martedì 31 marzo 2015

ORIGINE DELLE PROTEINE; (terza parte) 1) Il problema dell'asimmetria molecolare



Post n.21

L’apparecchio, molto sinteticamente, è costituito da un contenitore di vetro, con aperture superiore e inferiore e posto ad una certa altezza, dove viene introdotta la soluzione. All'interno del contenitore è posto un elettrodo collegato ad un multimetro. La soluzione viene fatta scorrere attraverso un diaframma composto da granuli di quarzo Levo o da granuli di quarzo Destro, dove si generano i micro condensatori ed infine raccolta in un secondo contenitore. Quest’ultimo è posto più in basso del primo e contiene al suo interno un elettrodo collegato al multimetro. Lo scorrimento trascina con se delle cariche dai micro condensatori, generando un differenza di potenziale tra i due contenitori che viene misurata dal multimetro. Si rileva innanzitutto la differenza di potenziale della soluzione di riferimento. Successivamente si rileva la differenza di potenziale della soluzione di riferimento alla quale è stato aggiunto un aminoacido L o un aminoacido D
Come abbiamo già evidenziato nel precedente articolo, i micro condensatori contengono una fila di circa 10 molecole di acqua.
Lo scopo di queste misure era di verificare quanto sostiene Giuseppe Bianchi, Elettrochimica 1963, pag.470, ossia che: «Hanno tendenza ad essere espulse dal doppio strato le specie a minore costante dielettrica per essere sostituite da specie a costante dielettrica più elevata». Nel nostro caso, le molecole di acqua verranno sostituite da molecole di amminoacido. Inoltre, come sottolinea ancora l’autore citato, questo è un fenomeno «[…] cui corrisponde una diminuzione dell’energia del sistema».
La diminuzione di energia si esplica in un aumento dell’agitazione termica delle molecole di acqua espulse dal doppio strato, cioè in un aumento di Entropia. Contemporaneamente le molecole di amminoacido risulteranno accumulate e ordinate all'interno del doppio strato elettrico. Caos dall'ordine, un processo spontaneo come la formazione dei cristalli di sale già accennata.
La sostituzione delle molecole di acqua con molecole di amminoacido, porta quindi ad una diminuzione dell’energia del sistema. Tale diminuzione si manifesta attraverso una diminuzione del potenziale elettrocinetico e quindi del potenziale di flusso. In sintesi, se le soluzioni contenente l’aminoacido presentano una differenza di potenziale inferiore a quella della soluzione di riferimento, vuol dire che gli amminoacidi sono stati risucchiati e accumulati all'interno dei micro condensatori e sottratti alla soluzione.
Prima di passare ai dati sperimentali è necessario specificare quanto segue:
A) Gli aminoacidi delle proteine di tutti gli organismi viventi sono 20, presentano tutti la stessa composizione, tranne che per il residuo R.



Per esempio:
Per la Glicina al posto di R bisogna mettere H.
Per la valina al posto di R bisogna aggiungere un gruppo CH3.
E quindi logico che, come illustra l’immagine di alcuni amminoacidi, al cambiare di R cambiano, necessariamente, sia le dimensioni che la polarità della molecola dell’amminoacido.



Per ritornare alla metafora della vite ad elica, questo significa che per ogni amminoacido al variare di R l’elica, della nostra ipotetica vite, cambia diametro e passo; in conclusione, venti amminoacidi, venti viti diverse.
B) Il Quarzo cristallino, nel breve periodo, è insolubile in acqua. Ma il prolungato contatto del quarzo con H2O, dà origine ad una lenta reazione chimica superficiale con formazione di gruppi silanolici e al dipolo ‑Sid+‑Od viene sostituito il dipolo –Od‑Hd+ abbassandone il potenziale.



La formazione dei gruppi silanolici ridefinisce il campo elettrico della superficie dando origine, nel doppio strato elettrico, a nuovi campi elettrici e linee di forza elicoidali con ampiezze diverse e nuove distanze tra le spire.
Cioè il nostro ipotetico foro di vite ha cambiato diametro e passo.
Quest'ultimo fatto, come mostra il grafico, si manifesta attraverso una diminuzione del potenziale di flusso in funzione del tempo.




