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

Post n. 23

Quindi il problema è: in che modo l’asimmetria dell’acqua può determinare l’asimmetria della silice colloidale?

I sistemi colloidali sono influenzati da parecchi fattori indipendenti e non è possibile ancor oggi definire una teoria completa della stabilità dei colloidi. Per poter studiare i sistemi colloidali è necessario quindi, come suggerito da vari ricercatori, standardizzare la tecnica e predefinire un determinato intervallo di tempo prima dell’osservazione. Per parecchi colloidi, tra i quali la silice, l’H₂O dà un contributo notevole alla loro stabilità.

È noto che la molecola dell’acqua presenta un legame covalente polare, dovuto alla forte elettronegatività dell’ossigeno ed è quindi un dipolo;

Come conseguenza di tale legame le molecole di acqua risultano orientate in tutte le direzioni, con l’idrogeno verso l’ossigeno, formando grandi aggregazioni molecolari (cluster);

Lo studio del ghiaccio, attraverso i raggi X, ha dimostrato che tali aggregati molecolari danno origine a cristalli formati da unità strutturali tetraedriche con al centro un atomo di ossigeno e ai vertici altri quattro atomi di ossigeno. Ogni ossigeno è legato a quattro atomi di idrogeno e presenta quindi numero di coordinazione quattro.  Ogni molecola è quindi legata mediante i legami idrogeno con altre quattro molecole formando una struttura più espansa. Le direzioni lungo le quali si collocano i 4 legami pongono al centro l'atomo di ossigeno e vanno verso i vertici di un tetraedro 

È interessante notare che Bernal e Flower (Bernal J D and Fowler R H 1933 J. Chem. Phys. 1 515, da Iopscience) ritenevano che il passaggio dal ghiaccio all'acqua fosse analogo al passaggio dalla tridimite al quarzo e che proprio questa struttura quarzosa fosse responsabile dell’aumento della densità dell’acqua. È comunque opinione condivisa l’ipotesi che l’acqua liquida possiede una struttura quasi cristallina formanti cluster. Essa conserva unità strutturali tetraedriche, dove però le molecole di acqua vengono continuamente scambiate per effetto dell’agitazione termica. All'aumentare della temperatura, pur rimanendo la tendenza della coordinazione quattro, ogni atomo di idrogeno è legato a tre atomi di ossigeno e successivamente a due atomi di ossigeno.

È probabile che tale struttura quasi cristallina sia presente ancora a temperatura ordinaria e fino alla temperatura di 37°C e che tale struttura sia la responsabile dell’alto calore specifico dell’acqua a queste temperature. Oltre i 37°C il calore specifico dell’acqua ha infatti il suo valore minimo. L’ipotesi più accreditata è che oltre questa temperatura la coordinazione sia esclusivamente due, venga persa definitivamente la tendenza alla coordinazione quattro e le strutture quasi cristalline collassano definitivamente.

È importante evidenziare che misure di soluzioni di silice al polarimetro sono state fatte anche a diverse concentrazioni e temperature. I dati sperimentali (vedi: Chimica prebiotica ed origine della vita) ci indicano che all'aumentare della temperatura e fino a 34°C la deviazione della luce polarizzata rimane costante. Oltre la temperatura di 34 °C, la deviazione diminuisce drasticamente per portarsi a zero già a 38-40°C, l’asimmetria della silice è scomparsa.

Come è stato già detto, l’ipotesi più accreditata è che alla temperatura di 37°C le strutture quasi cristalline dell’H₂O collassano definitivamente. Dai dati sperimentali si evince che intorno alla medesima temperatura la silice colloidale non devia più la luce polarizzata. Sembra comunque evidente una relazione diretta tra i cluster di H₂O e la struttura della silice colloidale (denominata spesso Sol di silice o semplicemente Sol); distrutti i Cluster, scompare definitivamente l’asimmetria della silice.

