursore dei monosaccaridi. Horowitz e Miller hanno sottolineato che le elevate concentrazioni di formaldeide usate in alcuni esperimenti non riproducono in modo realistico le condizioni della Terra primitiva. Sono state sollevate obiezioni anche all'uso di soluzioni molto basiche. P. H. Abelson sostiene che la concentrazione di ammoniaca libera nei mari e nell'atmosfera non fu mai molto elevata, e che un oceano fortemente alcalino non è mai esistito. Inoltre, la formaldeide polimerizza assai rapidamente dando paraformaldeide, e può pertanto allontanarsi dall'ambiente. […].Il fatto di avere riprodotto in modo soddisfacente la sintesi delle basi e degli zuccheri degli acidi nucleici in condizioni simulanti quelle della Terra primitiva ha spinto alcuni ricercatori a compiere indagini sulla formazione abiogena di nucleosidi».  Sic!
Non è una solo una contraddizione, Ponnamperuma falsifica l’evidenza dei fatti da lui stesso elencati. Ma perché?
Per comprendere tale conclusione, bisogna tornare indietro di qualche anno e fare riferimento a due affermazioni di Manfred Eigen e altri in “L’origine dell’informazione genetica”, (Le Scienze, 1981). Queste citazioni sono state già ampiamente introdotte nel post riguardante il “Mondo a RNA”. In riferimento agli studi di Sol Spiegelman, Leslie Orgel e altri egli afferma: «La conclusione fondamentale di questi studi è che l’auto replicazione dell’RNA in sistemi in vitro avviene effettivamente anche senza l’intervento di enzimi sofisticati. È possibile andare avanti a considerare le conseguenze evolutive dell’auto replicazione dell’RNA senza doversi preoccupare se questa realmente avvenne in tempi prebiotici: essa comunque avvenne».
Questa affermazione era in realtà l’ annuncio di un disastro annunciato, perché la scienza non procede in questo modo.
E Manfred Eigen nello stesso articolo continua:
«Ciò che è importante, qui, è quello che questi esperimenti rivelano sui processi darwiniani. La selezione naturale e l’evoluzione, che sono conseguenze dell’auto replicazione, opera a livello delle molecole così come a livello delle cellule o delle specie».
Ma bisognava aspettare Ernst Mayr (L’unicità della biologia,2005) per mettere in evidenza, in modo chiaro, che il bersaglio della selezione è il fenotipo e non il gene, e che questa terminologia è in netto conflitto con il pensiero Darwiniano di base?
In definitiva, in parecchi ricercatori, era sorta da tempo l’idea di estendere la teoria di Darwin anche alle molecole. In questo modo l’evoluzione per selezione naturale poteva essere estesa anche all’origine della vita. Tutto doveva quindi scorrere secondo questo disegno. L’idea lentamente si cristallizzò nella loro mente tanto da considerare superfluo approfondire la possibilità di sintesi, in epoca prebiotica, di basi azotate e ribosio. E infatti Manfred Eigen in “Gradini verso la vita”, 1992, in riferimento alle unità costitutive chimiche necessarie per la vita ai primordi del nostro pianeta e in particolare alle basi azotati afferma: «Dare una risposta affermativa generica a questo interrogativo significherebbe, dato l’attuale livello conoscitivo della chimica organica, negarne il carattere di questione di fondo.
[…]. Per i diversi costituenti degli acidi nucleici sono noti metodi di sintesi che in condizioni prebiotiche erano pienamente realizzabili. La più semplice da ottenere è l’adenina (la base A degli acidi nucleici), per la quale esistono diversi metodi di sintesi, tra cui la più semplice condensazione di acido cianidrico. […]. In ambiente non acquoso vi sono, come ha potuto mostrare Albert Eschenmoser, altri procedimenti di sintesi molto eleganti, efficaci per tutti e quattro le basi degli acidi nucleici.
Con un grado di probabilità assai prossimo alla certezza, le quattro basi erano, nella fase della loro sintesi chimiche, presenti in concentrazioni estremamente diverse».
E così, dopo circa 10 anni, Eigen arriva alla stessa falsa conclusione di Ponnamperuma. Inoltre non potendo portare dati a sostegno dell’origine delle basi azotate, riporta reazioni in ambiente non acquoso che, in chimica prebiotica, non sono ammesse.
