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

Post n. 22

L’ORIGINE DELLE PROTEINE

(Parte quarta)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fatte queste precisazioni, ritorniamo al nostro problema principale.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

si annullano e non affiora nulla.

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

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

L’acqua è, quindi, asimmetrica.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Come già detto, la silice amorfa è uno dei componenti della metamorfosi delle rocce e si trova diffusa praticamente su tutta la superficie del pianeta. La silice che precede la silice amorfa è la silice colloidale. Come tutti i colloidi non è visibili nemmeno al microscopio ottico. Tuttavia, anche se invisibili, le particelle sono comunque molto grandi e quindi hanno superfici molto grandi. Un colloide in soluzione viene quindi considerato un sistema bifasico, che presenta le stesse proprietà di una superficie a contatto con un liquido. Sulla superficie di contatto della particella con il mezzo liquido sono possibili, quindi, fenomeni di adsorbimento, formazione di doppio strato elettrico, ecc.

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

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

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

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

Tale deviazione scompare dopo circa 5- 10 minuti.

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

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

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

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

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

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

                                                                                     Giovanni Occhipinti

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