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

Post n. 24

      

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

                                      Le Scienze: Gli albori della vita

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

                                                                                             

                                                                                         Giovanni Occhipinti

                                                               
Prossimo articolo: Origine delle proteine: La scelta degli amminoacidi (fine novembre)

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.