ORIGINE DELLE PROTEINE: 3) La formazione dei polipeptidi

Post n. 26

Immaginate di avere una bottiglia piena d’acqua e ponetela capovolta in un recipiente, anch'esso pieno d’acqua. Nessuno, anche chi questa esperienza non l’ha mai fatta da ragazzo, si aspetta che la bottiglia si svuoti. Anche se un po’ banale, questa mi sembra una metafora appropriata per chiarire il problema della sintesi delle macromolecole fondamentali della vita.

Le reazioni di centinaia di legami peptidici per la formazione delle proteine,

superagatoide.altervista.org

dei nucleotidi costituenti degli acidi nucleici,

 di centinaia di legami per la formazione degli acidi nucleici,

 

www.unisr.it

degli zuccheri

bifi.es.JPG

e dei lipidi  

www.webalice.it

danno come prodotto di reazione anche acqua.

Queste reazioni sono in realtà reazioni di equilibrio, cioè reazioni dove i prodotti della reazione, dopo aver raggiunto una certa concentrazione, rimangono sempre costante; un’ulteriore formazione di prodotti si decompone per ridare i reagenti. Reazioni di questo tipo vengono rappresentate con una doppia freccia e, nel caso dei peptidi, li sintetizziamo nella sintesi di un dipeptide, dove Ala indica l'amminoacido Alanina e Gly la Glicina:

Ala + Gly D Ala-Gly + H₂O

In ambiente acquoso, e quindi in un brodo prebiotico, queste reazioni di sintesi non possono avvenire perché l’abbondanza di acqua, già presente, spinge la reazione verso sinistra. In modo semplificativo, come l’acqua non può uscire spontaneamente dalla bottiglia, se immersa in un contenitore anch'esso pieno d’acqua, così, in ambiente acquoso, l’acqua non può uscire spontaneamente dalle suddette reazioni. E se l’acqua non viene prodotta non avviene nemmeno la sintesi delle macromolecole fondamentale per la vita.

Ora, la questione è che tutti gli organismi viventi contengono acqua e al loro interno queste reazioni avvengono. Come è possibile?

Ritorniamo alla metafora tra la bottiglia d’acqua e le reazioni.

Se, mantenendo la bottiglia capovolta, vogliamo fare uscire l’acqua bisogna portarla fuori dal recipiente, cioè compiere lavoro, fornire energia. Negli organismi viventi ci sono delle molecole che forniscono questa energia; parte di questa energia è fornita da catalizzatori, gli enzimi, che abbassano l'energia per le reazioni di sintesi, il resto è fornita da molecole che fungono da “carburante” per le reazioni di sintesi facendo uscire l’acqua.
Ma in molti casi gli enzimi realizzano condizioni tali da non necessitare di molecole che fungono da "carburante". Come riporta Pier Luigi Luisi in “Sull'origine della vita e della biodiversità”2013, le grandi dimensioni degli enzimi sono necessarie perché in prossimità del sito attivo si forma un micro-ambiente non acquoso. Queste condizioni permettono all'enzima una reattività straordinaria e diversa dalle reazioni in ambiente acquoso.

Infine, negli organismi viventi, le macromolecole appena formate si ritrovano immerse in soluzioni acquose dove sono instabili. Per evitare la disgregazione esse assumono delle strutture particolari. Dobbiamo quindi suggerire un meccanismo che, in epoca prebiotica, stabilizzi le macromolecole.

In conclusione, in tutti gli organismi viventi le reazioni di sintesi delle macromolecole necessitano di catalizzatori, energia, micro-ambienti non acquosi e meccanismi di stabilizzazione. I processi vitali devono aver avuto una necessaria continuità con i processi che hanno portato all'origine della vita. Quindi, gli stessi strumenti necessari oggi per gli organismi viventi dovevano, sicuramente, essere necessari anche in epoca prebiotica.

E allora, per poter comprendere come sia avvenuta la formazione delle macromolecole, in epoca prebiotica, dobbiamo andare alla ricerca di:

1) catalizzatori, 2) micro-ambienti non acquosi, 3) qualche fonte di energia, 4) un meccanismo che stabilizzi le macromolecole.

È stimolante il fatto che si arriva alle stesse conclusione partendo da un’altra prospettiva, cioè attraverso lo studio delle reazioni di equilibrio.

