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 ‑Si^d+‑O^d‑  viene sostituito il dipolo –O^d‑‑H^d+ 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

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

Post n. 20

Come abbiamo evidenziato nell'articolo precedente gli amminoacidi esistono sotto due forme, Destro e Levo, una l'immagine speculare dell’altro. Gli organismi viventi utilizzano solo la forma L, la vita è quindi asimmetrica.

L’asimmetria molecolare, che come vedremo riguarda anche altri composti, è stata scoperta da Pasteur nel 1848. Da allora sono stati fatti molti sforzi per capire perché la vita utilizza  una forma e non l’altra e come è avvenuta la loro separazione.

Una sintesi dei tentativi più significativi per risolvere il problema è stata fatta da Mario Ageno  in “Lezioni di Biofisica”, 1980. Egli anticipa la conclusione di questi tentativi affermando: «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».

Uno di questi tentativi che Ageno aveva escluso in quanto ipotesi di dubbia validità è stato ripreso nel 1990, da R. A. Hegstrom e D. K. Kondepudi, in un articolo su Le Scienze “La chiralità dell’universo”. Come illustrano gli autori, i composti chimici hanno origine attraverso interazioni elettromagnetiche degli atomi di cui sono costituiti. Durante questi processi si dice che si conserva la parità, cioè se si forma un composto la sua immagine speculare ha la stessa probabilità di formarsi.

Le particelle costituenti l’atomo, protoni, neutroni ed elettroni, sono tenuti assieme da diverse forze. Due di queste forze, la forza nucleare debole e la forza elettrodebole, non conservano la parità.

Nella crosta terrestre del nostro pianeta esistono degli elementi i cui atomi si decompongono ed emettono delle radiazioni (decadimento radioattivo). Durante il decadimento radioattivo vengono emessi anche elettroni ad alta velocità, i raggi β (beta).  Senza entrare troppo nei particolare, responsabile di questo decadimento è la forza nucleare debole, e poiché essa non conserva la parità vengono emessi più elettroni sinistrorsi che destrorsi. Quando i raggi β colpiscono le molecole chirali li decompongono, ma essendo in maggioranza sinistrorsi distruggono preferenzialmente una forma lasciando un eccesso della sua immagine speculare. Si è pensato quindi che la forza nucleare debole fosse responsabile dell’asimmetria della vita. È stato scoperto che la differenza relative nei tassi di decomposizione è dell’ordine di una parte su 10⁹, cioè di una parte su 1 000 000 000 (un miliardo).

La seconda forza, la forza elettrodebole dà un suo contributo alla formazione dei composti.

Poiché anche questa forza non conserva la parità è stato calcolato che durante la loro formazione, in epoca prebiotica, gli amminoacidi levo dovevano essere più abbondanti dei destro nell'ordine di uno su 10¹⁷, ci risparmiamo di scrivere un  1 seguito da 17 zeri.

Pur essendo questi contributi molto piccoli per determinare un’asimmetria molecolare, Kondepudi e un collaboratore, Nelson, hanno tentato di dimostrare teoricamente che in particolari condizioni possono esistere processi di amplificazione. Egli immagina una vasca dove competano destro e levo e scrive: «E la vasca dovrebbe essere abbastanza grande e sufficientemente ben mescolata (il rimescolamento dovrebbe riguardare all'incirca una superficie di 10 chilometri quadrati e una profondità di parecchi metri) per eliminare in gran parte l’effetto risultante delle fluttuazioni casuali. Se fossero soddisfatte tutte queste condizioni, la forza nucleare debole dovrebbe essere in grado, in un periodo compreso tra 50 000 e 100 000 anni di influenzare fortemente il processo di rottura della simmetria». Kondepudi e Hegstrom concludono: «Abbiamo esposto numerosi modelli per dimostrare come si possa essere sviluppata l’asimmetria chirale nelle biomolecole.[…]. Tuttavia, nessuno di essi è valso a indicare un particolare gruppo di composti prebiotici dotati di tutte le proprietà richieste da questi modelli».

In definitiva, le conclusioni cui era giunto Mario Ageno sono ancora attuali.