Tale diminuzione di potenziale non si manifesta in modo continuo, ma in modo discreto. In particolare, se si utilizza l'apparecchio o lo si lascia in stand-by nella soluzione per un certo tempo, il potenziale si abbassa con salti di circa 0,20mV. 
Questo significa che sulla superficie dei granuli di quarzo un certo numero di legami Si-O-Si, si trovano alla stessa energia, reagiscono contemporaneamente con acqua e danno origine a gruppi di silanoli.
Il potenziale di flusso del diaframma capillare di quarzo a contatto con la soluzione di riferimento, varia da un massimo di 10,10 mV a 7,50 mV. Al disotto di quest’ultimo valore i potenziali non sono stabili. I potenziali di flusso sono quindi compresi dentro un intervallo di circa 2,60mV.  Ci occuperemo più avanti del significato e delle conseguenze di tale intervallo. 
L’apparecchio per la misura dei potenziali di flusso collegato ad un multimetro digitale Schlumberger. Sono stati misurati i potenziali di flusso di soluzioni dei seguenti amminoacidi rispetto alla soluzione di riferimento.

Val L                       10-3M                   Valina
Ala L, Ala-D           10-3M                   Alanina
Phe L, Phe-D         0, 5×10-3M              Fenilalanina
Leu L,   Leu D        10-3M                    Leucina
Met L                     0,7×10-3M               Metionina
Ileu L                      10-3M                    Isoleucina
Trp L                       0,8×10-3M             Triptofano
Pro L                       2×10-3M                 Prolina
Gli amminoacidi sono stati solubilizzati nella soluzione di riferimento.
(Ulteriori informazioni in:” Chimica prebiotica e origine della vita”)



Dal grafico si evince che soluzioni di amminoacidi L, su diaframma capillare di quarzo cristallino L, rispetto alla soluzione di riferimento, danno un abbassamento del potenziale di flusso soltanto a ben determinati potenziali. Tale abbassamento è di 0,30 mV ± 0,05 mV per tutti gli amminoacidi utilizzati. Ciò significa che soltanto a questi potenziali specifici, i corrispondenti amminoacidi vengono risucchiati e accumulati all’interno dei micro condensatori e sottratti alla soluzione.
Per esempio:
Il potenziale di flusso della soluzione di riferimento è 9,70 mV; a questo potenziale una soluzione di Ala L dà 9,40 mV.
Il potenziale di flusso della soluzione di riferimento è 9,50 mV; a questo potenziale una soluzione di Phe L dà 9,20 mV.
Il potenziale di flusso della soluzione di riferimento è 8,70 mV, a questo potenziale una soluzione di Trp L dà 8,40 mV.
A potenziali diversi da questi, la soluzione amminoacidica dà lo stesso potenziale di flusso della soluzione di riferimento, questo significa che gli amminoacidi rimangono in soluzione, per esempio:
Se la soluzione di riferimento dà un potenziale di 8,70 mV e al posto di Trp L viene utilizzata Ala L il potenziale di flusso segna 8,70 mV.
Se allo stesso potenziale, per esempio 9,70 mV per Ala L, viene utilizzata una soluzione di Ala della forma D, non si osserva nessuna variazione di potenziale rispetto alla soluzione di riferimento.
Il contrario si osserva quando viene utilizzato un diaframma di quarzo D.