Quindi, oltre all'asimmetria dell’acqua dove, come abbiamo visto, predominano le molecole orto a spin paralleli,

anche i cluster sembrano dare un contributo a determinare l’asimmetria della silice colloidale.

Inoltre, è singolare il fatto che molecole e strutture collegate alla vita presentano la stessa unità strutturale: il quarzo è costituito da unità strutturali tetraedriche, ma come abbiamo visto altrove, anche gli amminoacidi hanno unità strutturali tetraedriche. Abbiamo poi scoperto che anche la silice e infine l’acqua presentano unità strutturali tetraedriche. Ora, se il primo indizio è un caso e il secondo una coincidenza, il terzo indizio indica generalmente uno schema. L’unità strutturale tetraedrica, energeticamente molto stabile, deve in qualche modo avere anche un suo ruolo nell'orientamento e nella geometria ultima della silice colloidale.

Possiamo concludere che ci sono tre fattori concomitanti che sembra contribuiscano a determinare l’asimmetria della silice colloidale: l’asimmetria dell’acqua, i cluster e l’unità strutturale tetraedrica.

Come già detto, l’unità strutturale tetraedrica della silice pone al centro l’atomo di silicio ed ai vertici l’ossigeno. Attraverso il legame di tali unità strutturali seguendo la reazione,

Fig.1

si ha dapprima la formazione di silice colloidale dove, come si vede dalla Fig.1, molti degli ossigeni sono ancora legati all'idrogeno. A causa della differente elettronegatività tra ossigeno e idrogeno si ha la formazione di un dipolo e su di esso si orienta e si lega l’acqua con il suo caratteristico legame.

Fig. 2

la silice è quindi avvolta da un gran numero di molecole di H₂O, che allo stato di colloide gli conferiscono una certa stabilità; infatti la maggior parte delle molecole di H₂O, intorno alla silice colloidale, sono orientate allo stesso modo cioè con all'esterno la carica positiva.

La repulsione tra le cariche positive ritarda l’aggregazione delle particelle colloidali e la formazione della silice amorfa (Gel di silice). Le molecole di acqua che si trovano intorno alla silice colloidale non sono molecole singole, esse appartengono sempre a cluster di acqua che conservano unità strutturali tetraedriche.

E allora, in che modo i tre fattori sopra elencati possono aver determinato l’asimmetria della silice colloidale?

Proviamo a dare una risposta, con il rischio di rimediare una figuraccia.

Sappiamo che se in un filo circola corrente attorno ad esso si genera un campo magnetico. Se il filo è circondato da piccoli magneti, poste su un piano, essi si orienteranno attorno al filo in modo da formare una circonferenza chiusa.

Se però nel filo non circola corrente, i piccoli magneti dovrebbero lentamente disporsi in modo da minimizzare l’energia dell’insieme, come rappresentati in figura.

Ma questa disposizione non può essere reale perché tutti i magneti dovranno essere allineati al campo magnetico terrestre (indicato con la freccia grande).

Ora, immaginiamo di avere un bicchiere d’acqua e agitiamola energicamente con una bacchettina in modo da distruggere tutti i cluster. Cosa succede appena si smette di agitare l’acqua?  La forza predominante è l’interazione dipolo-dipolo tra le molecole di acqua. Sotto l’effetto di tale forza si ricostituiranno i cluster d’acqua con le loro strutture tetraedriche.

La struttura tetraedrica all'interno dei cluster è l’unità strutturale più stabile. Ma tale stabilità si raggiunge non solo perché gli -H^d+ sono orientati verso -O^δˉ ma anche prendendo in considerazione l’effetto degli spin, anche se tale contributo è piccolissimo. Il senso di rotazione del nucleo di idrogeno, che genera il piccolo campo magnetico, può andare in senso orario o antiorario, tale direzione viene denominata spin su e spin giù. Immaginando la struttura tetraedrica fuori da ogni contesto, è indubbio che la maggiore stabilità si ottiene quando all'interno di essa i quattro idrogeni presentano 2 spin su e 2 spin giù, come indicato in figura dalle piccole frecce; in questo modo i piccolissimi campi magnetici ad essi associati si annullano e la struttura risulta più stabile.