Il problema dell’asimmetria molecolare viene ripreso nel 2001 da Robert M. Hazen con un articolo su Le Scienze: “Vita dalle rocce”. Come indica il titolo, Hazen rivolge la sua attenzione al mondo minerale e prefigura un modello unico. Cioè, egli immagina che concentrazione, selezione e sintesi possano essere avvenute all'interno di piccole sacche d’aria di pomici vulcaniche o di rocce feldspatiche. Per questi eventi l’autore non prende in considerazioni eventi deterministici e anzi afferma: «Il caso potrebbe aver prodotto una combinazione di molecole che avrebbero alla fine meritato di essere chiamate “viventi”». Hazen affronta, quindi, il problema dell’asimmetria molecolare rivolgendo la sua attenzione ai cristalli di calcite, calcari e marmi, perché questi cristalli formano coppie di facce speculari. Come egli ci spiega, i cristalli di calcite venivano immersi in una soluzione che conteneva un amminoacido Destro e Levo al 50%. Dopo 24 h il cristallo veniva estratto e lavato e la soluzione analizzata. Le facce sinistrorse della calcite selezionavano principalmente l’amminoacido L con un eccesso del 40% e viceversa. Hazen non si pone il problema di ricercare le cause fisiche di queste fenomeno e afferma: «Stranamente le facce più terrazzate erano quelle più selettive. Questo fatto ci condusse a prevedere che i bordi delle terrazze potesse costringere gli amminoacidi ad allinearsi in file ordinate sulle loro rispettive facce». Poiché le facce dei cristalli sinistrorse e destrorse sono in misura uguale egli conclude: «Fu per puro caso che la molecola destinata al successo si sia sviluppata in una faccia cristallina che preferiva gli amminoacidi sinistrorsi rispetto alla loro controparte destrorsa».

In definitiva un modello unico ma casuale, cioè un miracolo.

Nel 1984 mi fu chiaro che la teoria di Bernal fosse  l’unica teoria che ci indicasse un percorso credibile verso la comprensione dell’origine della vita e che il problema dell’asimmetria molecolare fosse uno dei passaggi fondamentali. Bernal, nella sua teoria, non indica le forze fisiche in gioco e quindi, come egli stesso scrive, non  indica  le tappe di tale percorso per mancanza di ricerche necessarie. Egli, però, ci suggerisce un percorso dove le leggi della materia inerte possono compenetrare quelle della materia vivente.

Sì, ma come?

Un condensatore è composto da due lamine metalliche (armature), poste a distanza di qualche centimetro, di cui una è carica positivamente e l’altra negativamente. Se le due lamine vengono collegate ad un voltmetro avremo la misura della differenza di potenziale del condensatore da cui si può dedurre anche l’energia del condensatore. 

         L’acqua, costituita da idrogeno e ossigeno, in piccole quantità è                                  dissociata in: 

                      H₂O ↔ H⁺ + OH^-

Le molecole di acqua presentano al loro interno uno spostamento di cariche. In particolare sugli  atomi di idrogeno è localizzata una porzione di carica positiva δ⁺  e sull'atomo di ossigeno una porzione di carica negative δ^-. Più in generale, molecole che presentano al loro interno una separazione  di cariche vengono denominate polari e la loro polarità viene misurata attraverso la costante dielettrica.

Immaginiamo di avere una busta di plastica piena di acqua. Se essa viene inserita all'interno del condensatore, la parte positiva della molecola si orienterà verso la lamina negativa del condensatore e viceversa.  Come indica l’immagine, la differenza di potenziale del condensatore diminuisce e di conseguenza anche l’energia del condensatore si riduce.

In conclusione, ciò che è importante sottolineare in questo contesto è quanto segue:  Poiché l’energia del condensatore si riduce quando viene inserita una sostanza polare, se prima di inserirla avviciniamo tale sostanza all'interno del condensatore essa verrà risucchiata spontaneamente al suo interno.  Un processo che segue il 2° principio della termodinamica, come il sasso che, una volta spinto, rotola giù dalla collina.

Anche le molecole degli amminoacidi presentano una separazione di cariche e sono quindi sostanze polari. In soluzione  acquosa si presentano come ione dipolare 

 con una costante dielettrica molto elevata.   

Il problema da porsi è quindi il seguente: esistono  condensatori naturali che, in epoca prebiotica, possano avere risucchiato e accumulato  al loro interno gli amminoacidi sottraendoli alla soluzione? Certamente devono essere condensatori che agiscono a livello molecolare.

È stato scoperto che questi condensatori naturali esistono.

Tra il 1890 e il 1930 sono stati scoperti e studiati, da Helmholtz, Gouy e Stern (Trattato di chimico-fisica, S. Glasstone 1963 pag.1280), doppi strati elettrici generati da silice, silicati e vetro, tutte sostanze che presentano forze elettriche

superficiali residue. Il vetro per esempio

supposto inizialmente neutro, a contatto con H₂O perde facilmente gli ioni positivi della superficie (Na⁺, Ca⁺⁺,…) e quindi rimane carico negativamente. Se una soluzione di Na⁺Cl^‑ viene messa a contatto con il vetro, gli ioni Na⁺ origineranno uno strato ionico in prossimità della parete negativa del vetro. Una parte dello strato ionico è saldamente fissata alla parete del vetro mentre l’altra parte è diffusa verso la soluzione.  Possiamo immaginare, nella parte diffusa, due ipotetiche piastre passanti per i punti A e B. All'interno di queste ipotetiche piastre, a sinistra ci sono più cariche positive che a destra e, di conseguenza, tra i punti A e B c’è  una differenza di potenziale chiamato potenziale elettrocinetico. Il doppio strato elettrico è quindi assimilabile a un condensatore (più precisamente un  micro condensatore) e come tale venne studiato. La distanza tra A e B, per basse concentrazioni, è dell’ordine di  0,3x10^-6cm  (Giuseppe Bianchi, Elettrochimica,1963, pag.426). Micro condensatori di questo tipo trattengono una fila di dipoli di circa 10 molecole di acqua, agiscono cioè a distanze molecolari.

