MA LA VITA, CHE COS'È?

Post n. 30

Prima d affrontare l'argomento, forse, vale la pena fare una brevissima premessa.

La definizione del concetto di vita e di vivente è naturalmente una impresa molto ardua e sono sempre possibili imprecisioni e fraintendimenti. A volte, nell'intento -  magari lodevole di essere precisi e rigorosi -  si finisce per correre il rischio di essere dogmatici e di cadere in conclusioni paradossali, quali quelli che portano a dubitare della qualifica di vivente del mulo soltanto perché è sterile e non può riprodursi.

Quelle che seguono sono dunque considerazione che hanno un fine prevalentemente terminologico (quello di evitare che nella discussione si faccia uso di termini uguali, attribuendo loro significati diversi) e metodologico (quello di circoscrivere la trattazione dell'argomento all'ambito strettamente scientifico-sperimentale).

Se si osservano un cane che abbaia e un sasso sappiamo subito riconoscere cosa è vivo e cosa inanimato. Dare però una definizione scientifica conclusiva che distingua i viventi dal mondo inanimato cioè come definire la vita, per mezzo di osservazioni macroscopiche e di senso comune, è un’impresa difficile. Intorno agli anni settanta del secolo scorso, si inizia a fare una lista delle caratteristiche del vivente. Così, organismo vivente era considerato un sistema capace di nutrirsi, crescere, riprodursi e reagire agli stimoli. La questione è che queste funzioni si riscontrano, singolarmente, anche nel mondo inanimato. Il granulo di un cristallo si “nutre” delle particelle in soluzione e cresce, può spezzarsi e riprodurre un altro cristallo. Si conoscono anche diversi sistemi meccanici che reagiscono ad uno stimolo termico o elettrico. Si è pensato allora di mettere come condizione, per definire un vivente, la presenza simultanea di tutte le caratteristiche sopra elencate. Ma poi, se il cane è gravemente malato e non riesce più a nutrirsi? E gli ibridi, come il mulo che non si riproducono?

La questione fu quindi spostata sulle popolazioni e infatti Maynard Smith in “La teoria dell’evoluzione” 1975, scrive: «Una lista così arbitraria ci serve a poco. Per fortuna la teoria della selezione naturale di Darwin ci dà, invece, una definizione soddisfacente. Noi consideriamo vivente una popolazione formata da entità che hanno la proprietà di moltiplicazione, di ereditarietà e di variabilità». Rimane ancora il problema degli ibridi che non si riproducono.

Agli inizi degli anni `80, come scrive Alessandro Minelli in “Gli albori della vita” Le Scienze”1984, si preferisce lasciare da parte la tentazione di definire il fenomeno “vita”. Verso la fine dello stesso decennio Manfred Eigen, in “Gradini verso la vita” 1987, dedica tutto il primo capitolo a questo argomento e infine conclude: «La domanda: “Che cos’è la vita?” ha molte risposte possibili, nessuna delle quali è soddisfacente […]. Troppo grande è la massa dei fenomeni complessi, troppo diversificati sono i caratteri e i comportamenti dei viventi perché una definizione generale possa avere senso».  Nel 2000, in “Da dove viene la vita”, Paul Davies tenta di dare una chiara idea di che cosa sia la vita e ritorna a proporre una lista. Egli elenca dieci caratteristiche essenziali per definire un vivente e conclude: «Posso riassumere questo elenco di qualità affermando che, in senso lato, la vita sembra coinvolgere due fattori cruciali: il metabolismo e la riproduzione». E gli ibridi?

Con Iris Fly ritorna la futilità di qualsiasi tentativo di “definire” la vita. L’autrice, in “Origine della vita sulla terra” 2002, dopo avere ripercorso alcuni tentativi di definire la vita da parte degli scienziati, conclude: «Chi ha tentato almeno una volta di produrre una definizione della vita ha fatto l’esperienza frustrante di accorgersi che o l’elenco delle sue proprietà è troppo ampio e si applica a sistemi non viventi, oppure è troppo ristretto escludendo alcuni esseri viventi. Una definizione funzionale che si concentri sulla nutrizione, il metabolismo e l’escrezione, potrebbe applicarsi anche ad un automobile, ma non ad un seme dormiente».

Ernst Mayr, in riferimento alla ricerca della vita nello spazio, in “L’unicità della biologia”2004, ritorna sulla necessità di dare una definizione di “vita” e scrive: «Personalmente accetto una definizione ampia: la vita deve essere capace di replicarsi e di usare l’energia ricavata dal sole o da alcune molecole disponibili, come i composti solforati presenti nelle fumarole oceaniche».

Rimane ancora il problema del seme e degli ibridi.

Anche Pier Luigi Luisi in “Sull’origine della vita e della biodiversità” 2013 ritiene utile isolare e definire un denominatore comune che accomuna tutti i viventi. L’autore, come egli stesso scrive, utilizza una metafora semi-seria. Egli immagine un Omino verde, proveniente da un sistema stellare molto lontano con una lista di cose terrestri contenente viventi e non viventi. L’Omino verde incontra un contadino al quale chiede di separare nella lista i viventi dai non viventi. Dopo una serie di obiezioni e chiarimenti finalmente si raggiunge un’intesa e l’Omino verde conclude: «Un sistema da voi è definito vivo se è capace di trasformare il nutrimento esterno in un processo interno di auto-mantenimento e produzione dei propri componenti». Pier Luigi Luisi evidenzia come si è raggiunto una definizione di vivente senza scomodare la biologia molecolare. La definizione comunque non contempla la riproduzione, anche perché nella lista che l’Omino verde mostra al contadino è presente il mulo, che non si riproduce.

 

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È un peccato che nell’elenco presentato dall’Omino verde, proprio ad un contadino, non fosse compreso il seme. Forse il contadino nel seme avrebbe visto già una pianta e quindi la vita. Ma allora la vita sarebbe ciò che si percepisce come vita, una sensazione. Così, se per un contadino il seme è vita forse non lo è per chi vive in città. E rimane anche da definire il cane ammalato.

