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

Post n. 20

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

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

Una sintesi dei tentativi più significativi per risolvere il problema è stata fatta da Mario Ageno  in “Lezioni di Biofisica”, 1980. Egli anticipa la conclusione di questi tentativi affermando: «Questo problema ha tormentato la mente di un gran numero di ricercatori, dai tempi di Pasteur fino ad oggi e non sembra aver ancora ricevuto una risposta completamente soddisfacente, che cioè colleghi deduttivamente l’esistenza dell’asimmetria molecolare della biosfera coi principi fondamentali della teoria fisica o biologica».

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Sì, ma come?

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

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

                      H₂O ↔ H⁺ + OH^-

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

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

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

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

 con una costante dielettrica molto elevata.   

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

È stato scoperto che questi condensatori naturali esistono.

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

superficiali residue. Il vetro per esempio

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

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

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

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

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

it.wikipedia.org

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

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

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

        distribuzione abbastanza  uniforme sulla superficie             del vetro. 

        In prima approssimazione e in modo 

        anticonvenzionale potremmo ancora considerare

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

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

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

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

Ciò perché:

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

b)        non hanno lo stesso orientamento,

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

     

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

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

  

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

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

                                                                             Giovanni Occhipinti

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