L'ORIGINE DELLE PROTEINE (Prima Parte)

Post n. 19

L’acqua è costituita da idrogeno e ossigeno. Noi conosciamo la struttura elettronica di questi due elementi, le loro proprietà chimico-fisiche, ma da queste conoscenze non possiamo desumere le proprietà dell’acqua. Il fatto che l’acqua è liquida a temperatura ambiente è una proprietà emergente che non è contenuta nelle singole parti, cioè nell’idrogeno e nell’ossigeno. Ciò che è valido per l’acqua è valido per tutte le sostanze, siano esse costituite da pochi atomi o da miglia di atomi. In definitiva con il termine “emergenza” si intende la comparsa di una nuova proprietà che non è contenuta nelle singole parti. Si parla anche di emergenza quando un certo numero di sostanze complesse, ciascuna con le sue proprietà, fanno parte di un complesso sistema interagente. Per molti scienziati la vita è una proprietà emergente che si genera da un complesso sistema di interazioni di tutte le specie molecolari presenti in una cellula. Emergenza la si deve intendere nel significato dato da Ernst Mayr in “L’unicità della biologia” 2005: «La comparsa di caratteristiche impreviste in sistemi complessi». «Essa non racchiude nessuna implicazione di tipo metafisica». «Spesso nei sistemi complessi compaiono proprietà che non sono evidenti (né si possono prevedere) neppure conoscendo le singole componenti di questi sistemi».

Gli attuali organismi viventi sono molto complessi. Anche i più semplici utilizzano alcune migliaia di specie di macromolecole organiche: acidi nucleici, proteine, lipidi, carboidrati. Quali e quanti di questi composti organici  facessero parte di un primitivo sistema complesso interagente da cui emerge l’omeostasi, cioè un citoplasma che ha dato origine ad un proto organismo, è sempre oggetto di dibattito.  Gli scienziati che si occupano del problema dell’origine della vita sono però tutti d’accordo nel ritenere che due molecole complesse non potevano mancare: gli acidi nucleici, verosimilmente l’RNA, e le proteine. Queste 2 macromolecole sono  interdipendenti nel senso che l’acido nucleico contiene il programma per sintetizzare le proteine. Ma l’acido nucleico da solo non riesce a sintetizzarsi e ha bisogno delle proteine per essere sintetizzato. Ecco perché sono interdipendenti: l’uno ha sempre bisogno dell’altro.

 L’origine di queste macromolecole fondamentali è però, a tutt'oggi, un mistero.

Come chiarisce Pier Luigi Luisi in “Sull’origine della vita e della biodiversità” 2013, in merito alle teorie sull’origine della vita: «Tutte condividono un problema  principale: ognuna di queste teorie deve partire da una serie di assunzioni più o meno arbitrarie». E in riferimento alle macromolecole fondamentali aggiunge: «Infatti, la grande maggioranza delle ipotesi ignora il problema principale, quello della biogenesi delle macromolecole a sequenza ordinata in molte copie identiche».

Ma, se il problema principale è la genesi delle macromolecole fondamentali, allora il primo obiettivo di una teoria per l’origine della vita deve essere quello di capire l’origine, in epoca prebiotica, di acidi nucleici e proteine.

I costituenti dell’RNA sono i nucleotidi. Essi sono formati da un gruppo fosfato, dal ribosio appartenente alla famiglia degli zuccheri e dalle basi azotate (adenina, citosina, guanina e uracile). Come abbiamo già ampiamente illustrato in precedenti articoli, zuccheri e basi azotate, in epoca prebiotica non esistevano. Tutte le ricerche condotte su questi composti rimangono esperimenti di laboratorio senza nessun collegamento con l’ambiente prebiotico.

D’altra parte, ad eccezione di qualche astrofisico, tutti coloro che si occupano dell’origine della vita sono d’accordo nel ritenere plausibile l’esperimento di Miller. È da ritenere quindi che in epoca prebiotica, partendo da molecole semplici come metano, ammoniaca, acqua e da altre molecole semplici si siano formati migliaia di composti organici e tra questi gli amminoacidi. La presenza di amminoacidi in epoca prebiotica è stata confermata dall’analisi delle meteoriti risalenti all’epoca della formazione del sistema solare. In particolare nelle condriti carbonacee è stata riscontrata una presenza di amminoacidi simile, per qualità e quantità, a quella trovata da Miller.