In conclusione, lista o non lista, da un punto di vista scientifico non esiste una chiara e condivisa definizione di che cosa è la vita. Così, per alcuni il seme è vita mentre per altri non lo è, e lo stesso vale per il cane ammalato che non riesce a nutrirsi e auto mantenersi. Alcune definizioni portano infine all’assurda conclusione di considerare il mulo non vivente.

https://it.answers.yahoo.com/question/index?qid=20100427124519AAZJMyS

Ma perché non si riesce a dare una definizione alla vita?

Perché ogni volta che in una lista compaiono metabolismo, riproduzione ed evoluzione, esse vengono proiettate sempre verso il futuro, ma la selezione naturale non conosce il futuro.

Non ha senso una definizione di vita che guarda al futuro se il futuro non si conosce.

E allora, utilizziamo anche noi una metafora e vediamo, senza nessuna pretesa, se il senso comune ci suggerisce una definizione di vita.

In una calda sera d’estate una coppia siede in veranda illuminata da una debole luce. La moglie dice al marito: “È da un po’ che non vedo più il gatto, è sempre venuto tutti i giorni a chiedermi qualcosa”. Il marito conferma: “È vero, anch’io non lo vedo da almeno tre o quattro giorni, pensi che sia morto?” “Non so, risponde la moglie, avrà certamente i suoi anni. E poi, è stato sempre un randagio imprudente, continuamente in giro per tutto il quartiere attraverso le strade qui intorno, di giorno e di notte, e tu sai come queste strade sono ormai trafficate”. La coppia rimane a lungo in silenzio, ma ciascuno si domanda: qual è lo stato del gatto, è vivo o morto? Dopo un po’, dal buio appare il gatto che, con passi felpati, attraversa la veranda e si immerge nuovamente nel buio. Moglie e marito si guardano con soddisfazione, il gatto è vivo. Come hanno fatto a decretare lo stato del gatto? Attraverso l’osservazione. Quindi per decidere cosa è vita ci vuole un osservatore.  Ma l’osservatore è un elemento soggettivo, aleatorio ed è per questo motivo che non c’è accordo sugli ibridi, i semi e il cane ammalato. Per definire il vivente, siamo quindi costretti a fornire all’osservatore qualche elemento in più.

E allora, continuiamo con la nostra metafora.

Come abbiamo descritto, il gatto attraversa la veranda e ritorna nel buio oltre le siepi.

La moglie dice al marito: “Perché è andato via, se aveva fame avrei potuto dargli io qualcosa da mangiare”. “È il suo istinto-risponde il marito-per sopravvivere deve cacciare per nutrirsi”. Ma nutrirsi vuol dire saper utilizzare il nutrimento, cioè trasformarlo in energia e componenti utili all’organismo, in definitiva possedere un sistema metabolico. Noi però non sappiamo se il gatto troverà il nutrimento, potrà non trovarlo e morire di stenti. Sappiamo però che il gatto ha la capacità di nutrirsi e metabolizzare, che ci riesca o no riguarda il futuro, ma nessuno conosce il futuro. Poiché non ha senso un metabolismo senza nutrimento, con il termine metabolismo si deve intendere anche la capacità di nutrirsi.

Il metabolismo, deve necessariamente appartenere alla definizione di vivente.

Ora, noi sappiamo che già milioni di anni fa gli antenati del gatto attraversavano quei luoghi e per arrivare fino ai nostri giorni hanno dovuto riprodursi. Noi però non sappiamo se il nostro gatto avrà la possibilità o la capacità di riprodursi. Sappiamo tuttavia con certezza, che egli è un prodotto della riproduzione e questa certezza deve contribuire a definire il vivente.

Ma la riproduzione contiene una copia del genoma del genitore. Il genoma del genitore ha dovuto quindi replicarsi poco prima della riproduzione. Non ha senso parlare di riproduzione senza la replicazione del genoma. Il termine riproduzione deve quindi contenere la replicazione.

Sulla riproduzione ha agito la selezione naturale che ha permesso agli antenati del gatto di evolvere. Ma la selezione naturale non conosce il futuro e noi non sappiamo in che modo evolverà il gatto. Sappiamo tuttavia, con certezza, che i viventi sono prodotti dell’evoluzione dei propri antenati e questa certezza deve contribuire a definire il vivente.

E allora: la vita è uno stato della materia. Poiché esistono solo due stati, vita e morte, la vita è vita fino a quando non passa allo stato di morte, cioè fino a quando non si riconosce il “nuovo” stato, lo stato di materia inanimata.

Lo stato della materia che noi chiamiamo “vita” si regge su tre proprietà fondamentali: deve possedere un sistema metabolico ed essere un prodotto della riproduzione e un prodotto dell’evoluzione. La materia che non presenta simultaneamente queste tre proprietà fondamentali è materia inerte.

Nessuno in un automobile o in un cristallo riconosce un sistema metabolico ed essere il prodotto della riproduzione e dell’evoluzione. I cristalli di sale che si formano sugli scogli dopo l’evaporazione dell’acqua sono identici a quelli che si formavano miliardi di anni fa, nessuna differenza, nessuna evoluzione.

Il cane ammalato è temporaneamente impedito, ma possiede un sistema metabolico. È un prodotto della riproduzione e dell’evoluzione. Il cane ammalato è un vivente.  

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Il mulo sopravvive per mezzo del metabolismo. È ininfluente se si riproduce o no, è però un prodotto della riproduzione e dell’evoluzione dei suoi antenati, la cavalla e l’asino. Il mulo è un vivente.

E i semi cui possiamo aggiungere anche le spore? Come i predatori che nascosti tra erbe e cespugli aspettano il momento giusto per attaccare la preda e sopravvivere, semi e spore protetti all’interno dei loro gusci aspettano pazientemente il loro momento per sopravvivere. Semi e spore hanno un sistema metabolico sono prodotti della riproduzione e dell’evoluzione delle piante, e di funghi e batteri. Semi e spore sono viventi.

Riassumendo: La vita è uno stato della materia che si regge su tre proprietà fondamentali: deve possedere un sistema metabolico ed essere un prodotto della riproduzione e dell’evoluzione.