Le sostanze allo stato liquido, gassoso e in soluzione si muovono e tale movimento dipende dalla temperatura. Il ramo della chimica che studia il movimento delle particelle e si occupa del meccanismo delle reazioni prende il nome di cinetica chimica.

La cinetica chimica afferma che: condizione necessaria e sufficiente affinché una reazione avvenga è che ci sia un urto e che l’urto sia efficace. È necessaria quindi una certa energia per rompere i legami già esistenti nei reagenti. Tale affermazione può essere rappresentata graficamente ponendo sull'asse delle ordinate l’energia e sull'asse delle ascisse la coordinata di reazione che ci indica il corso della reazione.

Per la reazione di formazione delle proteine che abbiamo schematizzato nella reazione di equilibrio del dipeptide, Ala + Gly D Ala-Gly + H₂O, X rappresenta i reagenti (gli amminoacidi) e Y i composti (i peptidi).

Questo grafico ci indica la via da seguire se vogliamo capire come siano potuta avvenire la reazione di formazione dei peptidi in epoca prebiotica, in particolare:

1) Andare alla ricerca di minerali che, in epoca prebiotica, abbiano funzionato da catalizzatori e abbassato, freccia nera a sinistra, l’energia necessaria per fare avvenire la reazione. 

2) Cercare condizioni che abbiano ridotto ancora l’energia necessaria per la reazione, cioè la freccia rossa a sinistra, in definitiva micro-ambienti non acquosi.

3) Trovare una fonte di energia per superare la rimanente barriera energetica e ottenere i prodotti.

4) Trovare un meccanismo che stabilizzi i prodotti della reazione abbassando la loro energia a Y^*. Ciò perché i prodotti sono instabili. Come indica la piccola freccia rossa a destra, l’energia necessaria per passare dai prodotti della reazione ai reagenti è esigua e potrebbe avvenire anche a temperatura ambiente.

Siamo giunti esattamente alle stesse conclusioni cui eravamo arrivati analizzando come avvengono, negli organismi viventi, le reazioni di formazione delle macromolecole.

E allora cerchiamo di dare una risposta a questi 4 punti. Per non perdere continuità e completezza non ho diviso l’argomento in due articoli e per questo l’articolo è particolarmente lungo. Però, per riordinare le idee, alla fine di ognuno di questi punti vengono evidenziate le conclusioni.

1) La ricerca dei Catalizzatori.

1) La ricerca di catalizzatori inorganici che abbiano coadiuvato, in epoca prebiotica, la formazione delle proteine ha interessato un considerevole numero di scienziati. Poiché il silicio è l’elemento più diffuso della crosta terrestre e i silicati coprono oltre il 90% della crosta, la ricerca si è orientata verso questi minerali e, in particolare, verso i componenti della loro disgregazione: le argille.

Molti ricercatori hanno dimostrato che è possibile ottenere polipeptidi utilizzando amminoacidi in presenza di argilla.

Come riporta Graham Cairns-Smith in “Argille e origine della vita: frontiere della vita” 1998:

M. Paecht-Horowitz e collaboratori (1970) riuscirono a polimerizzare amminoacidi attivati (amminoaciladenilati) in presenza di montmorillonite. N. Lahav, D. White e S. Chang (1978) riuscirono ad assemblare molecole di glicina in presenza di montmorillonite, attraverso un ciclo in cui si alternavano assenza e presenza d'acqua. Anche Bujdak et al. 1995 ottennero risultati simili. Presumibilmente, aggiunge Cairns-Smith, la polimerizzazione è favorita dall'assenza d'acqua. Infatti, nell'esperimento di Lahav e Chang la temperatura si faceva oscillare da 25 a 95 gradi.

È opportuno ricordare che le argille contengono silice colloidale e silice amorfa (Gel di silice) e come riporta Antonio Cadeddu in “Genesi di una teoria scientifica” 1998: «In mezzo agli altri fattori fisico-chimici che agivano sui processi enzimatici, dobbiamo rivolgere speciale attenzione alla struttura delle formazioni colloidali. […] secondo Smuk, anche i gel inorganici con la loro struttura molto elementare, possono influire sulla direzione delle reazioni catalitiche. Così, ad esempio, l’aggiunta di gel di silice ad una soluzione acquosa di acido acetico e alcool metilico facilita la sintesi catalitica dell’estere». Si noti che in questa reazione uno dei prodotti è proprio l’acqua, come nella sintesi delle proteine. D’altra parte è noto l’utilizzo molto diffuso del Gel di silice nell'industria sia come catalizzatore che come disidratante.

