ORIGINE DELLE PROTEINE. 2) La scelta degli amminoacidi

Post n. 25

Il problema è stato spesso menzionato: se nell’esperimento di Miller e di altri ricercatori, e anche nei meteoriti sono stati individuati circa 60 amminoacidi come mai solo 20 sono entrati a far parte delle proteine? E poi: ma questi venti amminoacidi erano veramente tutti presenti in epoca prebiotica? E se non erano tutti presenti, quanti e quali furono gli amminoacidi costituenti delle prime proteine? E come sono stati scelti?

I 20 amminoacidi in questione sono:

Gly (Glicina), Ala (Alanina), Val (Valina), Leu (Leucina), Ileu (Isoleucina), Pro (Prolina), Asp (Acido aspartico), Glu (Acido glutammico), Ser (Serina), Thr (Treonina), Gln (Glutammina), Asn (Asparagina), Met (Metionina), Cys (Cisteina), Phe (Fenilalanina), Tyr (Tirosina), Trp (triptofano),

Hys (Istidina), Arg (Arginina), Lys (Lisina).

La maggior parte degli scienziati che si occupano dell’origine della vita è dell’opinione che il numero di amminoacidi, quando ebbe inizio la vita, era sicuramente inferiore a quello attuale. Pochi sono però i ricercatori che azzardano numeri e nomi. Tra questi ultimi, chi ha affrontato in modo ampio il problema è stato Mario Ageno, allievo di Enrico Fermi e padre della biofisica in Italia. Egli parte da un lavoro di Miller del 1974 che riesamina i risultati di tutti gli esperimenti condotti fino a quell’epoca e dimostra, al di là di ogni possibile dubbio, la sintesi prebiotica di 12 amminoacidi:

Gly, Ala, Val, Leu, Ileu, Pro, Asp, Glu, Ser, Thr, Gln, Asn

 Miller mette in evidenza come aggiungendo H₂S (acido solfidrico) all’atmosfera-modello primitiva (CH₄, NH₃, H₂O, H₂) si ottiene facilmente la

Met

mentre la

Cys

è stata ottenuta da Khane e Sagan sottoponendo a radiazione ultravioletta una miscela di: CH₄, C₂H₆, NH₃, H₂O, H₂S.

Inoltre attraverso processi di pirolisi e reazioni in soluzione si ottengono

Phe, Tyr, Trp

Infine dalla sintesi della Pro e dell’acido pipecolico si ottengono

Arg, Lys

L’Istidina rimane l’unico amminoacido che non è mai stato sintetizzato per via prebiotica.

Naturalmente non è escluso, anzi è molto probabile, che i processi di sintesi degli amminoacidi in epoca prebiotica abbiano seguito, in molti casi, vie diverse da quelle sopra esposte.

Poniamo l’attenzione per il momento sui 12 amminoacidi di sicura origine prebiotica e vediamo in seguito quali altri processi di sintesi abiotica degli amminoacidi possiamo ritenere plausibile.

Ageno suggerisce di partire da uno studio formale del codice genetico, cioè della legge di corrispondenza tra l`RNA e gli amminoacidi.

L’RNA è l’acido nucleico che trasporta l’informazione per la sintesi delle proteine.

I costituenti degli dell’RNA sono:

il gruppo fosfato: (H₂PO₄)^-.

Uno zucchero, il Ribosio

Quattro basi azotate: A (Adenina), G (Guanina), U (Uracile), C (Citosina).

Un gruppo fosfato, una molecola di Ribosio, e una molecola qualsiasi delle quattro basi danno origine a quattro diversi aggregati che prendono il nome di nucleotidi. Come esempio si riporta l’Adenosin-5-fosfato.

Legando insieme mediamente 300 nucleotidi diversi si ottiene un macromolecola: l’RNA

(Figure da: “Lezioni di biofisica)” di Mario Ageno

Nell’RNA ai tre nucleotidi adiacenti si dà il nome di “tripletta”. Per esempio, nella figura i tre nucleotidi UAC costituiscono una tripletta. Se a seguire, nella figura, ci fossero GUA, saremmo in presenza di un’altra tripletta e così via. A partire da questa macromolecola di RNA, attraverso un processo, oggi abbastanza complesso, vengono assemblate le proteine. Ad ogni tripletta corrisponde uno specifico amminoacido, uno e uno solo, e tale legge di corrispondenza, rappresentata con 3:1, viene chiamata: codice genetico. Tutti gli organismi viventi sul nostro pianeta utilizzano lo stesso codice genetico, esso è quindi universale.

