ORIGINE DELLA VITA. LE PROTEINE: I LORO COSTITUENTI. Sette colpi di fortuna

Post n. 11



NOI, GLI ALIENI LA MATERIA. Ma un'altra vita è possibile. Gli amminoacidi

Dunque, gli elementi biogeni(C, N, O, H) 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.

Le proteine costituiscono tessuti e organi, permettono alle cellule di comunicare, controllano ciò che deve entrare e uscire dalla cellula, fungono da anticorpi.

Tutti gli organismi viventi hanno anche una complessità di funzioni interdipendenti che permette loro: la nutrizione, la crescita, la riproduzione, l’evoluzione, la reazione agli stimoli, la morte. Tutte queste funzioni vitali hanno in comune il metabolismo; cioè quel processo di reazioni chimiche coadiuvate da proteine (enzimi) che permettono agli organismi viventi di funzionare. All’interno della cellula si trovano migliaia di enzimi che regolano e programmano migliaia di reazioni chimiche, nessuna reazione biologica e nessuna delle funzioni sopra elencate può avvenire senza il loro intervento, nemmeno la sintesi degli acidi nucleici.

Le proteine sono macromolecole i cui costituenti sono gli amminoacidi.

Ma gli amminoacidi, in epoca prebiotica, erano presenti sul nostro pianeta?

Nel 1953 S.L. Miller, ipotizzando un’atmosfera primordiale costituita da CH₄, NH₃, H₂O e H₂, riuscì, con apporti di energia elettrica, ad ottenere diverse sostanze organiche e, tra queste, parecchi amminoacidi alcuni dei quali componenti delle nostre proteine. Questo esperimento, condotto in condizioni prebiotiche plausibili, segnò la data di nascita della chimica prebiotica.

Negli anni che seguirono furono compiute diverse verifiche che confermarono i risultati dell’esperimento di Miller. Inoltre diversi ricercatori hanno eseguito esperimenti sia variando la composizione della miscela gassosa sia le fonti di energia. Tutti questi lavori hanno confermato che in epoca prebiotica, sul nostro pianeta, era possibile la sintesi di un grande numero di sostanze organiche e tra queste spesso erano presenti amminoacidi. Attraverso questi esperimenti è stata dimostrata la presenza, in epoca prebiotica, di circa 60 amminoacidi diversi. Inoltre è stata dimostrata anche la presenza di acido cianidrico, (HCN), precursore delle purine, di aldeide formica, (HCHO), precursore del ribosio e di altre importanti sostanze organiche tra cui l’urea.

È rimarchevole il fatto che le stesse sostanze, in particolare gli amminoacidi, siano stati trovati nei meteoriti risalenti all’epoca della formazione del nostro sistema solare. La scoperta degli amminoacidi negli esperimenti di Miller e la loro presenza nei meteoriti dimostra, secondo gli scienziati, la facilità di sintesi di questi composti. Perfino i sostenitori del “Mondo a RNA” non hanno dubbi sulla presenza degli amminoacidi in epoca prebiotica. Manfred Eigen, in riferimento agli esperimenti alla Miller, in “Gradini verso la vita”, 1992 afferma: «Ciò che rende significativi questi esperimenti è non tanto il fatto che si formino in generale amminoacidi, ma che le loro frequenze relative corrispondano a quelle che si riscontrano in natura, e in particolare nei composti organici scoperti nei meteoriti. »

Agli inizi degli anni ’90, alcuni ricercatori hanno messo in dubbio la presenza di un’atmosfera primordiale costituita da CH₄, NH₃, H₂O e H₂. Questi ricercatori hanno ipotizzato un’atmosfera primordiale costituita da CO₂, N₂, e H₂O, e in tali condizioni la formazione degli amminoacidi con apporti di energia non si verifica. Miller ha definito questi lavori ipotesi senza dati a sostegno.

Nessuna ricerca seria ha mai messo in dubbio la presenza di amminoacidi in epoca prebiotica.

Possiamo concludere che numerosi e forti indizi dimostrano la presenza degli amminoacidi in epoca prebiotica. Dalla sintesi di queste molecole hanno origine le proteine.

Ma perché gli amminoacidi? E poi, sono possibili altre soluzioni?

Secondo le mie limitate conoscenze, in sessant’anni di chimica prebiotica, l’unico scienziato che ha cercato di dare una risposta a queste domande è stato Mario Ageno in “Lezioni di Biofisica 3” 1984.

Il Prof. Mario Ageno parte dalla constatazione che le cellule degli organismi viventi non contengono molecole di dimensioni intermedie, ma sono costituite da:

a) piccole molecole, il più possibili semplici, che si trovino già nell’ambiente o facili da sintetizzare

b) polimeri lineari (macromolecole) realizzati con operazioni ripetitive di un numero limitato di piccole molecole (monomeri).