Poiché gli amminoacidi sono i costituenti delle proteine,  è ragionevole concludere che in epoca prebiotica le prime macromolecole fondamentali ad apparire fossero proprio le proteine. La formazione di queste molecole complesse rappresenta quindi un passaggio fondamentale  verso l’origine di un primitivo citoplasma e di conseguenza verso l’origine della vita.
La sintesi delle proteine  pone però dei problemi, già illustrati in altri articoli, ma che per completezza è utile riproporre con qualche esempio per rendere le cose più chiare ai non addetti ai lavori.

1) Le nostre mani  sono una l’immagine   speculare dell’altra, destra e sinistra, e non sono sovrapponibili.

it.wikipedia.org

 Forme che sono immagini speculari e non sovrapponibili vengono dette chirali. L’alanina è un amminoacido costituente delle nostre proteine. Se noi vogliamo preparare in laboratorio 1g di alanina, non otteniamo 1g di una sola forma molecolare ma 0,5g di una forma destro (D) e 0,5g della sua immagine speculare sinistro (L). Gli amminoacidi sono quindi chirali e infatti, gli amminoacidi ottenuti da Miller nel suo esperimento sono chirali.  E chirali sono anche gli amminoacidi trovati nei meteoriti. Anche gli amminoacidi formatisi in epoca prebiotica, circa 4 miliardi di anni fa, erano sicuramente chirali . Di essi esisteva, quindi, una struttura L(levo) e la sua immagine speculare D (destro).

                                        Ala L                   Ala D

Queste due forme molecolari presentano le stesse proprietà chimico-fisiche e viaggiano sempre insieme. Poiché sia la forma D che la forma L, in epoca prebiotica, erano sicuramente disciolte in acqua, il disordine molecolare  avrebbe prodotto reazioni incrociate tra amminoacidi L e D e dato origine a proteine contenenti le due forme, ma di nessun interesse biologico.
La questione è, che in tutti gli organismi viventi, le proteine sono costituite solo da amminoacidi della forma L.

Ala L

Poiché gli attuali organismi viventi discendono per evoluzione di organismi primitivi, anche le proteine degli organismi primitivi dovevano essere costituite da amminoacidi L. Ma allora,  se le due forme molecolari presentano le stesse proprietà chimico-fisiche ed erano inseparabili, come è avvenuta la scelta degli amminoacidi L e che fine ha fatto il Destro?

2) In epoca prebiotica erano sicuramente disponibili un gran numero di amminoacidi diversi. Nell'esperimento di Miller, per esempio, sono stati trovati circa 60 amminoacidi diversi e altrettanti nei meteoriti.
Ma negli attuali organismi viventi solo 20 amminoacidi concorrono alla formazione delle proteine.
Come è avvenuta la scelta dei 20 amminoacidi?

3) La reazione tra amminoacidi per la formazione delle proteine avviene con l’eliminazione di H₂O.

In condizioni prebiotiche, in ambiente acquoso, questa reazione non può avvenire spontaneamente perché va contro il secondo principio della termodinamica. Sarebbe come vedere un sasso che spontaneamente risale una collina.
Questi problemi sono anche interconnessi e non ha senso immaginare di risolverli con tre modelli diversi. Non si può pensare che per il primo problema sia intervenuto il caso, per il secondo un processo evolutivo e per il terzo un processo deterministico, cioè una pozzanghera in evaporazione.
In merito a queste problematiche Giuseppe Galletti e Valentina Sorgi su “Astrobiologia: le frontiere della vita” 2009, hanno individuato la centralità del problema quando affermano: «Queste particolarità devono essere spiegate, possibilmente con un unico modello di partenza».
In aggiunta a questi tre punti fondamentali specifici, ci sono altri problemi di carattere generale a cui è necessario dare una risposta.
A) Come l’esperimento di Miller ha dimostrato, in epoca prebiotica erano presenti molte altre sostanze organiche. La maggior parte di queste sostanze erano sicuramente inutili se non dannose e avrebbero ostacolato la formazione dei polimeri. 