Nel 1995 C. de Duve, pur essendo un sostenitore dell’RNA, in “Polvere vitale”, afferma: «[…] i chimici hanno avuto un certo successo nella produzione dei cinque componenti organici dell'RNA, ma con scarso rendimento ed in condizioni ad un tempo molto diverse da uno scenario prebiotico e diverse per ogni sostanza. Volendo combinare i componenti nel modo giusto ci si imbatte in altri problemi, di tale grandezza che nessuno ha mai tentato di farlo in un contesto prebiotico».
Nel 2004 Orgel, “ Prebiotic Chemistry and the Origin of the RNA World”,2004, tenta di unificare lo scenario almeno per le quattro basi azotate.
Egli mette in evidenza come l’Adenina si può ottenere da una miscela eutettica, molto concentrata, di HCN e NH3 (acido cianidrico e ammoniaca) alla temperatura di  -23,4°C, cioè la sintesi di Orò rivisitata. Sottolinea che tra i prodotti di questa reazione si sono trovate tracce di guanina.
Orgel fa notare come l’uracile si possa ottenere dall’idrolisi della citosina.
Per la sintesi della citosina prende prima in considerazione la reazione tra ciano-acetaldeide e urea concentrata ma conclude che, in epoca prebiotica, una simile reazione non è plausibile. Le sembra però più plausibile la reazione di una soluzione eutettica di ciano acetilene con cianato perché potrebbe procedere in parallelo con la sintesi dell’adenina anch’essa in condizione eutettica.
Sulla carta, sotto la parola “eutettica”, la sintesi delle quattro basi azotate sono state condotte sotto la stessa logica. Ma temperatura e concentrazioni indicate da Orgel son completamente fuori da ogni contesto prebiotico. Comunque, in che modo tutto questo si sarebbe tradotto nelle condizioni prebiotiche della terra primordiale non è dato sapere. Bisogna inoltre tenere presente che queste sintesi portano anche alla formazione di tante altre basi azotate di nessun interesse anzi di ostacolo per l’origine della vita.
In definitiva, nel 2004, cioè dopo oltre mezzo secolo di tentativi da parte dei migliori chimici del mondo, possiamo concludere che, nella fase prebiotica, nessun processo chimico ha prodotto le quattro basi azotate.
Nel 1994 in Le scienze, “L’origine della vita sulla terra”, in riferimento al ribosio L. Orgel scrive: «Innanzitutto, in mancanza di enzimi, è problematico sintetizzare ribosio in quantità adeguate e con un sufficiente grado di purezza».
Nel 2004, in Prebiotic Chemistry and the Origin of the RNA World egli riprende però l’ormai nota reazione di Butlerow di 150 anni fa. Scrive che se questa reazione potesse essere indirizzata verso la sintesi del ribosio sarebbe ideale per la sintesi dello zucchero componente dei nucleotidi. Cita Zubey(1998, 2001) che ha ripetuto la reazione in presenza di piombo. Mette anche in evidenza come il borato di calcio stabilizza i pentosi (Ricardo e altri, 2004). Ammette che tutte queste reazioni avvengono a pH troppo elevato e con elevate concentrazioni di reagenti. Infine conclude che alcuni progressi sono stati fatti, ma che vi sono ancora una serie di ostacoli alla sintesi che produca quantità significative e pure di ribosio.
Così, dopo 150 anni dalla scoperta di Butlerow, possiamo concludere che anche il ribosio in epoca prebiotica non è mai esistito. E su basi azotate e ribosio, dopo cinquant’anni di ricerche, ciò che rimane è solo un pugno di cenere.
Ora è chiaro come, aver cercato di estendere l’evoluzione per selezione naturale anche alle molecole, ha spinto il problema dell’origine della vita dal pantano alla palude. Intanto, su basi azotate e zuccheri, ciò che veniva divulgato dalle più blasonate riviste scientifiche erano le conclusioni di questi autorevoli scienziati. Vi fu in verità qualche timida obiezione da parte di Freeman Dyson, Graham Cairns-Smith e qualche altro scienziato. Comunque la maggior parte degli scienziati (e purtroppo anche noi modesti osservatori), per qualche decennio, rimase convinta che, se pur con qualche difficoltà, basi azotate e ribosio, in epoca prebiotica erano presenti sul nostro pianeta.
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Insomma, è stato divulgato un poker d’assi, ma era solo un bluff.