Ma allora, se è possibile che le argille abbiano catalizzato, in epoca prebiotica, le reazione di sintesi delle proteine, perché non si considera chiusa la questione? Il problema è che le argille:

A) Non sono selettive nel senso che non riconoscono gli amminoacidi Destro dai Levo e quindi catalizzano le due forme.

B) Non riconoscono i 20 amminoacidi biologici tra i circa 60 presenti in epoca prebiotica e catalizzano qualsiasi tipo di amminoacido dando origine a polimeri qualsiasi. Ma l’evoluzione chimica necessita di polimeri particolari per svolgere funzioni specifici all'interno di proto organismi. In definitiva, la presenza di argilla e/o silice amorfa catalizza genericamente il legame tra amminoacidi, cioè il legame peptidico:

R¢COOH + R″NH₂ D R¢C=O‑NH-R″ + H₂O

L’unico minerale selettivo nei confronti degli amminoacidi, come abbiamo visto altrove, è il Sol di silice, la silice colloidale.  La spiegazione di tale diversità è stata ampiamente illustrata in precedenti articoli: soluzioni a contatto con superfici danno origine a doppi strati elettrici. In presenza di argille il campo elettrico all'interno del doppio strato presenta linee di forza parallele ed equidistanti, il campo è cioè uniforme. Poiché le molecole degli amminoacidi hanno dipoli elicoidali, non possono entrare all'interno del doppio strato elettrico delle argille. Invece, il doppio strato elettrico che si genera a contatto con la silice colloidale presenta al suo interno un campo elettrico con linee di forza elicoidali dove gli amminoacidi si possono accumulare.

L’azione catalizzante delle argille è quindi un’azione a distanza su tutti gli amminoacidi mentre quella della silice colloidale avviene all'interno del doppio strato elettrico ed è selettiva.

1) Conclusione: le argille sono buoni catalizzatori, ma la silice colloidale è l’unico minerale che può funzionare da catalizzatore selettivo.

2) La ricerca di micro-ambienti non acquosi.

2) Riprendiamo la reazione Ala + Gly D Ala-Gly + H₂O e immaginiamo di avere 100 molecole di Ala e 100 molecole di Gly che dopo un’ora abbiano raggiunto l’equilibrio dando origine a 10 molecole di Ala-Gly e 10 molecole di acqua (quantità e tempi sono scelti a caso). Queste quantità, nel tempo, non variano più, rimangono sempre costanti. Se la reazione viene fatta avvenire in presenza di un catalizzatore, invece di attendere un’ora l’equilibrio si raggiunge in pochi minuti. Cioè si formeranno sempre 10 molecole di Ala-Gly e 10 molecole di acqua che rimarranno costanti nel tempo. Quindi, il catalizzatore, accelera la reazione ma non sposta l’equilibrio chimico.

Ma come si fa a spostare l’equilibrio verso destra?

Esiste in chimica un principio che nel nostro caso si potrebbe sintetizzare così: togliete l’acqua e l’equilibrio si sposta verso destra, cioè verso la formazione del dipeptide. Che è come dire: svuotate il recipiente e l’acqua uscirà spontaneamente dalla bottiglia.

Il problema di come eliminare o ridurre l’acqua e quindi la sua azione sulle reazioni di sintesi è stata sempre associata al calore. Nel 1963 Sydney Fox ha scaldato una soluzione amminoacidi alla temperatura di 130°C ottenendo una miscela di polimeri che ha chiamato “proteinoide”. Il calore ha quindi in questo caso due funzioni: eliminare l’acqua favorendo la reazione, aumentare l’agitazione termica delle molecole di amminoacido e produrre un urto efficace. Come abbiamo visto sopra, anche in presenza di argille come catalizzatori, il calore che viene fornito conserva lo stesso scopo.

Ma veramente il calore può essere stato utilizzato per eliminare l’acqua e fornire l’energia per le reazioni di sintesi?