La definizione di vita non può essere una percezione dell’osservatore ma far parte della teoria della selezione naturale di Darwin.

La cellula batterica è capace di metabolismo, è un prodotto della riproduzione e dell’evoluzione, essa è l’entità minima vitale, il primo stadio della vita su cui può agire la selezione naturale ed è quindi soggetta ad evoluzione.

Esistono però degli organismi che sono più piccoli dei batteri: i Virus. Si apre spesso il dibattito se i Virus siano da considerare organismi viventi o non viventi.

Luis P. Villareal esperto di virologia in “I Virus sono vivi?”, Le Scienze 2005, paragona i Virus ai semi in quanto a potenziale da cui può sgorgare la vita. Dorothy Crawford microbiologa tra i massimi esperti di virus è di parere opposto e nel suo saggio, “Il nemico invisibile. Storia naturale dei virus” 2002, scrive: «Diversamente dai batteri i virus non possono fare niente da soli. Non sono cellule ma particelle, e non hanno una fonte di energia né alcuno degli apparati cellulari necessari a produrre le proteine. Ciascuno di essi è composto semplicemente da materiale genetico circondato da un guscio proteico protettivo denominato “capside”. […] Ma per riuscire ad utilizzarlo devono penetrare in una cellula vivente e assumerne il controllo. […] Non appena un virus riesce a introdursi in una cellula, questa legge il codice genetico del virus che ordina “riproducimi”, e si mette al lavoro. In questo modo i virus invadono gli esseri viventi, ne requisiscono le cellule, e le trasforma in fabbriche per la produzione di virus». Inoltre, come ci informa ancora Crawford, fuori dalla cellula ospite i Virus non possono sopravvivere a lungo perché non dispongono dei processi metabolici di una cellula e quindi non sono capaci di nutrirsi.

La definizione di vita sopra esposta chiude definitivamente questo dibattito. I Virus non sono organismi viventi perché non presentano uno dei fattori che definisce la vita: il metabolismo.

Ma se i Virus non sono viventi ma particelle, sono simili ai sassi? Come scrisse il virologo Norman Pirie già nel 1934, sono sistemi che non sono né chiaramente viventi né chiaramente inanimati.

Se per indicare tali sistemi il termine Virus non è soddisfacente bisogna coniare un altro termine.

Abbiamo dato una definizione macroscopica della vita e individuato nella cellula batterica l’entità minima vitale, ma all’interno della cellula a livello molecolare, che cosa è la vita?

Nessuno scienziato ha mai avuto la pretesa di poter dare una risposta a questa domanda. La vita non si può identificare con una o con un gruppo di molecole. La vita è “emergenza”. Il termine emergenza si deve intendere nel significato dato da Ernst Mayr (opera citata): «La comparsa di caratteristiche impreviste in sistemi complessi». «Essa non racchiude nessuna implicazione di tipo metafisica». «Spesso nei sistemi complessi compaiono proprietà che non sono evidenti (né si possono prevedere) neppure conoscendo le singole componenti di questi sistemi».

Quindi, la vita emerge da sistemi complessi, ma già a livello di sistemi semplici il mondo inanimato presenta delle analogie con il comportamento dei viventi.

La miosina è una delle proteine che partecipa al trasporto di materiali nella cellula. Vedere la miosina muoversi lungo i filamenti di actina, all’interno della cellula, sembra una piccola creatura a due gambe. Se la miosina viene portata fuori dalla cellula è immobile, ma se gli si fornisce il combustibile inizia a muoversi. La miosina non è vivente e non ha nessuno scopo, è una macchina molecolare, svolge solo funzioni come la catalasi che decompone l’acqua ossigenata e come migliaia di altre proteine.

Pier Luigi Luisi nel suo saggio “Origine della vita e della biodiversità” 2013, ha messo in evidenza come vescicole prodotte da acidi grassi possono riprodursi con meccanismi tipici degli organismi viventi.

Nell’articolo “L’ORIGINE DELLE PROTEINE: 3) La sintesi dei polipeptidi” abbiamo visto come gocce di composti diversi situati nelle vicinanze sembrano avere comportamenti a noi familiari. L’acqua sembra scappare alla presenza di alcool etilico e l’acido solforico circondato da gocce d’acqua sembra alla ricerca di una via di fuga.  Questi fenomeni sono stati denominati “Chemiotassi del non vivente”. Il termine chemiotassi indica la risposta dei batteri alla presenza di nutrienti o di repellenti. Ma già dalla metà del secolo scorso Oparin aveva messo in evidenza come vescicole di polimeri (coacervato) divenute troppe grosse tendevano a dividersi. Anche Sydney Fox ha prodotto coacervati di proteinoidi termici e osservato che questi ingrossando si dividono in modo simile ai batteri. I coacervati proteinoidi di Fox hanno inoltre deboli capacità enzimatiche.

Ci sono insomma, in molecole e aggregati, alcune analogie che richiamano processi vitali, ma tutti questi fatti hanno una spiegazione scientifica. E allora, è sempre valida la conclusione di Richard E. Dickerson già espressa nel 1976 in “L’evoluzione chimica e l’origine della vita” Le Scienze: «Gli esperimenti di Oparin e Fox sono solo analogie di processi vitali, ma sono suggestivi. Dimostrano la misura in cui il comportamento di tipo vitale è radicato nella chimica fisica e illustrano il concetto di selezione chimica per la sopravvivenza».

Concludendo, non esiste un “Èlan Vital”, uno spirito vitale, il comportamento di tipo vitale, l’origine dei processi vitali è radicato nella chimica fisica.

Esistono però dei fatti inspiegabili, veri misteri, che sono al di fuori di possibili spiegazioni chimico-fisiche.

A livello molecolare metabolismo vuol dire migliaia di reazioni chimiche, che provvedono alla trasformazione del nutrimento in energia e componenti necessari al mantenimento e alla crescita. Ma metabolismo vuol dire fondamentalmente proteine enzimatiche. Come abbiamo illustrato nell’articolo “Proteine: le macchine molecolari”, le proteine enzimatiche costituiscono catene di montaggio, guide, controllo qualità e riciclo, trasporto materiali pompe proteiche ed elettromotori. Queste macchine molecolari sono il motore della vita, controllano anche il genoma e sicuramente sono esistite da sempre. Esse erano certamente molto più rudimentali, ma dovevano sicuramente far parte di un “proto organismo”. Ma chi c’è dietro queste macchine, di che cosa sono costituiti queste macromolecole eccezionali?