La struttura tetraedrica in formazione si trova però immersa nel campo magnetico terrestre. Se i baricentri dei piccoli campi magnetici fossero coincidenti, il campo magnetico terrestre non avrebbe, su di essi, nessuna influenza. I nuclei degli idrogeno all'interno della struttura tetraedrica si trovano però a distanza di circa 4Å e sono quindi sottoposti più all'effetto del campo magnetico terrestre che alla loro reciproca attrazione. È possibile allora che il campo magnetico terrestre imponga la formazione delle strutture con molecole di acqua orto e con i campi magnetici dell’idrogeno ad esso allineati.

Certamente, qui non si vuole sostenere che il campo magnetico terrestre agisca a spostare l’asse degli spin come nella risonanza NMR. Le molecole di acqua, per effetto dell’agitazione termica sono orientate in tutte le direzioni. Qui si vuole solo mettere in evidenza che probabilmente, per effetto del campo magnetico terrestre, entrano a far parte della struttura tetraedrica solo le molecole di acqua orto orientate nella direzione di tale campo, così da rendere la struttura leggermente più stabile.

Per semplicità, indichiamo con un’unica freccia posta sopra la struttura, i piccoli campi magnetici di spin nucleare orientati nella direzione del campo terrestre.

Ora, facciamo in modo che nel nostro bicchiere si formi silice colloidale. Quale sia l’esatta composizione della silice colloidale non è chiara, ciò che possiamo presumere dalla Fig.1 è che la maggior parte degli atomi di ossigeno alla periferia del sol sono legati all'idrogeno. Intorno ad essi, con -O^δ- verso -H^d+, si legheranno le molecole di acqua con le loro strutture tetraedriche.

È importante evidenziare che le strutture tetraedriche impongono angoli di legame, tra gli atomi, di circa 110°. Poiché è predominante il legame tra l’H^d+della struttura della silice colloidale e l’O^δ- dei tetraedri dell’acqua, i piccoli campi magnetici associati agli idrogeni all'interno dei tetraedri non potranno essere allineati al campo magnetico terrestre. Tale disposizione può essere rappresentata con i tetraedri dell’acqua che, a causa degli angoli di legame delle strutture tetraedriche, assumono un orientamento diverso. Di conseguenza, i campi magnetici associati ai tetraedri non si troveranno più allineati al campo magnetico terrestre e saranno sottoposti ad azioni diverse da parte del campo magnetico terrestre.

Ora, immaginiamo per un istante che tutta la struttura sia rigida tranne che nel punto di congiunzione tra i tetraedri silicei. Come si può vedere dalla figura seguente, nella struttura tetraedrica inferiore della silice colloidale, sotto l’azione del campo magnetico terrestre, i cluster legati all’–OH in posizione 1 e 3 subiranno una spinta in senso antiorario mentre quelli in posizione 2 subirà una spinta in senso orario; prevale quindi la spinta in senso antiorario.

Per contro, nella struttura tetraedrica superiore della silice colloidale, i cluster in posizione 4 e 5 subiranno una spinta in senso orario e i cluster in posizione 6 in senso antiorario; prevale, in questo caso, la spinta in senso orario.

Il risultato finale sarà che tale spinta trascinerà con sé la struttura tetraedrica inferiore della silice colloidale facendola ruotare in senso antiorario, mentre trascinerà in senso orario la struttura superiore.

In definitiva le unità strutturali tetraedriche della silice, legandosi per dare particelle colloidali, potrebbero orientarsi in qualsiasi direzione e un contributo, anche se piccolissimo, potrebbe darle una direzione preferenziale. Tale contributo potrebbe essere dato dall'effetto combinato tra il campo magnetico terrestre e i tre fattori sopra elencati: l’asimmetria dell’acqua, la formazione dei cluster e l’unità strutturale tetraedrica.