Come noto i polimeri lineari, si possono ottenere sia per poliaddizione che per policondensazione. La poliaddizione si ottiene dall’unione 

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di migliaia ma anche di milioni di molecole dello stesso tipo. Essa è la ripetizione dello stesso motivo senza nessun contenuto di informazione, porta a polimeri generalmente di tipo lineari, per esempio il polietilene, ed avviene attraverso un processo chimico abbastanza complesso.

 

La policondensazione può avvenire anche tra molecole diverse, attraverso l’eliminazione di molecole di acqua. Questo tipo di polimerizzazione non può avvenire in presenza di acqua, tuttavia il processo chimico è molto più semplice della poliaddizione. Essa può condurre a materie plastiche, ma viene utilizzata dagli organismi viventi per la costruzione delle macromolecole necessarie alla vita. Infatti, non essendo la ripetizione monotona di uno stesso motivo, i polimeri risultanti possono contenere una elevata informazione.

Secondo Ageno la scelta dei polimeri lineari ha una sua logica costruttiva estremante semplice, partendo da un numero limitato di pezzi, sempre con la stessa operazione costruttiva, si realizzano strutture molecolari diverse ma tutte imparentate tra di loro. Probabilmente esistono altre soluzioni per immagazzinare informazioni e funzioni ma tutte sono molto più complicate. La soluzione più conveniente da un punto di vista evolutivo sembra essere proprio quella dei polimeri lineare. In definitiva l’evoluzione ha scelto il processo polimerico più semplice, la policondensazione, e i polimeri più semplici cioè i polimeri lineari e Ageno aggiunge: «Sembra dunque molto probabile che, dovunque appaiono sotto la spinta di cause naturali sistemi in qualche modo simili per le loro caratteristiche generali agli organismi viventi che noi conosciamo, questi sistemi si basino per la loro riproduzione su una qualche specie di polimero lineare. Se non altro, questa soluzione si raggiunge più facilmente e prima di ogni altra nel corso di una evoluzione chimica che prenda le mosse (il che è inevitabile) da piccole molecole costituite da pochissimi atomi. E allora, quali monomeri una volta accettata la soluzione del polimero lineare?»

Egli esaminando i costituenti delle proteine si pone la domanda: «Che cosa si può immaginare di più semplice

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 di un amminoacido, come elemento strutturale di un polimero lineare?» Si tratta in sostanza di un atomo di carbonio che stabilisce un legame con il più semplice degli elementi, l’H. Un secondo legame avviene con la più semplice delle funzioni basiche, -NH₂. Un terzo legame avviene con la più semplice funzione acida –COOH. Per ultimo il quarto legame avviene con un residuo (R) generalmente di un idrocarburo semplice o di un suo derivato. Egli conclude, che la facilità con cui essi si trovano in natura per esempio nei meteoriti, dimostra che si tratta di molecole semplici e facili da sintetizzare e suggeriscono la conclusione che le catene polipeptidiche rappresentano la soluzione più semplice.

 

Quindi, alla domanda: perché gli amminoacidi? La risposta è: perché sono semplici e facili da sintetizzare.

Ora, la questione è che essi sono sì semplici e facili da sintetizzare ma presentano una complessità di proprietà senza le quali la vita non potrebbe esistere. Tale complessità ci pone, come vedremo, una spinosa domanda sul problema dell’origine della vita che normalmente non cade nell’ambito della scienze fisiche.

Quando Ageno parla di polimeri lineari, si riferisce alla struttura primaria cioè alla disposizione e alla struttura degli amminoacidi nella catena polimerica.

Il fatto è che se la struttura primaria rimasse tale, cioè semplicemente un lungo polimero, essa non esplicherebbe nessuna funzione vitale. In realtà le singole proteine oltre alla struttura primaria, presentano una struttura secondaria e una struttura terziaria. Le proteine svolgono le loro funzioni vitali solo ricorrendo alle strutture secondarie e terziarie.

Per comprendere come sono possibile tali nuove strutture è necessario esaminare le proprietà degli amminoacidi.

1) La prima caratteristica degli amminoacidi è proprio quella di essere molecole semplici e facili da sintetizzare in ambiente prebiotico.

2) Una seconda proprietà è che gli amminoacidi sono solubili in acqua e stabili. Se non fossero solubili in acqua la vita non esisterebbe, poiché essi si sarebbero raccolti insieme come grumi di catrame o come chiazze oleose alla superfice dei bacini idrici.

