ORIGINE DELLE PROTEINE: (sesta parte),1) Il problema dell'asimmetria molecolare

Post n. 24

      

Come abbiamo già esposto altrove, in riferimento al problema dell’asimmetria molecolare, Mario Ageno in “Lezioni di Biofisica”, 1980 scrive: «Questo problema ha tormentato la mente di un gran numero di ricercatori, dai tempi di Pasteur fino ad oggi e non sembra aver ancora ricevuto una risposta completamente soddisfacente, che cioè colleghi deduttivamente l’esistenza dell’asimmetria molecolare della biosfera coi principi fondamentali della teoria fisica o biologica».

Attraverso la misura dei potenziali di flusso (Origine delle proteine: Il problema dell’asimmetria molecolare, parte terza) è stato messo in evidenza come, all’interno dei doppi strati elettrici, su quarzo Destro si accumula l’amminoacido Destro e su quarzo Levo l’amminoacido Levo. Oggi siamo quindi in presenza di un processo che collega deduttivamente tale separazione coi principi fondamentali della teoria fisica. Abbiamo anche constatato che la silice allo stato colloidale è levogira. Allora la domanda è: la silice colloidale ha lo stesso comportamento del quarzo? Può la silice colloidale Levo accumulare sulla sua superficie l’amminoacido Levo? E poi: che fine ha fatto l’amminoacido Destro?

Purtroppo non è possibile preparare diaframmi di silice colloidale e quindi non è possibile utilizzare, anche per la silice colloidale, l’apparecchio che abbiamo adoperato per la misura dei potenziali di flusso del quarzo. Dobbiamo necessariamente utilizzare un’altra strategia.

Un colloide in soluzione è un sistema bifasico, che presenta le stesse proprietà di una superficie a contatto con un liquido. Sulla superficie di contatto della particella con il mezzo liquido sono possibili, quindi, fenomeni di adsorbimento e formazione di doppio strato elettrico. La strategia da utilizzare, in sintesi, è allora la seguente: preparare una soluzione di amminoacido DL (50% Destro e 50% Levo), la quale non dà, al polarimetro, nessuna deviazione della luce polarizzata. Nella stessa soluzione si aggiunge vetro solubile (Na₂O·2SiO₂·2H₂O) per produrre la silice colloidale, filtrare e osservare al polarimetro. Se una delle due forme viene accumulata sulla superficie della silice essa rimarrà nel filtro assieme alla silice, la sua concentrazione nella soluzione che attraversa il filtro sarà inferiore e sarà messa in evidenza dall’osservazione al polarimetro.

Però, per poter mettere in evidenza una deviazione della luce polarizzata misurabile, abbiamo bisogno che la quantità di amminoacido adsorbito sia consistente e di conseguenza dobbiamo produrre una considerevole quantità di silice colloidale. Qui sorge però un problema. Come si vede dalla reazione,

Na₂SiO₃ +2 HCl + H₂O → 2 NaCl + H₄SiO₄ (acido orto silicico)

 la produzione di una considerevole quantità di silice colloidale produce anche una notevole quantità di sale (NaCl).

Ora, secondo Bikerman come riporta G. Bianchi “Elettrochimica” 1963, all’aumentare della concentrazione salina nella soluzione, il potenziale elettrocinetico tende a zero. In particolare, per sali a carica unitaria, il potenziale elettrocinetico è zero quando la concentrazione salina raggiunge 3-4 g/L.

Tale diminuzione, come evidenzia Samuel Glasstone in “Trattato di chimico-fisica” 1963, può essere dovuta:

1)          Ad una diminuzione dello spessore del doppio strato elettrico;

2)          Il doppio strato elettrico è ancora esteso ma variano al suo interno la costante dielettrica e la viscosità.

Purtroppo non è possibile preparare in laboratorio una consistente quantità di silice colloidale con un contenuto salino al di sotto di 3-4 g/L. Dopo vari tentativi la concentrazione scelta è stata di 1,1g/50mL di vetro solubile (Na₂O·2SiO₂·2H₂O) portata a pH = 6,8-7,4 con HCl 8N. In queste condizioni la quantità di silice è consistente, si forma dopo circa ¼ h e dopo 3-5 h può essere filtrata con filtro Wattman medio-veloce. Il contenuto salino risulta però di circa 0,60g/50mL, cioè intorno a 12g/L in NaCl.