Avendo a disposizione quattro nucleotidi i modi in cui li possiamo disporre tre a tre, cioè il totale delle triplette che possiamo ottenere, sono 4³ = 64. Tre di queste triplette sono utilizzate come segnale di termine(t.), quindi, in teoria, l’RNA contiene l’informazione per 61 amminoacidi. Poiché gli amminoacidi a disposizione di tutti gli organismi viventi sono solo 20, il codice genetico è degenere nel senso che più triplette codificano per lo stesso amminoacido.

Per esempio le triplette che presentano in 1^a, 2^a, e 3^a posizione GUU, GUC, GUA, GUG, codificano tutte lo stesso amminoacido: la Valina (Val).  

In riferimento alla legge di corrispondenza, Mario Ageno si chiede se il codice genetico sia stato fin dalle origini 3:1; è possibile che in epoca primitiva esso fosse diverso per esempio 2:1? Egli, in “Lezioni di Biofisica” 1984, esclude una simile eventualità, perché, in tal caso, tutti i processi metabolici realizzati con un codice 2:1 sarebbero andati persi nel passaggio ad un codice 3:1 e l’evoluzione avrebbe dovuto cominciare da capo, ma aggiunge: «È tuttavia ammissibile che all’inizio non tutte le tre posizioni venissero lette: forse le prime due mentre la terza aveva la funzione di spaziatura».

Egli però non approfondisce le conseguenze di una simile eventualità sul numero e la scelta degli amminoacidi in epoca prebiotica, conseguenze che affronteremo noi nel proseguo dell’articolo.

In relazione agli amminoacidi presenti in epoca prebiotica, analizzando il codice genetico, Mario Ageno scrive: «la stessa struttura formale del codice genetico suggerisce che i due amminoacidi Metionina (Met) e Triptofano (Trp) siano di introduzione abbastanza recente».

Egli prende poi in considerazione gli studi sulla sequenza amminoacidica delle proteine, in particolare emoglobine e citocromo, contenute in specie diverse. Egli analizza un particolare tipo di proteine considerate di origine arcaica: le Ferrodoxine. Come noto, uno dei processi evolutivi che porta a nuove proteine è il raddoppio del gene. Tale gene esprimerà una proteina di lunghezza doppia ma costituita da due sequenze identiche di amminoacidi che con il tempo, per effetto delle mutazioni, divergeranno. Però è spesso possibile risalire alla proteina originaria, ed è ciò che è stato fatto con le Ferrodoxine. Si è potuto dimostrare che queste proteine derivano tutte da una proteina originaria di 27 amminoacidi, considerata una delle prime proteine comparse durante il processo che ha dato origine alla vita.

Questa proteina arcaica risulta costituita da nove amminoacidi diversi e cioè:

Gly, Ala, Val, Glu, Asp, Pro, Cys, Ser, Ileu

Seguendo un ragionamento diverso, Jukes aggiunge anche la Leu. Come si vede tutti, tranne la Cys, fanno parte dei 12 amminoacidi, di sicura origine prebiotica, del riesame di Miller. Ageno suggerisce quindi, che il numero degli amminoacidi in epoca prebiotica potevano essere circa la metà di quelli attuali.

Questa conclusione crea però dei problemi.

Se in epoca prebiotica fossero stati presente solo 10 amminoacidi molte triplette sarebbero state non senso. Per esempio, quattro triplette con C e G in 1^a e 2^a  posizione e due triplette con A e G in 1^a e 2^a  posizione codificano tutte Arg. Poiché Arg non figura tra i dieci sopra elencati, e neanche tra i 12 del riesame di Miller, queste triplette sarebbero state triplette non senso.  Ma Ageno esclude categoricamente l’esistenza, in epoca prebiotica, di triplette non senso, perché mutazioni puntiformi avrebbero interrotto la sintesi proteica con esiti letali. Per risolvere il problema, Egli introduce il fenomeno del “tentennamento”. Immagina che la lettera centrale -U- indicasse un amminoacido idrofobo (che non si lega con H₂O) mentre –A- indicasse un amminoacido idrofilo (che si lega con H₂O), lasciando la precisa specificazione dei risultati all’evoluzione.