Di costituenti eccezionali, unici e universali: gli amminoacidi. (Vedi post 11 e 12)

I composti della chimica organica sono circa 1,5 milioni e ordinati in gruppi. Si dà il caso che solo il gruppo degli amminoacidi presenta simultaneamente sette proprietà che abbiamo evidenziato come “sette colpi di fortuna” e che possiamo riassumere:

1) Semplici e facili da sintetizzare

2) Solubili e stabili in acqua.

3) Non devono reagire in acqua.

4) Si devono legare tra di loro dando origine ad un legame peptidico in risonanza

5) Devono essere chirali.

6) Devono contenere un -H^δ+ residuo sull’atomo di azoto.

7) Il residuo R non è casuale.

Nessun altro gruppo di composti organici possiede caratteristiche simili, e se fosse mancata solo una di queste proprietà, non sappiamo come sarebbe stata la vita, e forse non esisterebbe.

Ma chi ha dato origine agli amminoacidi? La materia inanimata.

Insomma, la materia inanimata ha fornito il materiale, gli amminoacidi, con tutte le proprietà giuste per la vita. Essa tutt’intorno ha creato un vuoto chimico in modo che la vita in formazione non abbia da sbagliare. Ed è da qui, dagli amminoacidi che inizia un particolare tipo di materia: la materia organica, la materia della vita.

Il segreto della vita, se esiste, sta negli amminoacidi, nella loro origine e in questi “sette colpi di fortuna”.

Rimane allora la domanda: ma come ha fatto la materia inanimata a dare origine ad amminoacidi con tutte queste proprietà, giusto quelle proprietà necessarie alla vita, mentre la vita è ancora in divenire?  

A questa domanda la scienza non ha nessuna risposta perché esula dal suo dominio.

                                                                                                        Giovanni Occhipinti

Prossimo articolo: Ma infine la vita come ha avuto origine? (fine aprile)

PROTEINE: LE MACCHINE MOLECOLARI

Post n. 29

Fino alla metà del secolo scorso, la biologia molecolare era focalizzata principalmente sullo studio delle proteine. A quell'epoca struttura e funzione degli acidi nucleici non erano ancora note, mentre erano note il gran numero di funzioni svolte dalle proteine. Vi sono, per esempio, proteine nelle ossa e nelle cartilagini, esse sono la sostanza fondamentale dei muscoli e della pelle. Proteine sono gli ormoni e le sostanze che ci difendono dagli agenti esterni, altre hanno funzioni di trasporto. All’interno della cellula, nulla si muove senza l’intervento delle proteine. Alcuni esempi sul loro ruolo nella cellula ci aiuteranno a comprendere come ogni organismo vivente sia sotto il controllo costante delle proteine e come senza di loro la vita, sul nostro pianeta, non avrebbe avuto nessuna origine.

Con la scoperta, negli anni cinquanta del secolo scorso, della struttura degli acidi nucleici (DNA e RNA) e del codice genetico, gli studi della biologia molecolare si orientarono principalmente verso lo studio degli acidi nucleici. Da questi studi è risultato che il DNA è formato da quantità discrete, cioè di porzioni ben definite chiamate Geni e tali geni attraverso le regole del codice genetico esprimono le proteine. L’idea originale era che ogni gene esprimesse per una proteina. Quest’idea, attraverso la mistica dei geni replicatori di Dawkins, portò a considerare i geni come regolatori dell’attività cellulare. Quando fu completato il sequenziamento del DNA cioè la conta dei geni è risultato che esso contiene circa ventimila geni, ma le cellule umane contengono circa centomila proteine diverse. Quindi l’idea un gene una proteina non vale più. Questa conclusione, era già chiara all'inizio del nuovo millennio e infatti già a quell'epoca Carol Ezzel in “Adesso comandano le proteine”, Le Scienze 2002 scrive: «Applicare semplicemente i dati prodotti dal progetto Genoma umano - che ha finalmente mandato in soffitta l’obsoleto dogma secondo il quale un gene codifica per una proteina - non risolve il problema». L’autore ci illustra anche come già in quegli anni riprende con vigore lo studio delle proteine ed in particolare delle proteine enzimatiche o Proteomica.

Col proseguo della ricerca sorge un nuovo quadro teorico esplicitato da Richard C. Francis in “L’ultimo mistero dell’ereditarietà” 2011, che in riferimento ai geni afferma: «L’idea tradizionale è che siano una specie di funzionari direttivi che dirigono il nostro sviluppo. L’idea alternativa è che la funzione direzionale si trova a livello dell’intera cellula e i geni funzionano più che altro come risorse a disposizione della cellula stessa». E Steven Rose in “Geni, cellule e cervello”2013 aggiunge: «Non è il DNA a determinare l’attività cellulare, bensì è la cellula in cui il DNA è incorporato a sceglier quali pezzi di DNA usare per costruire determinate proteine quando e come: epigenetica».

Ma, come abbiamo detto, la cellula è sotto il controllo costante delle proteine e in particolare delle proteine enzimatiche o enzimi. All'interno della cellula avvengono migliaia di reazioni chimiche. Nelle condizioni chimico-fisiche in cui si trovano le cellule degli organismi viventi, queste reazioni sarebbero lentissime o non potrebbero avvenire e le cellule non potrebbero sopravvivere. Gli enzimi sono catalizzatori che accelerano e controllano la velocità delle reazioni chimiche permettendo alle cellule di sopravvivere. Per avere un’idea dell’azione di queste sostanze, basti pensare, come scrive Robert M. Stroud in “Una famiglia di proteasi” Le Scienze 1974, che senza gli enzimi proteolitici occorrerebbero 50 anni per digerire un pasto.