Quindi se aumentando la concentrazione salina la tendenza a zero del potenziale è dovuta al punto 1), cioè alla scomparsa del doppio strato elettrico, l’amminoacido non può essere accumulato sulla superficie della silice e quindi in laboratorio nulla può essere messo in evidenza.

Se invece, come si evidenzia al punto 2) il doppio strato elettrico è ancora esteso, l’amminoacido specifico potrebbe essere trattenuto dalla silice e il filtrato avere una concentrazione minore.

La concentrazione scelta per l’amminoacido è stata di 0,30g/50mL circa. Non c’è una ragione specifica per tale scelta. Prendendo, per gli amminoacidi, un peso molecolare medio di 100 uma, la concentrazione 10^-2 M sembra troppo diluita, mentre la concentrazione 10^-1 M troppo concentrata: si è scelta una concentrazione intermedia.

Il Polarimetro utilizzato è un Polax 2L. Gli amminoacidi presi in esame sono stati: Alanina, Valina e Treonina; altri amminoacidi non erano disponibili in quantità sufficiente. Di questi solo l’Alanina ha dato risultati positivi.    

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L’Ala DL (50 % Destro 50 % Levo) non devia la luce polarizzata, l’Ala L devia a destra (+), mentre l’Ala D devia a sinistra (-). Dai dati sperimentali si evince che la soluzione di Ala DL, dopo il contatto con la silice e la filtrazione, devia il piano della luce polarizzata a sinistra, contiene una maggiore quantità di Ala D (-). Ciò vuol dire che quando l’Ala DL viene a contatto con la silice, l’Ala L(+) è trattenuta all’interno dei doppi strati elettrici della silice mentre l’Ala D (-) non viene trattenuta, rimane in soluzione. La silice colloidale si comporta quindi come il quarzo, separa il Destro dal Levo.

Ci si chiede: come mai solo l’Ala e non gli altri amminoacidi? Come abbiamo già visto (Origine delle proteine, parte terza) ogni amminoacido, rispetto al quarzo, viene accumulato nel doppio strato elettrico ad un potenziale specifico. Quindi, soltanto ad un potenziale specifico l’amminoacido viene accumulato nel doppio strato elettrico e sottratto alla soluzione. E allora è molto probabile che il doppio strato elettrico della silice sia molto esteso come previsto al punto 2) e che l’elevata concentrazione salina imponga il solo potenziale specifico dell’alanina. Gli esperimenti sono stati fatti nel corso di un anno alla temperatura media di 20 °C. Quando a primavera inoltrata e inizio dell’estate la temperatura dell’ambiente raggiungeva i 24 °C e veniva ripetuto l’esperimento, non si osservava più la deviazione della luce polarizzata. È probabile che in queste nuove condizioni il colloide trovi una nuova stabilità, il doppio strato elettrico varia drasticamente e di conseguenza il potenziale non risulta essere il potenziale specifico dell’alanina.

 È chiaro che da questi risultati non si possono trarre conclusioni definitive, essi sono però un forte indizio di come potrebbero essere andati i fatti. Gli amminoacidi DL sintetizzati nell’atmosfera e trascinati dalla pioggia, raggiunta la superficie della terra, sono stati separati dalla silice colloidale. Il Levo è rimasto sulla superficie della terra, trattenuto dalla silice all’interno dei doppi strati elettrici, dando origine a polipeptidi L e il Destro trascinato nell’oceano primordiale.

In epoca prebiotica l’atmosfera non conteneva ossigeno e quindi era assente lo scudo di ozono. I raggi ultravioletti, in quantità molto maggiori di quelli attuali, raggiungevano la superficie del pianeta. In un primitivo oceano essi raggiungevano la profondità di circa 10m distruggendo qualsiasi forma di vita in formazione e le stesse sostanze organiche necessarie alla sua origine. Diffusione, agitazione termica e correnti avrebbero prima o poi portato tutte le sostanze in questa fascia e sarebbero state distrutte.

È possibile quindi ipotizzare che i doppi strati abbiano funzionato da filtro elettrochimico, selezionando e accumulando gli amminoacidi Levo, mentre il Destro trasportato dalle acque nell’oceano primitivo è stato lentamente distrutto dai raggi ultravioletti. Ed è all’interno di questi doppi strati elettrici, separati i destri dai levo ed al riparo dai raggi ultravioletti, secondo le leggi naturali, che la vita ha dovuto compiere i suoi primi passi.