Questa spiegazione crea però altri problemi.  Perché l’Arg e la Ser pur essendo idrofile non hanno A in seconda posizione ma C? E la Pro perché non ha U in seconda posizione pur essendo un idrofobo? Eppure sia nel primo che nel secondo caso ci sarebbero triplette a disposizione perché, come si vede, più triplette codificano lo stesso amminoacido, per esempio la Pro avrebbe potuto sostituire una tripletta delle Leu.  

Bisogna inoltre aggiungere che la comparsa di un nuovo amminoacido comporta anche l’apertura di una nuova via metabolica. È abbastanza difficile immaginare che la vita appena formata e in fase di evoluzione, venga sottoposta allo stress di creare continuamente un numero così elevato di nuove vie metaboliche. In definitiva la presenza, in epoca prebiotica, dei dieci amminoacidi sopra elencati è credibile, però poiché non potevano esistere triplette non senso non può essere il numero definitivo. Possiamo concludere che il problema di quanti fossero gli amminoacidi in epoca prebiotica, quali fossero e come siano stati scelti rimane fin qui irrisolto.

Riprendiamo allora il lavoro di Miller. Come si vede, sia tra i 12 amminoacidi del riesame che tra i componenti della proteina arcaica è presente la Pro. Ma come suggerisce Ageno la sintesi della Pro implica la sintesi di Arg e Lys. L’Arg, inoltre, non poteva mancare altrimenti avremmo avuto 6 triplette non senso. Sembra quindi abbastanza ragionevole aggiungere, all’elenco dei 12 anche questi due amminoacidi.

Prendiamo adesso in considerazione la sintesi di Met e Cys.

Come abbiamo visto nel riesame di Miller, aggiungendo H₂S (acido solfidrico) all’atmosfera-modello primitiva (CH₄, NH₃, H₂O, H₂) si ottiene la Met, mentre la Cys è stata ottenuta da Khane e Sagan sottoponendo a radiazione ultravioletta una miscela di: CH₄, C₂H₆, NH₃, H₂O, H₂S. Ora, a prima vista sembra

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chimicamente più semplice la formazione di Met che di Cys. Eppure la Cys è uno dei nove amminoacidi componenti le ferrodoxine, proteine arcaiche comparse durante il processo che ha dato origine alla vita.  Ma se si è formata la Cys sicuramente si è formata anche la Met. Noi in realtà non abbiamo nessun elemento valido che ci possa fare escludere la Met. Anche questi 2 amminoacidi andrebbero quindi aggiunti ai dodici già elencati. Però, poiché nessun ricercatore ha mai ipotizzato che l’atmosfera terrestre contenesse H₂S a livello planetario, dobbiamo ritenere che questi due amminoacidi si siano formati soltanto in luoghi dove H₂S era presente, cioè in prossimità di zone vulcaniche.

Secondo Christian de Duve in “Alle origini della vita” 2010, Triptofano(Trp) e Istidina(Hys) sono apparsi più tardi nello sviluppo della vita. Essi, infatti, non sono stati trovati nei meteoriti ed inoltre l’Istidina non è mai stata sintetizzata in esperimenti di chimica prebiotica.

 Richiamando ancora il riesame di Miller, Phe (Fenilalanina), Tyr (Tirosina), Trp (Triptofano) sono stati ottenuti attraverso processi di pirolisi e reazioni in soluzione. I processi di pirolisi, cioè demolizioni di composti tramite il calore, sono processi che avvengono ad alta temperatura. In laboratorio e nell’industria danno buone rese perché sono processi ben controllati. Questi tre amminoacidi hanno una struttura molecolare abbastanza complessa, e il Trp è il più complesso dei tre. Ma de Duve non 

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esclude il Trp per la complessità della sua molecola ma solo perché non è stato individuato nei meteoriti.  Questo però non sembra un motivo valido che possiamo assumere come discriminante. E allora, o li escludiamo tutti e tre, o immaginiamo che, in epoca prebiotica, modeste quantità di questi composti si siano formati in particolari zone della crosta terrestre, per esempio in presenza di lava in raffreddamento.