La caratteristica principale degli enzimi è la loro specificità, cioè catalizzano una sola reazione chimica. Una cellula di media grandezza contiene circa tremila enzimi diversi che controllano altrettante reazioni. Ognuno di questi enzimi è presente in più copie e per questo motivo all'interno di ogni cellula si trovano circa due milione di enzimi. Sorge quindi il problema di capire come realmente funzionano gli enzimi.

Lo studio del funzionamento della proteine enzimatiche inizia con Emil Fischer nel 1894. Era già noto a quell'epoca che gli enzimi sono costituiti dai venti amminoacidi diversi che compongono tutte le proteine. Un enzima medio contiene circa 300 amminoacidi che si ripiegano a formare una struttura globulare, fondamentale per esplicare la sua funzione. Gli enzimi riconoscono molecole in modo selettivo, ogni enzima riconosce solo un composto o al massimo due denominati “substrato” e su di essi agisce. La parte dell’enzima che riconosce il substrato o i substrati prende il nome di “sito attivo”. Partendo da queste considerazioni Fischer formulò l’ipotesi della “chiave e serratura”. Secondo questa teoria il sito attivo avrebbe una tale forma che il substrato si adatta come una chiave si adatta alla propria serratura.

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Ad ogni chiave la sua serratura, ad ogni composto il suo enzima.

Senza entrare troppo nei particolari, questo modello è stato sostituito dal modello dell’adattamento indotto. Come noto, l‘enzima cambia l’ambiente chimico-fisico al suo intorno. Quando il substrato entra in questo nuovo ambiente e sotto l’azione dell’enzima i suoi legami si allentano e assume una forma diversa chiamata “stato di transizione”. Lo stato di transizione può variare da una molecola all'altra e l’enzima si adatta a queste piccole variazioni di struttura.

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Gli enzimi prodotti dall'evoluzione in quasi 4 miliardi di anni sono veramente sostanze straordinarie, vere e proprie macchine molecolari. Basti pensare che, una sola molecola di catalasi lega e trasforma circa 100 000 molecole di acqua ossigenata al secondo e rilascia altrettante molecole di acqua, e una sola molecola anidrasi carbonica trasforma 600 000 substrati (CO₂ e H₂O) al secondo.

Oltre all'aspetto catalitico gli enzimi presentano ciò che è stato definito “aspetto sociale”. Come scrive Mike Williamson in ”Come funzionano le proteine” 2013: «L’aspetto sociale associa l’enzima ad altri componenti, con una membrana o una proteina, oppure porta alla formazione di grandi complessi attraverso l’interazione con altri enzimi» E stato accertato che solo poche proteine agiscono da sole, la maggior parte prende parte a complessi e alcuni operano anche in più complessi. I componenti proteici di un complesso possono variare da 2 a 100. I complessi proteici hanno un’organizzazione simile ad efficientissime fabbriche. Per esempio nelle nostre cellule la metabolizzazione del glucosio avviene attraverso decine di reazioni chimiche. Queste reazioni non possono avvenire a caso ma devono essere regolate e programmate alla perfezione perché il prodotto di una reazione serve per una reazione successiva.

Sono gli enzimi che regolano ognuna di queste reazioni. Essi l’uno dopo l’altro, in modo coordinato e con straordinaria efficienza, come in una catena di montaggio, trasformano il substrato fornendo il prodotto per il successivo enzima. Ogni prodotto di una reazione trova quindi subito un altro enzima per una successiva trasformazione e tutto deve funzionare alla perfezione fino ai prodotti finali.

Abbiamo detto che un enzima medio contiene circa 300 residui di amminoacidi che si ripiegano in una struttura globulare.

Ma come si è arrivati a molecole così grandi? E come si forma la struttura globulare?

Intorno al 1970 è stata avanzata l’ipotesi che le proteine fossero costituite da domini, cioè una sequenza di amminoacidi che si conserva nel corso dell’evoluzione. Nel 1974 Rossman ha individuato un dominio di circa 70 amminoacidi presente in molti enzimi e propose che tale dominio fosse addirittura di origine prebiotica. Oggi molti ritengono che i domini, in epoca prebiotica, fossero più piccoli e costituiti principalmente da ꭤ-eliche di circa 20 amminoacidi. Le grosse molecole proteiche avrebbero quindi avuto origine dall'aggregazione ed evoluzione di piccoli domini. La diversa disposizione di questi domini, o l’aggregazione di un nuovo dominio ad un enzima già esistente, genera una nuova funzione. Questo porta a concludere, come scrisse già Russel F. Doolittle nel 1985 in “Le Proteine” Le Scienze: «[…], così la grande maggioranza degli proteine deve essere derivata da un numero ristretto di archetipi».

La struttura globulare di una proteina enzimatica viene chiamata struttura terziaria. La struttura primaria è una lunga catena che indica la posizione di ciascun amminoacido nella molecola proteica. Se rimasse così l’enzima non avrebbe nessuna funzione e ben presto si degraderebbe. Prima che avvenga la degradazione, si forma la struttura secondaria dove parecchi amminoacidi si organizzano in eliche e foglietti. Infine si forma la struttura globulare, cioè la struttura terziaria. La struttura globulare di una proteina (fold) è conseguenza della struttura primaria, ma dalla conoscenza di quest’ultima non siamo in grado di risalire alla sua struttura terziaria. Nella seconda metà del secolo scorso, l’analisi ai raggi X ha dato un grosso contributo alla conoscenza della struttura terziaria. Si pensava che conoscendo la struttura si potesse risalire alla funzione. Infatti, nel 1985 Russell F. Doolittle (opera citata) scriveva: «Uno dei maggiori obiettivi delle proteine è stata la conoscenza approfondita della loro struttura in modo da riuscire a comprenderne la funzione». Oggi si conoscono migliaia di strutture proteiche ma da queste risalire alla funzione è impresa ardua. Cionondimeno, come descrive Peter M. Hoffmann in “Gli ingranaggi di Dio” 2014, moderne apparecchiature con sonde che operano alle nano scale, sofisticati microscopi ottici che riescono a rilevare la luce emessa da una singola molecola e le cosiddette pinze Laser, ci hanno permesso di comprendere in che modo gli enzimi raggiungono la struttura globulare e come funzionano.