Nel 1978, Richard E. Dickerson in “L’evoluzione chimica e l’origine della vita” Le Scienze, avanza una proposta: l’evaporazione, provocata dal Sole, in una pozza d’acqua dolce; ma poi aggiunge: «Una obiezione a questa proposta è che parecchie degli importanti precursori delle molecole biologiche, come l’acido cianidrico, Il cianogeno, la formaldeide, l’acetaldeide, e l’ammoniaca sono a loro volta volatili». Si tenga presente che queste sostanze sono i precursori del Ribosio e delle Basi azotate costituenti degli acidi nucleici. Dunque, se si elimina l’acqua attraverso il riscaldamento, si eliminano anche i precursori degli acidi nucleici e si blocca la formazione di sostanze fondamentali per l'origine della vita, cioè, si taglia il ramo dell’albero su cui si è seduti. In conclusione non possiamo utilizzare il calore per allontanare l’acqua ma dobbiamo cercare compartimenti asciutti all'interno di soluzioni acquose.

Questi compartimenti esistono e si trovano in soluzioni acquose a contatto con i vari componenti dell’argilla; sono i doppi strati elettrici assimilabili a micro condensatori di cui abbiamo ampiamente discusso. Come ci ricorda Giuseppe Bianchi in “Elettrochimica” 1963 «[…], hanno tendenza ad essere espulsi dal doppio strato elettrico le specie a minore costante dielettrica per essere sostituite da specie a costante dielettrica più elevate». Gli amminoacidi presentano una elevata costante dielettrica e dipoli elicoidali. Essi possono quindi entrare nel doppio strato elettrico della silice colloidale espellendo le molecole di acqua. In assenza di acqua l’equilibrio è spostato verso destra, verso la formazione dei peptidi.

2) Conclusione: all'interno di soluzioni acquose a contatto con la silice colloidale contenuta nelle argille, si formano micro-ambienti non acquosi, come avviene negli organismi viventi in prossimità degli enzimi. Al loro interno l’equilibrio Ala + Gly D Ala-Gly + H₂O, tolta l’acqua, è spostato verso destra, verso la formazione dei peptidi.

3) La ricerca di una fonte di energia.

3) Non potendo utilizzare il calore come fonte di energia per la sintesi dei polipeptidi, molti scienziati sono andati alla ricerca di molecole ricche di energia come HCN o pirofosfato inorganico che, nel brodo prebiotico, abbiano funzionato da “carburante”.

Come riportano R. F. Doolittle e P. Bork in “La modularità delle proteine” Le Scienze Quaderni 1996, intorno al 1970 M. G. Rossmann propose che le proteine fossero costituite da moduli (domini), comparsi precocemente nella storia della vita e assemblati in differenti combinazioni. Questa ipotesi è stata confermata. Molte proteine risultano costituite da moduli (o domini) con un numero di residui di amminoacidi tra 45 e 70. Come abbiamo visto altrove, le Ferrodoxine derivano tutte da una proteina originaria di 27 amminoacidi, considerata una delle prime proteine comparse durante il processo che ha dato origine alla vita. Oggi è accertato che quando una catena polipeptidica contiene 30-40 residui di amminoacidi (alcuni autori si spingono a 20 amminoacidi), comincia ad avere forze di coesione sufficienti per assumere una forma predominante. E allora, prendiamo come riferimento un polipeptide di 30 amminoacidi e vediamo come sintetizzarlo, nel brodo prebiotico.

L’HCN (acido cianidrico) è una molecola ricca di energia ed era presente in epoca prebiotica. La reazione per la formazione di un polipeptide di 30 amminoacidi dovrebbe seguire questo percorso. Una molecola di amminoacido avrebbe dovuto reagire inizialmente con HCN e successivamente con una seconda molecola di amminoacido ottenendo un dipeptide. Il dipeptide ottenuto avrebbe dovuto reagire ancora con HCN e quindi con un'altra molecola di amminoacido ottenendo un tripeptide, e così via per 30 molecole. Reazioni di questo tipo sono termodinamicamente possibili e quindi con rendimento del 100%. Per la formazione di un solo legame peptidico ci vogliono però almeno cinque reazioni intermedie. La sintesi, per questa via, di un polipeptide di 30 amminoacidi, richiedeva che nel brodo prebiotico avvenissero, casualmente, circa 150 reazioni chimiche consecutive per una sola molecola di polipeptide.

Il brodo primordiale porta la chimica prebiotica all'evanescenza.

Per chiarire le questione della fonte energetica è forse opportuno rivedere alcuni criteri termodinamici e abbandonare l’idea di brodo prebiotico.