 È possibile quindi che questo effetto combinato imponga una direzione preferenziale e sia all'origine dell’asimmetria della silice colloidale.

                                                                                                 Giovanni Occhipinti

Complici le vacanze il prossimo articolo: Origine delle proteine (Parte sesta), fine Settembre.

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

Post n. 22

L’ORIGINE DELLE PROTEINE

(Parte quarta)

Sembra un fatto singolare, come abbiamo visto nel precedente articolo, che il quarzo Levo accumuli sulla sua superficie proprio l’amminoacido Levo e il quarzo Destro proprio l’amminoacido Destro. Viene allora spontanea la domanda: ma che relazione c’è tra la struttura del quarzo e la struttura molecolare degli amminoacidi?  Nessuna.

Un fascio di luce naturale è costituito da un numero molto grande di raggi

il cui vettore elettrico oscilla in tutte le direzioni. Schematicamente rappresentato in figura 4.1a.

Se un simile fascio di luce incide su speciali cristalli, detti prismi polarizzatori, o speciali filtri detti Polaroid, tutti i raggi, tranne uno, vengono deviati o assorbiti. Il vettore elettrico, dell’unico raggio uscente, oscilla sempre nella stessa direzione e il piano (x’ x) in cui giace la direzione di propagazione viene chiamato: piano della luce polarizzata, figura 4.1b. Un raggio di luce siffatto viene chiamato: luce polarizzata linearmente.

In natura esistono parecchie sostanze e minerali che, se attraversate da un fascio di luce polarizzata, hanno la proprietà di ruotare il piano della luce polarizzata o verso Destra o verso Sinistra. Un analizzatore posto all'interno di un apparecchio detto polarimetro, il cui campo visivo è diviso in due parti semicircolari, ci permette di osservare tale deviazione. Tale proprietà viene chiamata attività ottica e dipende, per le sostanze, dalla struttura molecolare. Per i cristalli essa dipende dalla struttura cristallina, cioè dalla disposizione di atomi, di ioni o gruppi atomici al suo interno.

Nel mondo inorganico, il minerale più comune che presenta attività ottica è il quarzo.

I cristalli di quarzo furono inizialmente studiati rispetto al loro “abito” esterno, cioè rispetto alla disposizione delle facce sul cristallo stesso. Poiché “l’abito” esterno si presenta in due forme diverse, una l’immagine speculare dell’altra, gli fu assegnata la denominazione morfologica Destro (D) e Levo (L). Quando all'inizio del 1800 J. B. Biot analizzò il quarzo con la luce polarizzata non si conosceva ancora la sua struttura interna, la sua struttura cristallina. Ora, poiché il quarzo morfologicamente Destro ruotava a destra e il quarzo morfologicamente Levo a sinistra, egli lasciò la denominazione D e L.

 Alla fine del 1800 furono scoperti i Raggi X. L’analisi del quarzo ai raggi X ha evidenziato che esso è composto da unità strutturali tetraedriche con al centro l’atomo di Silicio ed ai vertici l’ossigeno.

Tali unità strutturali sono legate tra loro in modo da formare eliche destrogire e levogire.

L’analisi ha evidenziato un fatto fondamentale: nel quarzo otticamente e morfologicamente “Destro” le eliche sono Sinistrorse e nel quarzo otticamente e morfologicamente “Sinistro” le eliche sono Destrorse.

(Da: Rudolf Rykart, Quarz-Monographie, 1995)

Così, quando affermiamo che il quarzo L assorbe sulla sua superficie l’amminoacido L in realtà è il quarzo a struttura Destrorsa che accumula l’amminoacido L.

La denominazione assegnata da Biot è però rimasta e viene universalmente utilizzata.