Il processo che dalla struttura primaria porta alla struttura terziaria è sotto il controllo termodinamico, cioè le molecole tendono ad assumere una disposizione cui corrisponde un minimo di energia, lo stato più stabile. Insomma come un sasso che rotola giù da una collina fino a raggiungere il fondo valle. Ma se il sasso lungo la sua discesa incontra dei terrazzamenti rischia di fermarsi a metà strada. In una situazione simile si trovano gli enzimi quando dalla struttura primaria devono raggiungere la struttura globulare. Infatti una proteina globulare che comprende circa 150 amminoacidi potrebbe ripiegarsi in innumerevoli modi. Secondo Anfinsen sarebbe di 10⁴⁵ il numero delle possibili conformazioni generate in modo casuale. Anche se la maggior parte di queste conformazioni sono impossibili, in una singola proteina enzimatica rimarrebbero comunque un numero enorme di conformazioni a bassa energia, dove la differenza di energia, tra le diverse conformazioni, è piccola. Come si vede dal diagramma (denominato diagramma del paesaggio energetico) il processo di ripiegamento (folding) dovrebbe condurre l’enzima ad avere il minimo di energia.

 

elaborazione da: Treccani

Un leggero cambiamento dell’ambiente circostante potrebbe bloccare l’enzima in un minimo intermedio, come il sasso bloccato a metà strada da un terrazzamento.

Cosa ha inventato l’evoluzione per evitare questo rischio? Le guide: Chaperoni e Chaperonine.

Per capire come funzionano i chaperoni Mike Williamson (opera citata) usa la seguente metafora: «Nel diciannovesimo secolo, una donna sola in pubblico era spesso accompagnata da un chaperone, una donna più vecchia o sposata che impediva all'amica di impegnarsi in contatti inappropriati con l’altro    sesso. Per analogia, una proteina chaperone agisce impedendo alle proteine non strutturate

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di impegnarsi in interazione indesiderate […]». Le chaperonine conducono invece la struttura primaria alla giusta conformazione. Esse hanno la forma a barile con all'interno una cavità dove la proteina assume la giusta conformazione e viene quindi liberata nell'ambiente.

Può succedere comunque che, malgrado tutto ciò, una proteina risulta ancora non strutturata correttamente, danneggiata, o non più utile alla cellula. Cosa ti inventa l’evoluzione? Il controllo qualità e riciclo: ubiquitina e proteasoma. 

 L’ubiquitina è una molecola proteica piccola, stabile e molto abbondante nelle cellule. L’ubiquitina riconosce e si lega alle proteine da degradare; le proteine risultano così etichettate. Da questo momento la sorte della proteina da degradare è segnata. Il complesso proteina ubiquitina viene riconosciuto da un altro complesso proteico: il proteasoma. Quest’ultimo è una vera e propria macchina molecolare: un digestore. 

HMB-Anderson

Anch'esso a forma di barile, appena viene a contatto con il complesso proteina-ubiquitina, stacca quest’ultima che ritorna in circolo nella cellula e ingoia la proteina da degradare. La degradazione porta a peptidi di circa sette residui che vengono rilasciati nella cellula per essere riutilizzati.

Non è noto quando sia iniziato, tra gli umani, il trasporto e lo scambio delle merci. La cellula lo aveva già inventato 3,5 miliardi di anni fa: microtubuli, chinesine, dineine, miosine e actina.

Che all'interno della cellula ci fosse un traffico intenso, come ci documenta Robert Day Allen in “Il microtubulo come motore molecolare intracellulare” Le Scienze 1987, era già noto fin dal XIX secolo ad opera di Joseph Leidy. Intorno alla metà degli anni sessanta del secolo scorso furono scoperti i microtubuli, lunghi canali del diametro di circa 25 nanometri e lunghi circa 100 000 nano metri (alle dimensioni accessibili ai nostri sensi è come se avessimo tubi del diametro di 1 cm e lunghi 4000 cm, 40 metri). I microtubuli sono costituiti da lunghe catene proteiche intrecciate: la tubulina. Si è subito compreso che i microtubuli avevano, all'interno della cellula, funzioni strutturali. Furono Allen e collaboratori, intorno al 1985, a scoprire che oltre alle funzioni strutturali i microtubuli erano, di fatto, le vie utilizzate dalle cellule per il trasporto di materiali con il contributo di due altre proteine: l’actina e la miosina. Più avanti si è scoperto che altre proteine, dineina e chinesina, partecipano al trasporto di materiali nella cellula.

I movimenti di chinesina e dineina sul microtubulo e la miosina che si muove su filamenti proteici di actina, vere e proprie macchine molecolari, sembrano proprio di tipo umanoide come raffigura l’immagine tratta dal saggio di Hoffmann già menzionato.

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La parte superiore è una vescicola che contiene i nutrienti, il corpo poggia su due piedi che si spostano microtubulo. Imita il nostro modo di camminare e tiene sempre un piede a terra cioè sul microtubulo. Per alzare un piede ha bisogno di energia, ATP. Una specie di mortaretto che esplode sotto il piede, lo stacca dal microtubulo e lo fa oscillare facendolo avanzare. Ma un’idea più chiara del suo movimento si può avere guardando i fantastici video presenti su Youtube, per esempio:

https://www.youtube.com/watch?v=2120av9wdFU

Questi video non sono animazioni immaginarie o elaborazioni al computer. I video sono stati certo elaborati ma reali. Essi, come ci conferma Hoffmann nel suo saggio, sono stati ottenuti con speciali strumenti che riescono a filmare il movimento di una singola molecola.

Hoffmann, dopo aver visto il video della miosina muoversi lungo i filamenti di actina come una piccola creatura a due gambe, scrive: «Possibile che la molecola sia viva? No, non nel vero senso del termine. Guardandola sfilare davanti a noi, possiamo renderci conto di come tutte queste macchine, interagendo in maniera controllata, possano creare un essere vivente. È qui, non c’è dubbio, che comincia la vita».