Come si evince dal grafico, soluzioni di amminoacidi D, su diaframma capillare di quarzo cristallino D, rispetto alla soluzione di riferimento, danno un abbassamento del potenziale di flusso soltanto a ben determinati potenziali. Tale abbassamento è di 0,30 mV ±0,05 per tutti gli amminoacidi utilizzati. Ciò significa che a questi potenziali i corrispondenti amminoacidi D, dalla soluzione vengono risucchiati all’interno dei micro condensatori, per esempio:
Il potenziale di flusso della soluzione di riferimento è 9,70 mV; a questo potenziale una soluzione di Ala D dà 9,40 mV. Se viene utilizzata una soluzione di Ala della forma L, non si osserva nessuna variazione di potenziale rispetto alla soluzione di riferimento.
Un simile comportamento deve essere la logica conseguenza di quanto detto nella parte teorica.
Il quarzo cristallino, nel doppio strato elettrico, genera delle linee di forza elicoidali assimilabili al foro di una vite. Nell’amminoacido ai quattro atomi o gruppi atomici diversi, legati all’atomo di carbonio a struttura tetraedrica, sono associati quattro dipoli a struttura elicoidale. Per tale ragione l’amminoacido è paragonabile ad una vite. Seguendo ancora la nostra metafora, se la vite trova il suo giusto foro allora l’amminoacido si accumula nel doppio strato elettrico; si ha quindi una diminuzione dell’energia del sistema e di conseguenza si osserva un abbassamento del potenziale. Se il foro non è quello giusto, allora: o la vite entra ed esce subito perché il foro è più ampio, o non entra affatto, perché il foro è eccessivamente stretto, il potenziale rimane costante, l’amminoacido non si accumula sulla superficie. Se la vite ha un verso contrario, come nel caso della forma D, essa non può entrare ed anche in questo caso il potenziale rimane costante, l’amminoacido rimane in soluzione. Quindi, soltanto ad un potenziale specifico l’amminoacido viene accumulato nel doppio strato elettrico e sottratto alla soluzione.
La metafora del foro e della vite deve essere intesa nel senso che Erwin Schrödinger, uno dei padri della meccanica quantistica, dà nel suo saggio “Che cosa è la vita”,1944: «Alla luce delle conoscenze attuali, il meccanismo dell’ereditarietà è strettamente legato, anzi fondato sulla teorie dei quanti. […]. La grande rivelazione della teoria dei quanti è consistita nello scoprire, nel libro della natura, dei caratteri di discontinuità in un contesto in cui qualsiasi cosa diversa dalla continuità sembrava assurda […]. Sulla base di fatti che non possiamo discutere in questa sede, dobbiamo ammettere che un piccolo sistema possa, per ragioni di principio inerenti alla sua stessa natura, possedere solo certe quantità discrete di energia, che prendono il nome di livelli energetici propri del sistema. […]. Il risultato è che, se un certo numero di nuclei atomici, con tutta le loro guardia del corpo vengono a trovarsi uniti a formare un “sistema”, essi non possono per la loro natura assumere una qualunque arbitraria configurazione, fra tutte quelle che si possono immaginare. La loro natura permette loro di scegliere solo entro una molto numerosa ma pur discreta serie di “stati”. Generalmente noi chiamiamo questi stati con il termine “livelli” o “livelli energetici”, perché il valore dell’energia è una delle loro più importanti caratteristiche. […]. Tra la serie discreta di stati di un certo insieme di atomi ci può essere (ma non è detto che vi sia) un livello più basso di tutti gli altri, in cui i nuclei sono strettamente ravvicinati. In tale stato gli atomi costituiscono una molecola».
Quindi ogni molecola ha un suo contenuto energetico definito, discreto, cioè una struttura quantomeccanica. Ma se l’energia è discreta, poiché i legami tra gli atomi sono di natura elettromagnetica anche il campo elettromagnetico associato alla molecola deve essere discreto. E per gli amminoacidi, il campo elettrico associato alla molecola deve presentare anche un orientamento D o L.  Riprenderemo più avanti questi concetti.
Per concludere, sembra che un agente fisico, il quarzo, in epoca prebiotica, può collegare deduttivamente la separazione degli amminoacidi Destro dai Levo coi principi fondamentali dell teoria fisica. È possibile quindi ipotizzare che questi doppi strati elettrici abbiano funzionato da filtro elettrochimico, selezionando ed accumulando sulla superficie del quarzo, e quindi sulla terraferma, gli amminoacidi.
Non dobbiamo però dimenticare che il quarzo cristallino, che si trova oggi in natura, è 50% Destro e 50% Levo e tale doveva essere la situazione anche in epoca prebiotica. D’altra parte ormai sappiamo che, in epoca prebiotica, gli amminoacidi erano 50% D e 50% L. Allora, se il quarzo Levo ha accumulato l’amminoacido Levo altrettanto avrà fatto il quarzo Destro accumulando l’amminoacido Destro. In queste condizioni si sarebbero formati polipeptidi L e polipeptidi D e successivamente una vita D e una vita L.
Ma la vita D non esiste, in riferimento agli amminoacidi esiste solo una vita L.
In conclusione, i risultati sopra esposti non possono essere presi come definitivi ma come strumento di lavoro per ulteriori indagini.
E allora rimane la domanda: come si è salvato il Levo e che fine ha fatto il Destro?