Immaginiamo di avere un becher che contiene 100 grammi di acqua e aggiungiamo un po’ di alcool. La termodinamica ci fornisce gli strumenti analitici per dimostrare che l’alcool etilico è miscibile con l’acqua.

Immaginiamo ora una superficie di vetro dove depositiamo una goccia di acqua. In prossimità dell’acqua depositiamo una goccia di alcool etilico. La goccia di alcool espandendosi si avvicina alla goccia di acqua. Essendo le due sostanze miscibili ci aspettiamo che, appena l’alcool raggiunge la

 goccia d’acqua, esse si mescolano. Avviene, invece, che man mano che la goccia di alcool espandendosi si avvicina all'acqua, quest’ultima si allontana, scappa; acqua e alcool non si mescolano; è esattamente l’opposto di ciò che noi ci attendevamo secondo la termodinamica. Facciamo un altro esempio. In un becher contenente 100 grammi di acqua aggiungiamo un po’ di H₂SO₄ (acido solforico). Avviene ciò che la termodinamica prevede: l’H₂SO₄ si miscela con l’acqua con sviluppo di calore.

Poniamo adesso su una superficie di vetro quattro gocce di acqua sui lati di un immaginario quadrato.

         

 

Al centro delle quattro gocce poniamo micro gocce di acido solforico. Essendo le due sostanze miscibili, ci aspettiamo, che appena l’acido solforico raggiunge le gocce di acqua esse si mescolano. Ebbene anche in questo caso l’acido solforico non si miscela con l’acqua ma cerca addirittura vie di fuga. Non provate a sostituire all'alcool etilico con l’acido nitrico concentrato (HNO₃), vi potrebbe far venire in mente l’esistenza di uno “scopo”.

Perché questi esperimenti vanno in senso contrario alla termodinamica?

Il motivo è il seguente: quando una reazione si fa avvenire in un becher, sia le pareti del recipiente che l’aria sovrastante (cioè l’insieme del contorno) hanno una loro influenza sul processo. Noi però prendiamo una quantità di acqua tale che l’effetto del contorno sul processo risulta praticamente trascurabili. Questi sono i processi che studia la termodinamica, processi dove partecipano grandi masse, processi a grande scala, dove il contorno risulta trascurabile.  Le gocce sono piccole masse dove predomina il contorno, dove sono predominanti l’interazione vetro-alcool (o acido solforico) e aria-alcool (o acido solforico) e l’interazione vetro-acqua e aria-acqua. Questo tipo di termodinamica, che possiamo definire a piccole scale, non è mai stata studiata e non sappiamo nemmeno come studiarla. Come dimostrano questi esperimenti, la termodinamica a piccole scale può andare, spontaneamente, nel senso opposto alla termodinamica a grandi scale.

3a) Conclusione, una dinamica a piccole scale, non può essere spiegata dalla termodinamica classica.

Esistono delle ricerche in cui si afferma che a piccole scale (nanoscale) il secondo principio della termodinamica, per tempi brevi, può essere violato. Oppure che, alle nanoscale, le leggi che abbiamo studiato a scuola non valgono più. Non ho la competenza per entrare nel merito di queste ricerche. Qui si vuole però affermare che il secondo principio della termodinamica è sempre valido. Esso però, a piccole scale non ci fornisce gli adeguati strumenti analitici. E allora mancando di adeguati strumenti analitici, ciò che noi possiamo fare è di seguire un discorso logico che sia termodinamicamente credibile.

Ma in che modo una termodinamica a piccole scale può aiutarci a comprendere l’origine delle polipeptidi? E poi, è veramente necessaria una fonte di energia per la sintesi dei polipeptidi?

Immaginiamo, in epoca prebiotica, una soluzione eterogenea argillosa dove è presente la silice colloidale e dove la concentrazione degli amminoacidi sia 0,1g/L. Nella soluzione acquosa intorno a pH 7, gli amminoacidi si trovano sotto forma di ione dipolare ⁺NH₃‑CHR‑COO^-. Se due molecole di amminoacidi si trovano uno accanto all'altro esse si orientano con la carica positiva verso la carica negativa e danno origine a sali di ammonio R¢‑COO^- NH₃⁺‑R″. Questo tipo di orientamento, energeticamente più stabile, è quello necessario per la formazione di legami peptidici. Come abbiamo già ipotizzato altrove, la silice colloidale trattiene sulla sua superficie gli amminoacidi levo, lasciando portar via dalle acque gli amminoacidi destro. Gli amminoacidi levo si accumulano all'interno dei doppi strati elettrici della silice colloidale ed espellono l’H₂O. Essi quindi, come già ipotizzato, si trovano l’uno in prossimità dell’altro, adsorbiti in funzione del loro potenziale elettrocinetico specifico e sicuramente orientati verso la formazione dei legami peptidici.