Voi intanto, increduli, vi allontanate dal cantiere accompagnati da un rumore assordante che vi conferma un vostro presentimento.
E nel 2013? Adesso basta, usciamo da questa palude!
In epoca prebiotica, sul nostro pianeta nessun processo chimico fisico ha dato origine a ribosio e basi azotate. L’origine di queste sostanze, in tale epoca, risiede solo nella testa dei sostenitori del “mondo a RNA”. E infatti ciò che rimane della loro teoria, dopo oltre mezzo secolo di ricerche, è solo un cumulo di macerie.
Ora, se vogliamo immaginare eventuali scenari che vanno oltre il nostro pianeta è utile ripercorrere i principali passaggi necessari per arrivare all’RNA. Mi scuso con quanti in possesso di conoscenze diverse troveranno la descrizione troppo sintetica e quindi di non facile comprensione, ma spero si possa intuire un giudizio globale di fattibilità.
Ammettiamo che in un altro pianeta, in condizioni prebiotiche diverse dal nostro, la sintesi delle basi azotate e degli zuccheri sia realmente avvenuta.
Nei pentosi sono asimmetrici tre atomi di carbonio e quindi si hanno tre centri chirali. Ciò comporta che il numero di molecole possibili (stereoisomeri) sia pari a 23, ossia 8, di cui quattro D (Destro) e quattro L (Levo) e tra questi il D Ribosio. È vero che ogni coppia DL presenta caratteristiche chimico-fisiche leggermente diverse rispetto alle altre, ma da un punto di vista energetico in una fase prebiotica, hanno tutti la stessa probabilità di essere sintetizzate. Ora, per l’assemblaggio spontaneo di un solo nucleotide qui  illustrato,


sono necessari i seguenti passaggi:
1) Separazione dei pentosi da tutti gli altri zuccheri
2) Separazione dei quattro pentosi Destro dai Levo per evitare reazioni incrociate.
3) Separazione del D-Ribosio dagli altri tre zuccheri Destro per evitare reazioni sovrapposte.
4) Separazione delle quattro basi necessarie per l'RNA da tutte le altre.
5) Presenza di una fonte consistente di fosfato (H2PO4)- in soluzione.
6)Particolare orientamento, per ottenere i quattro nucleotidi, di tutte e quattro basi sull’OH del C-1, ed evitare la reazione con l'OH del C-2, C-3, C-5. (come illustrato sopra)
7) Particolare orientamento del gruppo fosfato sull'OH del C-5 al fine di evitare la reazione con l'OH del C-2, C-3. (come illustrato sopra)
8) Orientamento di tutte le basi nella posizione β (cioè verso l’alto come in figura)
E infine per l’RNA:
9) Reazione del fosfato dei nucleotidi con l'OH in posizione C-3 di altri nucleotide, con l’esclusione della posizione C-2, per dare origine all’RNA.
In oltre 50 anni di ricerche, non c’è stato e non c’è a tutt’oggi un chimico che sia riuscito a scalfire i punti 1,2,3,4,5. E non c’è stato e non c’è a tutt’oggi un biologo che possa dare una spiegazione ai punti 6,7,8,e 9 senza l’apporto di enzimi specifici.
Concludendo:
Sul nostro pianeta.
In epoca prebiotica, sul nostro pianeta nessun processo chimico fisico ha dato origine a ribosio e basi organiche; le leggi della chimica e della fisica ne impedirono la loro formazione. Esse riavvolgiamo il film dell’origine della vita e lo riproiettiamo, con ogni probabilità, rivedremmo la stessa storia.
Nell’universo.
Non possiamo escludere che in condizioni prebiotiche diverse, in qualche altro pianeta, si siano formati zuccheri e basi azotate. Però la vita senza acqua allo stato liquido non può esistere. In tali condizioni, essendo le leggi della fisica e della chimica universali, in nessun pianeta, a meno di un miracolo, possono realizzarsi spontaneamente i 9 punti sopra elencati. Quindi, in nessuna parte dell’universo e mai esistito e mai esisterà un “Mondo a RNA”.
E se c’è ancora chi vuole utilizzare la solita frase passe-partout: non si può escludere tale possibilità; che dire, i sogni non li si può proibire.

                                                                                   Giovanni Occhipinti
(Di eventuali errori o informazioni errate contenuti in questa articolo sono responsabile solo io G.O.).
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