Come abbiamo detto esistono parecchie sostanze, come ad esempio gli amminoacidi, che in soluzione ruotano il piano della luce polarizzata. Lo stesso senso di rotazione adottata da Biot per il quarzo è stata adottata anche per le sostanze, ma fu assegnato il segno + se ruota a Destra e – se ruota a Sinistra. Tale rotazione non ha nessuna corrispondenza con la denominazione L e D degli amminoacidi. Quest’ultima denominazione è riferita alla struttura molecolare che è stata determinata attraverso regole di sequenza universalmente accettate, ma arbitrarie. Esiste infatti una L(+) valina come anche la L (-) Prolina.

Fatte queste precisazioni, ritorniamo al nostro problema principale.

Le due forme molecolari degli amminoacidi, cioè Destro e Levo, presentano le stesse proprietà chimico-fisiche, e si riteneva che fossero inseparabili.

Intanto attraverso i doppi strati elettrici abbiamo fatto un primo passo. Il quarzo separa l’amminoacido Destro dal Levo e collega deduttivamente tale separazione coi principi fondamentali della teoria fisica. Ma, poiché in riferimento agli amminoacidi esiste solo una vita L deve esistere, nel mondo inorganico, una sostanza asimmetrica di forma solo L che abbia trattenuto e accumulato sulla sua superficie solo l’amminoacido L.

L’idea dell’esistenza, nel modo inorganico, di un minerale asimmetrico è nata dalla lettura dell’articolo di Encrenaz Thérèse, L’acqua nel sistema solare, «Le Scienze» (2001).

In esso viene messo in evidenza come le molecole di acqua non sono tutte uguali ma ne esistono di due tipi: molecole orto e molecole para.

I nuclei degli atomi, come gli elettroni, ruotano intorno al proprio asse in senso orario o in senso antiorario. A causa di tale rotazione, chiamata spin, i nuclei e gli elettroni si comportano come piccolissimi magneti.

L’effetto degli spin è più appariscente nei magneti permanenti. In un magnete permanente, gli spin di alcuni elettroni degli atomi che lo costituiscono, hanno tutti lo stesso orientamento. Poiché ogni elettrone può essere considerato un piccolissimo magnete, l’effetto cumulativo di tutti gli spin dà origine, a livello macroscopico, alle proprietà del magnete.

I nuclei degli atomi di idrogeno costituenti l’acqua presentano, come altri atomi, spin nucleari. L’acqua contiene due atomi di idrogeno, i loro spin potrebbero andare casualmente metà in un senso e metà nel senso opposto. Ebbene si è scoperto che nel 75% delle molecole d’acqua del nostro pianeta, gli spin dei due atomi di idrogeno presentano lo stesso senso di rotazione, sono cioè paralleli. Esse vengono chiamate: molecole orto. Nel restante 25% sono antiparalleli e vengono chiamate molecole para.

Anche l’idrogeno puro presenta molecole orto e molecole para e con le stesse percentuali. Pur essendo il campo magnetico associato ai nuclei molto debole, diversi ricercatori hanno messo in evidenza come, nell'idrogeno puro, il para idrogeno presenta tensione di vapore, punto di ebollizione e calore specifico diversi da quelle dell’idrogeno normale (Samuel Glasstone, Trattato di chimica fisica, 1963 pag.100).

Nella molecola dell’acqua l’idrogeno è legato all'ossigeno e per effetto della forte elettronegatività dell’ossigeno, l’elettrone dell’idrogeno è spostato verso l’ossigeno.

A causa di tale spostamento, sugli atomi di idrogeno dell’acqua affiora la carica positiva del nucleo dell’idrogeno e quindi i piccoli campi magnetici associati agli spin nucleari. Nelle molecole di acqua para, un ¹/₄ dell’acqua del nostro pianeta, i piccoli campi magnetici sono, come indicano le frecce, antiparalleli,

si annullano e non affiora nulla.

Nelle molecole di acqua orto, ³/₄ dell’acqua del nostro pianeta, i piccoli campi magnetici sono paralleli,

si sommano e affiorano piccolissimi magneti permanenti orientati nella stessa direzione.