E allora, è la silice colloidale l’agente asimmetrico che da quasi due secoli non si riesce a identificare?

È questo l’anello mancante per risolvere il problema dell’asimmetria molecolare degli organismi viventi, in epoca prebiotica, cioè prima che la vita avesse origine?

Certamente, 3,5 miliardi di anni fa, a contatto con la silice qualcosa deve essere accaduto.

Esistono delle regioni della crosta terrestre che conservano rocce antichissime chiamate antichi scudi continentali: old shields. La formazione del Fig Tree in Sud Africa è tra i più antichi di questi old shields. I suoi sedimenti e le sue rocce sono state datate di 3,2-3,5 miliardi di anni. Ci troviamo al limite inferiore di quel miliardo di anni vuoto, tra la formazione della terra 4,5 miliardi di anni fa e la comparsa dei primi organismi viventi (stimata a 3,5 miliardi di anni fa).

Nel 1965 E. S. Barghoorn “I fossili più antichi” Le Scienze, Gli albori della vita 1984, raccolse selci provenienti da diverse località del Fig Tree ed ecco cosa

                                      Le Scienze: Gli albori della vita

scrive: «Esaminando le sezioni sottili al microscopio, potemmo osservare che la matrice rocciosa presentava abbondanti laminazioni di materia organica scura e sostanzialmente opaca […]. Il processo di deposizione della sostanza organica era avvenuta entro una matrice ricca di silice, prima che questa si fosse cristallizzata in selce […]. Il microscopio elettronico rivelò inoltre anche sostanza organica sotto forma di irregolari, sottili filamenti […]. I filamenti si erano sicuramente formati contemporaneamente alle selci […]. È stata suggerita l’ipotesi che possano essere filamenti polimerizzati di materia organica abiotica, proveniente dal brodo prebiotico».

La silice colloidale è un minerale asimmetrico, che nella sua breve vita esiste solo come Levo.

Essa, in epoca prebiotica potrebbe aver accumulato sulla sua superficie l’amminoacido Levo.

Se così fosse i filamenti polimerizzati scoperti da Barghoorn potrebbero essere amminoacidi Levo polimerizzati e rimasti imprigionati, all’interno di una matrice silicea, per 3,5 miliardi di anni. Un simile evento avrebbe separato definitivamente l’amminoacido D dall’amminoacido L portandoli in condizioni chimico-fisiche completamente diverse.

Infatti, la silice si deposita principalmente sulla terraferma e l’amminoacido Levo sarebbe stato concentrato in superfici specifiche, al riparo dai raggi ultravioletti e lontano da altri reagenti.

L’amminoacido destro, trasportato dalle acque nell’oceano, avrebbe partecipato a un numero enorme di reazioni secondarie di nessuna utilità per l’origine della vita e lentamente sarebbe stato distrutto dai raggi ultravioletti.

Scrive Christian de Duve in “Polvere vitale” 1998: «Questa strana preferenza della natura per gli amminoacidi sinistrorsi è considerata da molti scienziati uno dei misteri più interessanti che circondano l’origine della vita».

Secondo R.E. Dickerson “L’evoluzione chimica e l’origine della vita” Le Scienze, Gli albori della vita 1984: «Sembra che la selezione primitiva degli isomeri L sugli isomeri D sia stata un fatto casuale. […] può darsi che, in un certo periodo, vi sia stata una vita primitiva, basata sia sugli amminoacidi D, sia su quelli L, con una probabilità del 50% e che, alla fine, prevalsero sugli altri gli amminoacidi L».

Per parecchi ricercatori tra i quali Paul Davies, “Da dove viene la vita” 2000, la questione dell’asimmetria degli organismi viventi è anche: «Una prova dell’esistenza dell’antenato universale che deriva dalla bizzarra questione della cosiddetta chiralità delle molecole. […] ogni composto si ritrova con la stessa chiralità, destra o sinistra che sia, in tutti i viventi. Questo fa pensare che tutti discendano da una stessa cellula, che conteneva ogni molecola nella particolare forma chirale in cui la troviamo oggi».

Ma forse non esiste nessun mistero, nessuna doppia origine e nessun antenato comune. I fatti sembrano essere più semplici di quanto si possa pensare e regolati da un rigido determinismo, almeno nella prima fase dell’origine della vita.

                                                                                             

                                                                                         Giovanni Occhipinti

                                                               
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