3) Gli esperimenti di Miller hanno evidenziato la presenza, in epoca prebiotica, di circa 60 amminoacidi diversi, ma la vita ne utilizza solo 20. Se essi avessero potuto reagire in acqua avrebbero dato origine ad un numero enorme di polipeptidi, di composizione e lunghezze casuali, ma di nessun interesse per l’origine della vita. Quindi gli amminoacidi devono essere sì solubili in acqua ma non devono reagire in acqua. E infatti essi realizzano polimeri attraverso la policondensazione che in acqua 

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non è permessa.

 

4) Il legame peptidico è un legame che si realizza tra il gruppo –COOH di un amminoacido e il gruppo –NH₂ di un altro amminoacido con eliminazione di una molecola di H₂O.

La caratteristica di questo legame è di essere un legame in risonanza. Cioè il doppio legame tra l’atomo di carbonio e l’

ossigeno non è localizzato tra i due atomi ma  

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è distribuito anche sul legame C-N. La conseguenza di questa delocalizzazione è che ogni zona del legame peptidico della proteina giace su un piano e la molecola della proteina non può ruotare attorno ai legami peptidici. Come abbiamo detto, le proteine non sono soltanto lunghe catene lineari di amminoacidi. Questa è solo ciò che viene chiamata struttura primaria. Le singole proteine presentano una struttura secondaria e una struttura terziaria attraverso le quali esse svolgono le loro funzioni vitali. Nelle struttura secondaria esse realizzano strutture a elica e a fogli, dette α-eliche e fogli-β. Ebbene,

orig. da: it.foldit.wikia.com 

 affinché queste strutture possano realizzarsi, una condizione necessaria è che si eviti la rotazione della molecola attorno al legame peptidico. La delocalizzazione del legame peptidico evita proprio tale rotazione.

5) Una seconda condizione affinché queste strutture secondarie possano realizzarsi è che le molecole costituenti siano asimmetriche. Sappiamo che gli amminoacidi, tranne la glicina, sono chirali cioè esistono in due forme asimmetriche una l’immagine speculare dell’altra denominate Destro e Levo. 

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Molecole simmetriche non possono realizzare né α-eliche né fogli-β. Le strutture secondarie delle proteine si possono realizzare scegliendo una delle due forme asimmetriche; negli organismi viventi è stata scelta la forma L.

6) Un’altra caratteristica importante del legame peptidico è la presenza di un atomo di idrogeno legato all’azoto. Il legame tra questi due elementi è un legame polarizzato che dà origine ad -H^δ+. Come si vede dall’immagine dell’α-elica (tratteggio), esso si lega al -CO^δ- di un altro amminoacido e sono questi legami che stabilizzano l’α-elica. Senza questi legami la struttura secondaria α-elica delle proteine non potrebbe esistere.

7) Per finire, abbiamo visto che negli amminoacidi il carbonio è legato ad un residuo R. Questi residui non sono scelti a caso. Alcuni di essi sono idrofili, miscibili con l’acqua, altri sono idrofobi, non miscibili con l’acqua. Nella struttura terziaria della proteina, cioè la struttura globulare, gli R idrofobi si concentrano all’interno e gli R idrofili nella parte esterna. Il risultato finale è che la proteina risulta molto stabile ed è difesa dalla degradazione dell’acqua.

È noto che i composti della chimica organica sono circa 1,5 milioni e raggruppati in famiglie. Non esiste un’altra famiglia di composti organici che presenta simili caratteristiche: gli amminoacidi sono unici, il passaggio fu obbligato.

Si potrebbe concludere che gli amminoacidi sono composti versatili. Ma noi abbiamo di fronte la vita e se vogliamo cercare di capire la sua origine alla domanda iniziale: perché gli amminoacidi? Non basta più la risposta: sono semplici e facili da sintetizzare; perché in realtà essi devono possedere le seguenti caratteristiche:

1) Semplici e facili da sintetizzare

2) Solubili e stabili in acqua.

3) Non devono reagire in acqua.

4) Si devono legare tra di loro dando origine ad un legame peptidico in risonanza

5) Devono essere chirali.

6) Devono contenere un -H^δ+ residuo sull’atomo di azoto.

7) Il residuo R non è casuale.

Se fosse mancata solo una di queste proprietà, non sappiamo come sarebbe stata la vita, o forse non esisterebbe. Gli amminoacidi sono composti unici.

Allora la domanda è: ma come fanno a trovarsi negli amminoacidi tutte queste proprietà, proprio lì in quei composti unici semplici e facili da sintetizzare, giusto quelle proprietà necessarie alla vita, mentre la vita è ancora in divenire?

Sette colpi di fortuna?

                                                                                       Giovanni Occhipinti

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