                                                           Giovanni Occhipinti

Prossimo articolo: Origine delle proteine (parte quarta). Metà Maggio

4 commenti:

  1. Degli esperimenti di Saladino e Di Mauro con i cianuri organici che risultano alla base del kit della vita, che ne pensi?

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    1. Luca,
      nei meteoriti denominati condriti carbonacee sono state individuate, inizialmente, idrocarburi e amminoacidi. Successive e più accurate analisi hanno evidenziato anche la presenza di precursori e di molecole necessari per gli acidi nucleici, ma in quantità irrilevanti. Si pensa che tali sostanze si siano formate durante la formazione dei meteoriti a partire dai gas della nube primordiale con apporti di energia. Un po’ come il percorso usato da Miller nel suo esperimento. I proff. Saladino e Di Mauro hanno scoperto un’altra via per le origini di questi composti, cioè l’azione del vento solare su polveri di meteoriti in presenza di formammide con formazione di cianuro. Certamente è una scoperta interessante ma siamo ancora nei meteoriti. Comunque, la novità di questa ricerca è la presenza di nucleosidi. Tieni però presente che gli zuccheri che si possono formare spontaneamente sono decine e le basi azotate centinaia. L’unione di uno zucchero con una base azotata può dare origine a 4 nucleosidi diversi. In definitiva si possono avere migliaia e migliaia di nucleosidi diversi. Ma per l’RNA ce ne servono solo 4 e specifici. Quali nucleosidi hanno trovato i proff. Saladino e Di Mauro e in che quantità? Sarebbe opportuno che mettessero in rete la loro scoperta invece di lasciarla in annali scientifici difficile da reperire e quindi da poter studiare. Una volta pubblicata la ricerca nessuno se ne può impossessare, e poi dopotutto è stata fatta con i nostri soldi.
      Per concludere, come ho ampiamente illustrato nel post “CHIMICA PREBIOTICA: regole o caos, il rasoio prebiotico” (punto A), penso che dallo spazio sia arrivato ben poco. Se queste sostanze venissero dallo spazio oltre che sulla terra saranno cadute anche sulla Luna e su Marte. Se sulla terra hanno dato origine alla vita, su Marte e sulla Luna dovrebbero essere ancora lì. Dopo 4 miliardi di bombardamento meteoritico i suoli lunari e marziano dovrebbero essere una specie di polvere asfaltica. Ma di tutto ciò non c’è alcuna traccia.
      Ciao Giovanni

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  2. Caro Giovanni, ma tu pensi che l'esperimento di Saladino e Di Mauro funzionerebbe anche con dell'argilla al posto della polvere di meteorite? Grazie come sempre per le tue risposte e i tuoi articoli, Luca.

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    1. Le argille sono buoni catalizzatori come disidratanti ma altrimenti hanno un azione modesta. Certamente in presenza di una fonte di energia come i protoni ad alta velocità penso che potrebbero anche comportarsi come buoni catalizzatori dando origine a parecchie delle sostanze individuate con le meteoriti. Tu forse ti stai chiedendo se lo stesso processo possa essere avvenuto sulla terra con le argille. Questa eventualità è esclusa. Innanzitutto i protoni ad alta velocità emessi dal sole sono bloccati dal campo magnetico terrestre ed è per questo che l’attenzione dei ricercatori è rivolta verso lo spazio e ai meteoriti. In secondo luogo la formammide è molto solubile in acqua e quindi sul nostro pianeta formammide liquida in epoca prebiotica è esclusa.
      Un caro saluto Giovanni

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