Quindi esistono  condensatori naturali che in epoca prebiotica possono avere attratto e accumulato  al loro interno gli amminoacidi sottraendoli alla soluzione.

Il potenziale tra i punti A e B non può essere misurato direttamente; però forzando la soluzione attraverso un capillare o un diaframma, una porzione della parte diffusa del doppio strato ionico viene trascinata mentre la rimanente porzione rimane attaccata alla superficie. Questi ioni misurati alle estremità del capillare prendono il nome di: potenziale di flusso. Il potenziale di flusso dipende ovviamente dal contenuto della soluzione.

Ho costruito un apparecchio per la misura dei potenziali di flusso. Vi risparmio difficoltà ed errori come, soprattutto, avere in testa condensatori macroscopici e operare con condensatori microscopici.

Come abbiamo visto, questi micro condensatori agiscono  a distanze molecolari e quindi si pone il problema di come immaginare il campo elettrico al loro interno.  

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In un condensatore macroscopico come quello in figura,  il campo elettrico è uniforme e viene rappresentato da linee di forza parallele ed equidistanti. In tali sistemi la disposizione delle cariche è una distribuzione uniforme sulle due superfici del condensatore.

In un micro condensatore come quello descritto sopra, la carica + non è equamente distribuita su una 

superficie ma si trova diffusa, mentre la carica negativa presenta ancora una  

        distribuzione abbastanza  uniforme sulla superficie             del vetro. 

        In prima approssimazione e in modo 

        anticonvenzionale potremmo ancora considerare

        il campo elettrico uniforme e rappresentarlo con linee        di forza parallele ed equidistanti.

Ma, se oltre alla carica positiva anche la carica negativa non è equamente distribuita su una superficie, possiamo ancora parlare di campo elettrico uniforme e linee di forza parallele ed equidistanti?

Il quarzo cristallino è costituito da strutture elicoidali le cui unità costitutive sono tetraedri di SiO₄. Tali strutture elicoidali possono svilupparsi in senso destrorso D o sinistrorso L e dare origine a cristalli che sono l’immagine speculare dell’altro.

Quando una delle forme viene messa a contatto con una soluzione,  sulla superficie si generano dei micro condensatori e quindi campi elettrici, le cui linee di forza non possono essere parallele ed equidistanti.

Ciò perché:

a)        i dipoli x^d+ y^d‑, del legame Si‑O, non si trovano tutti sullo stesso piano,

b)        non hanno lo stesso orientamento,

c)     agiscono a piccolissime distanze, cioè a livello molecolare, dove deve essere    determinante la loro appartenenza ad un complesso elicoidale.  

     

Le linee di forza all'interno di un condensatore di tale tipo, per distanze dell’ordine molecolari, si potrebbe  immaginarle di forma elicoidale, cioè come il foro  di una vite orientato in senso destrorso o sinistrorso, secondo la struttura utilizzata.

Gli amminoacidi, costituenti delle proteine, sono sostanze dipolari che presentano un gruppo (‑COO^-) ed un gruppo amminico (‑NH₃⁺). I loro dipoli sono più forti dei dipoli delle molecole di acqua. Ma ogni atomo o gruppo atomico, legato all’atomo di carbonio, presenta legami covalenti polari e di conseguenza è un dipolo. È chiaro che se la forma D è l’immagine speculare della forma L, anche i dipoli della forma D saranno l’immagine speculare dei dipoli della forma L. Poiché l’atomo di carbonio ha una struttura spaziale, a livello molecolare i dipoli delle due differenti strutture si possono immaginare di forma elicoidale, cioè come una vite orientata in senso destrorsa o sinistrorsa,   

  

 In prove di laboratorio, per la misura della polarità delle molecole, si utilizzano condensatori con elevato potenziale, dell’ordine di alcuni Volts, e con distanze di qualche centimetro tra le piastre. In tali prove, che possiamo chiamare macroscopiche, la natura elicoidale dei dipoli delle singole molecole non viene evidenziata, mentre si  misura solo la risultante dei dipoli.

Ma se gli amminoacidi vengono immersi in adatti micro condensatori generati dal quarzo dove: la distanza tra le ipotetiche piastre è dell’ordine molecolare, il campo elettrico al loro interno è elicoidale e i potenziali sono dell’ordine del mV (millesimi di Volts), allora deve essere possibile evidenziare la struttura elicoidale dei dipoli delle loro molecole.

                                                                             Giovanni Occhipinti

Prossimo articolo: Origine delle proteine (terza parte), fine Marzo

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.

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 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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