L’acqua è, quindi, asimmetrica.

Ora, l’acqua è fonte di sopravvivenza degli organismi viventi. Essa è stata ed è determinante per l’evoluzione della superficie del nostro pianeta e per quattro miliardi di anni ha stabilizzato la temperatura entro un intervallo compatibile con la vita. Senza acqua la terra sarebbe uno sterile pianeta roccioso.

Viene allora spontanea la domanda: possibile che l’asimmetria dell’acqua non abbia giocato nessun ruolo nell'asimmetria delle molecole fondamentali per la vita?

Apparentemente i due tipi di asimmetria sembrano diversi, una di tipo magnetico e l’altra di tipo strutturale. Ma le strutture molecolari sono formati da atomi legati tramite interazioni elettriche e quindi ambedue le asimmetrie sono di origine elettromagnetica. In che modo queste due asimmetrie abbiano potuto interagire non è semplice da capire, ma questo non può impedirci qualche tentativo sperimentale. La storia della scienza è costellata di fenomeni la cui teoria è stata compresa dopo molto tempo dalla loro scoperta.

L’asimmetria dell’acqua però, non può aver agito direttamente sulla scelta dell’asimmetria della vita. Se mettiamo in acqua un amminoacido racemo, cioè della forma 50% destro e 50% Levo, non si osserva nessuna deviazione del piano della luce polarizzata. L’acqua non ha una particolare preferenza per una delle due forme.

Ma allora, in che modo essa può aver determinato tale scelta?

Come Miller ha dimostrato, l’atmosfera primitiva è stata sede di sintesi degli amminoacidi che venivano trascinate dalle piogge sulla superficie del pianeta. Gli amminoacidi, come l’acqua, erano quindi distribuiti su tutta la superficie del pianeta. L’asimmetria dell’acqua deve, quindi, aver agito su una sostanza che era anch'essa distribuita su tutta la superficie del pianeta. Uno dei minerali che era ed è presente pressoché ovunque è la silice. La silice è anche uno dei componenti dell’argilla e così rientriamo nella teoria di Bernal.

Il quarzo è un componente importante della crosta terrestre ma ancora più importanti sono i silicati che coprono oltre il 90% della crosta terrestre.

Le rocce metamorfiche sono sedimenti di silicati che hanno subito alterazioni ambientali. I minerali argillosi, per esempio, diffusi su tutta la superficie del pianeta, sono rocce silicatiche che hanno subito tali metamorfosi reagendo con H₂O e CO₂ (biossido di carbonio o anidride carbonica). L’argilla è uno dei componenti dei terreni coltivabili. Uno dei componenti di tale metamorfosi è la silice amorfa o gel di silice. In natura spesso la silice amorfa dà origine ad un minerale che prende il nome di opale. L’analisi ai raggi X ha evidenziato che in esso è sempre presente l’unità strutturale tetraedrica e contiene microcristalli di tridimite e cristobalite, denominati cristalliti, che sono forme polimorfe del quarzo. L’opale più antico contiene anche microcristalli di quarzo e infatti, con il trascorrere delle ere geologiche, esso si trasforma in calcedonio che è una massa di quarzo microcristallino.

L’analisi ai raggi X ha evidenziato la presenza dell’unità strutturale tetraedrica e di microcristalli di cristobalite anche nella silice amorfa preparata in laboratorio ed essiccata (gel di silice). La silice amorfa, in laboratorio, si ottiene facendo reagire, in soluzione acquosa, silicato di sodio (vetro solubile) e acido cloridrico.

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

L’acido orto silicico così ottenuto polimerizza e dà origine dapprima a silice colloidale (sol).

Le particelle di silice colloidale (sol) non sono visibili e non rimangono a lungo in sospensione nella soluzione. Esse, dopo alcuni minuti, lentamente si aggregano formando fiocchi, visibili ad occhio nudo, che precipitano dando origine ad un precipitato di silice amorfa (gel). La formazione del colloide non è istantanea. Dall’H₄SiO₄ si forma una certa quantità di colloide che lentamente si aggrega formando silice amorfa, mentre altro colloide inizia a formarsi. La concentrazione del colloide nella soluzione non è sempre costante.