 I doppi strati elettrici sono in equilibrio con la soluzione, ma nello stesso tempo rappresentano compartimenti separati dalla soluzione.

Quanto sia il numero di molecole di amminoacidi diversi adsorbiti sulla superficie è difficile da immaginare, decine, forse centinaia. Prendiamo come plausibile ancora 30 molecole.

Ci troviamo quindi ad avere amminoacidi in soluzione e gruppi di 30 amminoacidi all'interno dei doppi strati elettrici della silice colloidale. All'interno di questi microcondensatori le molecole degli amminoacidi si trovano:

a) Una accanto all'altra in una catena di Sali di ammonio.

b) I legami dei gruppi funzionali sono più deboli perché soggetti alle interazioni con i legami covalenti polari della silice colloidale. La silice in definitiva funzione da catalizzatore abbassando l’energia di attivazione.

c) Sono sottoposti alla pressione elettrostatica del doppio strato.

d) L’acqua, all'interno di questi compartimenti, è molto ridotta se non assente e l’equilibrio è spostato verso la formazione dei prodotti.

In definitiva l’energia necessaria per la sintesi è ridotta al minimo.

All'interno di questi compartimenti la termodinamica classica non ci è di nessun aiuto e dobbiamo rivolgerci ad una termodinamica a piccole scale. Come abbiamo visto con gli esperimenti sopra esposti, la termodinamica a piccole scale procede in senso contrario alla termodinamica a grandi scale. È possibile quindi che, all'interno dei doppi strati elettrici, entra in gioco una termodinamica a piccole scale, dove la formazione del polipeptide diventa un processo spontaneo. Con la formazione di un polipeptide di 30 amminoacidi si formano 29 molecole di acqua. Queste molecole, liberate in un ambiente povero di acqua se non addirittura asciutto, trovano spazio dove muoversi aumentando l’entropia del sistema e favorendo la sintesi del polipeptide.

 Non è necessario nessun apporto di energia, è già sufficiente l’agitazione termica. La spontaneità del processo è fornita dall'aumento di entropia.

3b) Conclusione: all'interno dei doppi strati elettrici è possibile che abbia funzionato una termodinamica a piccole scale dove la formazione del polipeptide diventa un processo spontaneo. Non è necessaria nessun apporto di energia, l’agitazione termica è già sufficiente e la spontaneità del processo è fornita dall'aumento di entropia. La sintesi dei polipeptidi è quindi un processo spontaneo con aumento di entropia: Caos dall'ordine

4) La ricerca di un meccanismo di stabilizzazione dei polipeptidi.

4) Le particelle di silice colloidale hanno un vita molto breve. Se una particella di silice colloidale, sulla cui superficie si è sintetizzato un polipeptide, incontra altre particelle di silice colloidale, si formerà silice amorfa. Le interazioni elettriche tra particelle di silice colloidale sono così forti da

bios-project.bolgspot.com

deformarsi reciprocamente; tant'è che la silice amorfa non devia il piano della luce polarizzata. Il polipeptide, non trovando più le interazioni elettriche originarie, si stacca dalla superficie e va in soluzione. Poiché la silice colloidale era elicoidale necessariamente elicoidale sarà anche l’andamento dei polipeptidi. Come abbiamo visto altrove, questa struttura in soluzione è instabile ma contiene al suo interno cariche positive e cariche negative. Essa prima di essere decomposta dall'acqua in singoli amminoacidi, stabilisce spontaneamente legami tra le cariche positive e negative che stabilizzano la struttura elicoidale: l’α-elica è più ordinata e più stabile con energia potenziale Y^*.

Il caos universale è maggiore a causa dell’energia che si libera al momento della formazione dei forti legami idrogeno. L’energia viene liberata sotto forma di calore che aumenta l’agitazione delle molecole di acqua e quindi il disordine complessivo, cioè l’entropia.