B) La concentrazione degli amminoacidi, disciolti in acqua, era sicuramente molto bassa e in tali condizioni la sintesi dei polimeri sarebbe stata impossibile.

È quindi logico concludere, che in epoca prebiotica alcuni vincoli chimico-fisici dell’ambiente prebiotico abbiano funzionato da principio organizzatore per selezionare e concentrare le sostanze fondamentali per l’origine della vita e successivamente catalizzare la formazione delle macromolecole necessarie alla vita.

Inoltre non è possibile che uno di questi processi avvenga al polo nord, un altro all’equatore e l’altro al polo sud. Questi processi devono essere localizzati nello stesso punto. 

Ma la localizzazione da sola non basta. Come suggerisce Paul Davies in riferimento a queste tematiche, selezione, concentrazione e catalisi devono realizzarsi in simultanea. Non si può pensare che ad un dato istante vengono selezionati gli aminoacidi, da questi dopo un mese vengono selezionati i levo e dopo un anno si ha la catalisi.   

In definitiva il modello unico di partenza deve contenere, selezione, concentrazione e catalisi e tutti devono essere stati processi simultanei e localizzati.

La scienza ha ormai da tempo messo in evidenza come i pianeti, le stelle e l’universo intero siano il prodotto del caso e delle leggi naturali: caso e necessità. E indubbio che l’evoluzione degli organismi viventi sia anch’essa frutto del caso e della necessità.

Ma caso e necessità hanno governato anche i primi passi dell’origine della vita, cioè la sintesi dei biopolimeri? Se i passaggi sopra elencati devono far parte di un unico modello coerente si aprono due possibilità: o gli eventi sono stati tutti casuali o gli eventi sono stati tutti deterministici. Introdurre qua e là, a discrezione, qualche evento casuale o per usare la nuova terminologia qualche “accidente congelato”, è solo un espediente ad hoc per dare sostegno a teorie poco credibili. Ma la probabilità che tutti i passaggi sopra elencati siano stati eventi casuali e coincidenti è  come gridare al miracolo. E allora, gli eventi che hanno portato all’origine delle proteine devono essere stati tutti eventi deterministici.

Ma esiste una teoria che ci fornisce un principio organizzatore  e che ci permette di costruire un modello coerente attraverso processi esclusivamente deterministici?

In un secolo di ricerche sull'origine della vita, l’unico scienziato che ha suggerito una soluzione fu J. D. Bernal  nel 1951. Come noto le argille sono formate da vari strati cristallini sovrapposti. Ciascuno strato è costituito da due sotto strati,  uno di tetraedri di silice (Si₂O₅^2-)_n e l’altro di ottaedri  di allumina idrata [Al₂(OH)₄²⁺]_n. Senza entrare troppo nei particolari, per la presenza di cariche  

elettriche i vari strati o sotto strati si neutralizzano a distanza. Tra uno strato e l’altro o tra un sotto strato e l’altro rimangono quindi degli spazi vuoti dove possono sistemarsi molecole di acqua o molecole che presentano dipoli elettrici come i costituenti delle macromolecole fondamentali. Si è calcolato che in un cm³ di argilla la superficie di questi spazi vuoti equivale a quasi la superficie di un campo di calcio. Bernal propose che le argille avrebbero potuto selezionare e concentrare le sostanze fondamentali per l’origine della vita e successivamente catalizzare la formazione delle macromolecole necessarie alla vita. Egli suggerì anche l’importanza del quarzo nella formazione delle molecole primitive. Il quarzo infatti si trova unito all'argilla, come gli aminoacidi presenta una forma D e una forma L e avrebbe potuto dare origine ad adsorbimento preferenziale separando il destro dal levo. Poiché  all'interno dell’argilla ci sarebbe stata anche simultaneità e localizzazione, l’ipotesi di Bernal ci fornisce, di fatto, un modello coerente.  

                                                                    Giovanni Occhipinti

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