Concludendo, l’analisi fin qui condotta ci suggerisce due conclusione:

A) Gli amminoacidi presenti in epoca prebiotica erano 14 e cioè:

Gly, Ala, Val, Leu, Ileu, Pro, Asp, Glu, Ser, Thr, Gln, Asn, Arg, Lys

gli altri 6 erano assenti.

B) I 20 amminoacidi attuali era tutti presenti ma un primo gruppo, diffuso su tutta la superfice del pianeta, costituito dai 14 amminoacidi sopra elencati e cioè:

Gly, Ala, Val, Leu, Ileu, Pro, Asp, Glu, Ser, Thr, Gln, Asn, Arg, Lys

Un secondo gruppo localizzato, cioè che si è formato in particolari zone della del pianeta probabilmente in prossimità di aree vulcaniche, costituito da 6 amminoacidi.

Met, Cys, Phe, Tyr, Trp, Hys

Seguiamo adesso un argomentazione diversa.

Come abbiamo già detto, Ageno non approfondisce le conseguenze del fatto che, ad essere lette, fossero la coppia di lettere in 1^a e 2^a posizione.

E allora, ripartiamo dalla struttura del codice genetico e in particolare da una condizione necessaria: non possono esistere triplette non senso. Questa condizione può essere soddisfatta se la 1^a e la 2^a posizione codificano almeno un amminoacido utilizzando la terza come spaziatura. Questa possibilità è già stata ammessa da Ageno quando scrive: «È tuttavia ammissibile che all’inizio non tutte le tre posizioni venissero lette: forse le prime due mentre la terza aveva la funzione di spaziatura». Ora, se la terza posizione si riduce a spaziatura il numero di amminoacidi che il codice genetico può codificare utilizzando solo la 1^a e la 2^a posizione si riduce a 2⁴= 16. Questo significa che in epoca prebiotica avremmo dovuto avere 16 amminoacidi, altrimenti saremmo stati in presenza di triplette non senso.

Dal codice genetico si evince però, che Ser e Arg oltre ad occupare le triplette con in 1^a e 2^a posizione rispettivamente CC e CG occupano anche le triplette con AG in1^a e 2^a posizione. Insomma 2 amminoacidi occupano 3 posizioni e quindi, per non avere triplette non senso, erano sufficienti già 15 amminoacidi.

Inoltre, anche la Leu viene codificata da triplette con in1^a e 2^a posizione CU e UU. La Leu occupa da sola 2 posizioni e gli amminoacidi necessari scendono a 14.

In conclusione, per non avere triplette non senso, erano necessari 14 amminoacidi. Mancano all’appello 6 amminoacidi.

Intanto è singolare il fatto che questi numeri coincidono esattamente con le conclusioni sul riesame di Miller riportate in A) e B).

Seguiamo ancora la struttura del codice genetico e cerchiamo di individuare gli eventuali 6 amminoacidi mancanti.

Come si vede dal codice genetico esistono coppie di amminoacidi che vengono codificate dalle stesse coppie di nucleotidi in 1^a e 2^a posizione, essi sono:

UU- (Phe, Leu),       AU- (Ileu, Met),                  CA- (His, Gln),                     AA-(Asn, Lys),                             GA- (Asp, Glu),        UG- (Cys, Trp),        AG- (Ser, Arg)

Inoltre UA- (Tyr, t), dove t segnale di termine.

Per non avere triplette non senso, in epoca prebiotica, almeno uno di questi amminoacidi doveva essere presente.

Intanto Asp e Glu erano sicuramente presenti perché sono stati individuate sia nelle proteine arcaiche che tra gli amminoacidi di sicura origine prebiotica di Miller.

Anche Ser e Arg dovevano essere presenti altrimenti, come abbiamo poc’anzi, avremmo triplette non senso.

Infine dovevano essere presenti Leu, Ileu, Gln, Asn, e Cys perché già individuate o tra gli amminoacidi di sicura origine prebiotica o nelle proteine di origine arcaica.