Infine, in modo molto sintetico, vogliamo descrivere altre tre tipi di macchine, le copiatrici molecolari: Elicasi, Polimerasi e RNApolimerasi

Il DNA è una molecola a doppia elica che contiene l’informazione necessarie per la sintesi delle proteine. Le due eliche sono tenute insieme da deboli legami (legami idrogeno). Poiché questi legami sono milioni, la molecola del DNA risulta molto stabile. Inoltre l’intera molecola, per difenderla da eventuali processi di degradazione, è avvolta da numerose proteine. Durante la divisione cellulare il DNA deve essere copiato e una copia trasferita alla nuova cellula. Per copiare il DNA bisogna innanzitutto separare le due eliche. La copiatura del DNA coinvolge un gran numero di

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proteine, ma il compito principale è svolto dall’elicasi. L’elicasi è una proteina ad anello simile a una stella a sei punte.  Essa si fa spazio tra le molecole proteiche che avvolgono il DNA e appena lo raggiunge si apre, lo avvolge al suo interno e si richiude.

Questa macchina molecolare apre, innanzitutto, la doppia elica e quindi come un paio di forbici si sposta lungo il DNA e separa le due eliche. Altre due proteine, polimerasi e topoisomerasi, sono

 

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incaricate della ricostruzione delle doppie eliche a partire dagli elementi costitutivi che si trovano nella cellula. Come motori perfettamente coordinati, man mano che l’elicasi taglia il DNA la polimerasi la segue e ricostituisce la doppia elica mentre un’altra polimerasi (la topoisomerasi) ricostituisce un’altra doppia elica nella direzione opposta. Alla fine avremo due copie identiche una per ogni cellula.  

L’RNApolimerasi è la proteina che trascrive un pezzo di DNA in RNA messaggero per la sintesi delle

 

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proteine. Essa si attacca al DNA e quindi si muove lungo la doppia elica fino a quando trova la sequenza giusta da cui iniziare: il  promotore. La RNA polimerasi è un macchina molecolare formidabile, fa tutto da sola. Appena trova il promotore questa polimerasi stacca le due eliche, muovendosi lungo i filamenti trascrive un pezzo di DNA (gene) in RNA messaggero, corregge eventuali errori e concluso il processo di copia ricuce il DNA e si allontana.   

Come abbiamo illustrato, nelle cellule operano catene di montaggio, guide, controllo qualità e riciclo, trasporto materiali e potremmo ancora aggiungere pompe proteiche ed elettromotori. Queste macchine molecolari sicuramente sono esistite da sempre. Esse erano certamente molto più rudimentali, ma dovevano essere lì fin dalle origini. Non è immaginabile l’origine della vita senza queste macchine molecolari.

Anche noi abbiamo inventato catene di montaggio, controllo qualità e riciclo, pompe, elettromotori e quanto segue, ma dietro le nostre invenzioni c’è sempre un pensiero, una mente.

E allora chi c’è dietro le invenzioni cellulari? Ovvero: ma la vita che cosa è?

                                                                                               Giovanni Occhipinti

Prossimo articolo: Ma la vita che cos'è? (fine Gennaio)

ASIMMETRIA MOLECOLARE E CAMPO MAGNETICO TERRESTRE

Post n. 28

Come abbiamo ampiamente esposto negli articoli riguardanti il problema dell’asimmetria molecolare, gli amminoacidi, costituenti le proteine, esistono sotto due forme, Destro e Levo, una l’immagine speculare dell’altro. Queste due forme molecolari hanno le stesse proprietà chimico-fisiche e quindi si presentano sempre insieme. Poiché sia la forma D che la forma L, in epoca prebiotica, erano sicuramente disciolte in acqua, il disordine molecolare avrebbe prodotto reazioni incrociate tra amminoacidi L e D e dato origine a proteine contenenti le due forme, ma di nessun interesse biologico. Ora la questione è che tutte le proteine, in tutti gli organismi viventi, sono costituite solo da amminoacidi della forma L. La vita è quindi asimmetrica, ma come è avvenuta tale scelta? Da oltre un secolo e mezzo la ricerca si è spesso orientata verso l’esistenza, nel mondo minerale, di un materiale asimmetrico che abbia coadiuvato tale scelta. Partendo dalla teoria di Bernal sul ruolo delle argille e del quarzo, osservazioni polarimetriche hanno messo in evidenza come la silice colloidale ruota il piano della luce polarizzata a sinistra. La silice colloidale potrebbe essere quindi quel minerale asimmetrico, da tanto tempo ricercato, che abbia favorito gli amminoacidi L. Abbiamo supposto che la deviazione della luce polarizzata della silice colloidale sia dovuta alla formazione di strutture elicoidali del tipo quarzo Levo. Ma se la silice colloidale in soluzione acquosa dà origine a strutture elicoidali, hanno la stessa probabilità di formarsi sia strutture Destro che strutture Levo.

Perché avrebbe prevalso la forma Levo?

Nell'articolo “Origine delle proteine: il problema dell’asimmetria molecolare (quinta parte)” avevamo avanzato l’ipotesi che il campo magnetico terrestre avesse giocato un suo ruolo fondamentale nell'asimmetria della silice colloidale. Infatti l’articolo concludeva: “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».

Ma allora, eliminando il campo magnetico terrestre l’asimmetria della silice colloidale dovrebbe scomparire.

Il mio rapporto con la Magistri Cumacini, la scuola dove ho insegnato per quasi trent'anni, in realtà non si è interrotto. Un gruppo di insegnanti, ormai in pensione, collaboriamo al riordino e al funzionamento della biblioteca scolastica.

La domanda sul campo magnetico, in verità, non me la sono posta io, ma un caro collega di fisica, il professore Clemente Cattaneo. In realtà, come Clemente mi ha illustrato, il campo magnetico terrestre non si può eliminare completamente. Ad ogni modo abbiamo deciso di provare.

Non è mancata, come di consueto, la gentilezza e l’interesse dell’ing. Enrico Tedoldi, Dirigente Scolastico, che ci ha concesso l’autorizzazione.