La formazione dell’acido silicico in natura segue reazioni chimiche diverse, ma la formazione del sol prima e del gel poi è identica all'esperienza di laboratorio.

Come già detto, la silice amorfa è uno dei componenti della metamorfosi delle rocce e si trova diffusa praticamente su tutta la superficie del pianeta. La silice che precede la silice amorfa è la silice colloidale. Come tutti i colloidi non è visibili nemmeno al microscopio ottico. Tuttavia, anche se invisibili, le particelle sono comunque molto grandi e quindi hanno superfici molto grandi. Un colloide in soluzione viene quindi considerato 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, formazione di doppio strato elettrico, ecc.

Non sono note ricerche di osservazione di soluzioni silicee al polarimetro. È da tenere presente, però, che fino agli anni ’90 i polarimetri di gran lunga più usati avevano una sensibilità di 0,1 gradi, con tubi polarimetrici di 10cm e a scorrimento manuale. Con questi polarimetri era impossibile mettere in evidenza piccole deviazioni del piano della luce polarizzata. I nuovi polarimetri digitali a scorrimento automatico (tipo POLAX-2L), dispongono di tubi polarimetrici di 20cm a posizione orizzontale. La deviazione del piano della luce polarizzata viene quindi raddoppiata. Essi hanno inoltre una sensibilità di 0,05 gradi e quindi anche la sensibilità è raddoppiata.

Misure di soluzioni di vetro solubile, a varie concentrazioni e tempi, sono state fatte al polarimetro POLAX-2L.

Standardizzata la tecnica, è stato osservato che tali soluzioni presentano attività ottica.

In particolare la silice in soluzione ruota il piano della luce polarizzata a sinistra.

Tale deviazione scompare dopo circa 5- 10 minuti.

Il fatto che dopo un certo tempo di attesa la deviazione del piano della luce polarizzata scompare, vuol dire che è il colloide ad avere tale caratteristica. La silice amorfa, che successivamente si forma per aggregazione delle particelle colloidali, dà solo una soluzione torbida senza alcuna deviazione della luce polarizzata. L’aggiunta di alcool etilico alla soluzione, aumenta sensibilmente la deviazione della luce polarizzata. È noto infatti che l’alcool etilico ritarda l’aggregazione delle particelle colloidali e la loro concentrazione nella soluzione è temporaneamente maggiore. (Procedura e dati: “Chimica prebiotica e origine della vita”)

Sembra quindi che, anche se a vita breve, siamo in presenza di un minerale asimmetrico: la silice colloidale.

Come già detto la silice amorfa presenta microcristalli di tridimite e di cristobalite. La silice colloidale, che precede la silice amorfa ruota il piano della luce polarizzata a sinistra. Sembra quindi che l’acido ortosilicico, polimerizzando, dia origine, durante la sua breve esistenza come colloide, a strutture elicoidali del tipo quarzo Levo. Tali strutture si trasformano in microcristalli di tridimite e cristobalite nella silice amorfa e, dopo tempi geologici, in cristalli di quarzo nel calcedonio.

Ora, se la silice colloidale in soluzione acquosa dà origine a strutture elicoidali, hanno la stessa probabilità di formarsi sia strutture Destro che strutture Levo. Se le strutture risultano solo di tipo Levo, ciò può essere dovuto solo all’asimmetria dell’acqua.

Ma in che modo l’asimmetria dell’acqua può determinare l’asimmetria della silice colloidale?

E poi, è questo l’anello mancante per risolvere il problema dell’asimmetria molecolare degli organismi viventi?

                                                                                     Giovanni Occhipinti

Prossimo articolo: Origine delle proteine (Parte quinta), fine giugno.

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

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