I 6 amminoacidi mancanti sarebbero allora:

Met, Phe, Tyr, Trp, His, Lys.

Con Lys al posto di Cys questi amminoacidi corrispondono esattamente al gruppo di 6 amminoacidi che, come abbiamo supposto in B), probabilmente si sono formate in zone vulcaniche. È importante qui sottolineare come, seguendo due percorsi completamente diversi, a meno di un amminoacido, abbiamo ottenuto gli stessi risultati sia in quantità che qualità.

Ma poi questi 6 amminoacidi erano veramente mancanti?

Per Met, Phe, Tyr, Trp vale lo stesso discorso che ci ha portato alle conclusioni A) e B).

Arg (Arginina) e Lys (Lisina) sono due molecole con catena laterale basica, ma la molecole della Lys è più semplice della molecola dell’Arg. Non sembra quindi logico escludere la Lys.

Vogliamo escludere l’His solo perché non è stata ancora individuata in esperimenti di chimica prebiotica?

Ma allora quanti e quali erano gli amminoacidi in epoca prebiotica?

Partiamo da alcune considerazioni di Ageno:

Egli parte dalla constatazione che l’introduzione di un nuovo amminoacido non è il risultato di una semplice mutazione ma necessita l’impostazione di una nuova via metabolica.

Inoltre se l’introduzione di nuovi amminoacidi fosse facile, come mai il codice genetico è universale? E come mai le diverse specie non hanno sviluppato un proprio codice particolare? Ageno ammette che a queste domande non sappiamo rispondere.

In realtà a queste domande una risposta si può dare, ed è la conclusione già esposta in B):

Gli attuali 20 amminoacidi erano tutti presenti ma vanno divisi in due gruppi.

Un primo gruppo, diffuso su tutta la superfice del pianeta, era costituito dagli amminoacidi considerati da Miller di sicura provenienza abiotica a cui aggiungere Arg e Lys, in totale 14 cioè:

Gly, Ala, Val, Leu, Ileu, Pro, Asp, Glu, Ser, Thr, Gln, Asn, Arg, Lys

Un secondo gruppo localizzato, cioè che si è formato in particolari zone del pianeta probabilmente in prossimità di aree vulcaniche, costituito da 6 amminoacidi.

Met, Cys, Phe, Tyr, Trp, Hys

Questa è, in definitiva, una conclusione quasi obbligata. Se il codice genetico è universale, ne consegue che esso ha avuto origine quando ha avuto origine la vita e quindi i 20 amminoacidi dovevano essere tutti presenti. Per la vita in formazione, impostare ogni volta nuove vie metaboliche alla comparsa di nuovi amminoacidi e quindi cambiare continuamente il codice genetico, sarebbe stata letale.

Infine, perché proprio questi 20 amminoacidi e non altri?

Della questione si sono occupati Arthur Weber e Stanley Miller in “Reasons of the Occurrence of the Twenty Coded Protein Amino Acids” nel 1981. Essi riportano i lavori di diversi ricercatori, per noi di nessun interesse, perché partono dall’assunto che la vita ha avuto origine in un brodo prebiotico. Inoltre, i due scienziati sostengono improbabile che un singolo processo possa spiegare la selezione dei venti amminoacidi.

Qui si sostiene invece che il brodo prebiotico non è mai esistito e che la vita ha avuto origine sulla terraferma. Sosteniamo inoltre che l’esperimento sui doppi strati elettrici è a tutt’oggi l’unico esperimento noto, di un singolo processo, dove un agente fisico, il quarzo, collega deduttivamente la separazione, in epoca prebiotica, degli amminoacidi Destro dai Levo coi principi fondamentali della teoria fisica. Ipotizziamo inoltre, come abbiamo visto negli articoli, “Origine delle proteine: il problema dell’asimmetria molecolare”, che la silice colloidale abbia lo stesso comportamento del quarzo. Poiché ogni amminoacido possiede un campo elettromagnetico associato alla propria molecola, dei circa 60 amminoacidi presenti in epoca prebiotica i 20 scelti solo quelli il cui campo elettromagnetico era compatibile con i potenziali elettrocinetici della silice colloidale.

                                                                                              Giovanni Occhipinti

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