Dopo aver misurato il campo magnetico presente in laboratorio, corrispondente a 0,16 Gauss, Clemente ha predisposto l'attrezzatura necessaria. Essa è costituita da un solenoide di 20 cm e 150 spire, percorso da una corrente continua di 17mA che genera un campo magnetico d'intensità pari a circa 0,16 Gauss. Disponendo la polarità del solenoide inversa al campo magnetico terrestre, abbiamo sicuramente ridotto se non annullato il campo della stessa. Purtroppo non abbiamo potuto valutare la variazione del campo prodotta dalle parti metalliche del polarimetro, ma essa è sicuramente trascurabile rispetto al campo generato dal solenoide. Abbiamo infatti constatato che una sensibile bussola non subiva rilevanti deviazioni all'interno del polarimetro che è stato costruito in alluminio, acciaio inossidabile e plastica.

Con polarità diretta il campo è stato, invece, aumentato.

Per l’esperimento sono stati utilizzati Na₂SiO₃ (Vetro solubile) in H₂O e CH₃CH₂OH (Alcool etilico), Agitatore magnetico, Polarimetro “Polax 2L”. Nel Polarimetro il sostegno metallico del tubo di prova è stato sostituito da un identico sostegno in legno.

Procedure e dati:

1) Procedura standard:

0,3g di Na₂SiO₃ in becher, aggiunti 38cc di H₂O su agitatore magnetico a 300 giri per 1 minuto.

Aggiunti 12cc di CH₃CH₂OH e si continua l’agitazione ancora per ½ minuto.

Si toglie il becher dall’agitatore e si lascia riposare 2 minuti.

Dopo riposo la soluzione si versa nel tubo polarimetrico, si chiude il tubo polarimetrico e si poggia sul sostegno all’interno del polarimetro; tempo richiesto 1 minuto.

Si lascia riposare la soluzione da 1 a 2 minuti all’interno del polarimetro e si esegue la misura.

2) Procedura con circuito per diminuire il campo magnetico:

Si esegue la procedura standard ma il circuito viene inserito all’esterno del tubo polarimetrico prima del riempimento.

Risultati.

Procedura 1)

Deviazione del piano della luce polarizzata: -0,20

Procedura 2)

Deviazione del piano della luce polarizzata: Prima prova: -0,15; Seconda prova: -0,20

Non sappiamo di quanto il circuito abbassi il campo magnetico terrestre. Si può comunque concludere, che non si è osservata nessuna diminuzione della deviazione della luce polarizzata che vada oltre il limite di sensibilità del polarimetro.

Ma se il campo magnetico contribuisce all'asimmetria della silice colloidale, aumentando il campo magnetico deve aumentare la deviazione della luce polarizzata.

Questa domanda in realtà se l’è posta ancora una volta Clemente.

Qui abbiamo giocato su dati certi: abbiamo sottoposto la soluzione a quattro volte il campo magnetico terrestre. Come spesso avviene nella ricerca, succede ciò che non ti aspetti: La deviazione della luce polarizzata non solo non è aumentata, ma è scomparsa. La silice colloidale ha perso la sua asimmetria.

1) Procedura standard: come sopra

2) Procedura standard + 4 volte il campo magnetico terrestre, inserendo il circuito all’esterno del tubo polarimetrico prima del riempimento.

Deviazione della luce polarizzata (le prove sono state condotte in modo alternato).

Procedura 1), Prima prova: -0,25, Seconda prova: -0,20, Terza prova: -0,20

Procedura 2), Prima prova: 0, Seconda prova: 0, Terza prova: 0

Per trarre conclusioni definitive bisognerebbe fare un certo numero di prove e costruire un grafico a diversi valori del campo magnetico. Io, però, non dispongo più di un laboratorio e non è corretto abusare della gentilezza altrui. Le prove sopra illustrate rimangono quindi indizio, un forte indizio sul ruolo giocato dal campo magnetico terrestre.

È possibile che senza la presenza di un campo magnetico non ci sia asimmetria della silice colloidale. La comparsa di un campo magnetico impone, attraverso i tetraedri di acqua orto, una leggera rotazione alle strutture silicee e quindi la comparsa dell’asimmetria della silice colloidale. È probabile allora che oltre un certo valore, il forte campo magnetico terrestre non produca una rotazione ma imponga un forte allineamento ai piccoli campi magnetici delle molecole dell’acqua orto distruggendo l’asimmetria della silice colloidale.

Accorgimenti

Per fare misure di precisione al polarimetro sono opportuni i seguenti accorgimenti.

Durante l’uso il polarimetro si scalda e dopo qualche ora passa da 20°C a 26°-27°C.

Al variare della temperatura del polarimetro varia anche lo zero del polarimetro. Lavorare a temperatura ambiente, accendendo e spegnendo il polarimetro, non lo mantiene a temperatura costante e quindi bisogna continuamente rincorrere lo zero-set. È preferibile accendere il polarimetro, attendere mediamente 2h, fino a quando la temperatura si stabilizza e quindi azzerare. Controllare ad ogni lettura la temperatura, l’oscillazione non deve essere maggiore di ± 0,2°C.

La capsula a vite ed il vetrino del tubo polarimetrico, devono essere sempre nella stessa posizione e ciò per evitare errori dovuti allo spessore del vetro o della guarnizione interna. Fare dei segni sul vetrino e sulla capsula e posizionarli sempre in corrispondenza.

Se durante la chiusura il vetrino non rimane attaccato alla guarnizione di gomma, mettere una gocciolina d’acqua sulla guarnizione e poggiare sopra il vetrino.

Azzerato il polarimetro a vuoto, se si inserisce il tubo polarimetrico con acqua si osservano valori diversi quando lo stesso viene ruotato. Incollare sul tubo polarimetrico un adesivo con quattro segni. Si osserva al polarimetro, si ruota nelle quattro posizioni e si sceglie la posizione che più si avvicina allo zero. Si azzera e si passa a misurare il campione utilizzando la posizione di riferimento.

                                                                                                      Clemente Cattaneo

                                                                                                      Giovanni Occhipinti 

Prossimo articolo fine ottobre. "Le proteine: queste fantastiche macchine molecolari"