L’energia necessaria per decomporre l’α-elica, come ci indica la grande freccia rossa a destra, è adesso maggiore e non è disponibile a temperatura ambiente.

4) Conclusione: La formazione della struttura più ordinata e stabile dell’α-elica stabilizza maggiormente il polipeptide perché aumenta l’entropia universale: Caos dall'ordine.

Per concludere, seguendo il grafico, riproponiamo i 4 punti con le relative risposte.  

1) Andare alla ricerca di minerali che, in epoca prebiotica abbiano funzionato da catalizzatori e abbassato, frecce a sinistra, l’energia necessaria per fare avvenire la reazione. 

1) Le argille catalizzano la sintesi degli amminoacidi ma non sono selettivi. La silice colloidale è l’unico minerale che può funzionare da catalizzatore selettivo.

2) Cercare condizioni che abbiano ridotto ancora l’energia di attivazione, cioè la freccia rossa a sinistra, in definitiva ambienti disidratati o dove l’azione dell’acqua sulla reazione sia di molto ridotta.

2) All’interno di soluzioni acquose a contatto con la silice colloidale contenuta nelle argille, si formano microambienti non acquosi, come avviene negli organismi viventi in prossimità degli enzimi. Al loro interno l’equilibrio Ala + Gly D Ala-Gly + H₂O, tolta l’acqua, è spostato verso destra, verso la formazione dei peptidi.

3) Trovare una fonte di energia per superare la rimanente barriera energetica e ottenere i prodotti.

3a) Una dinamica a piccole scale, non può essere spiegata dalla termodinamica classica.

3b) All’interno dei doppi strati elettrici è possibile che abbia funzionato una termodinamica a piccole scale dove la formazione del polipeptide diventa un processo spontaneo. Non è necessario nessun apporto di energia, l’agitazione termica è già sufficiente e la spontaneità del processo è fornita dall'aumento di entropia. La sintesi dei polipeptidi è quindi un processo spontaneo con aumento di entropia: Caos dall'ordine.

4) Trovare un meccanismo che stabilizzi i prodotti della reazione abbassando la loro energia a Y^*. Ciò perché come indica la piccola freccia rossa a destra, l’energia necessaria per passare dai prodotti della reazione ai reagenti è esigua e potrebbe avvenire anche a temperatura ambiente.

4) La formazione della struttura più ordinata e stabile dell’α-elica stabilizza maggiormente il polipeptide perché aumenta l’entropia universale e quindi, ancora: Caos dall'ordine.

La “Freccia del tempo” trascina con se la sintesi dei polipeptidi.

                                                                                                      Giovanni Occhipinti

Prossimo articolo. L'origine del codice genetico: l'enigma universale (fine Maggio)

ORIGINE DELLE PROTEINE. 2) La scelta degli amminoacidi

Post n. 25

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

I 20 amminoacidi in questione sono:

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

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

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

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

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

Met

mentre la

Cys

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

Inoltre attraverso processi di pirolisi e reazioni in soluzione si ottengono

Phe, Tyr, Trp

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

Arg, Lys

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

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

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

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

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

I costituenti degli dell’RNA sono:

il gruppo fosfato: (H₂PO₄)^-.

Uno zucchero, il Ribosio

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Questa conclusione crea però dei problemi.

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

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

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

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

Prendiamo adesso in considerazione la sintesi di Met e Cys.

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

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

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

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

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

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

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

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

gli altri 6 erano assenti.

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

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

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

Met, Cys, Phe, Tyr, Trp, Hys

Seguiamo adesso un argomentazione diversa.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

I 6 amminoacidi mancanti sarebbero allora:

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

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

Ma poi questi 6 amminoacidi erano veramente mancanti?

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

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

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

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

Partiamo da alcune considerazioni di Ageno:

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

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

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

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

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

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

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

Met, Cys, Phe, Tyr, Trp, Hys

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

Infine, perché proprio questi 20 amminoacidi e non altri?

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

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

                                                                                              Giovanni Occhipinti

Prossimo articolo: Origine delle Proteine: 3) La formazione delle proteine (fine marzo)

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

Post n. 24

      

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

                                      Le Scienze: Gli albori della vita

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

                                                                                             

                                                                                         Giovanni Occhipinti

                                                               
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