Possibili ambienti di reazione per le sintesi prebiotiche

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Possibili ambienti di reazione per le sintesi
prebiotiche
Università degli Studi di Pavia - Dipartimento di
Chimica Organica 15-12-2005
di Simone Lazzaroni
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Prologo

• Il mondo primordiale riducente

La Terra a quel tempo era molto polverosa,
calda, con ambienti chimicamente aggressivi
Forti attività vulcaniche (e geologiche in
genere)
Intense emissioni dalle bocche idrotermali
(hydrothermal vents)
Attività geologiche in genere
Aleksandr Ivanovic Oparin
Radiazioni UV (assenza di ozono)
Fulmini causati da una larga quantità di
elettricità statica generata di nubi di polvere
La Terra quindi è un gigantesco laboratorio di
chimica con abbondante energia utilizzabile per
sintetizzare composti organici sotto varie
condizioni. Con un forte accumulo di materiale
organico negli oceani e nelle lagune (per es. il
brodo primordiale) la chimica organica prebiotica
ha unampia quantità di materiale con la quale
lavorare.
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Lacune nellEsperimento di Miller
La possibilità di produrre molecole organiche
complesse amminoacidi, a partire da molecole
semplici come metano, ammoniaca, acqua e idrogeno.
Tuttavia lesperimento di Miller NON spiega come
queste molecole non venissero degradate come
avvenisse la loro polimerizzazione
Stanley Lloyd Miller
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Catalizzatori Minerali
CairnsSmith (1982) propose lipotesi che a
proteggere le molecole complesse da fattori
esterni siano stati i minerali e che le argille
minerali fossero lultimo ancestore della vita.
Piccoli comparti che si formano nei minerali come
largilla avrebbero ospitato queste molecole
(adsorbimento), offrendo loro anche il supporto
per il loro assemblaggio.
Le argille minerali hanno una struttura
cristallina molto complessa (ampia variazione
strutturale) quindi potrebbero fornire le basi
per una evoluzione attraverso selezione naturale.
A. G. CairnsSmith
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La montmorillonite è unargilla avente struttura
a strati, ognuno dei quali è composto da tre
fogli. I due fogli esterni, chiamati fogli
tetraedrici, contengono ioni silicio
tetraedricamente coordinati allossigeno. Il
foglio interno, chiamato foglio ottaedrico, è
costituito da ioni alluminio ottaedricamente
coordinati allossigeno.
Durante la formazione delle argille è possibile
che alcuni ioni silicio siano stati rimpiazzati
da ioni ferro (III) e alcuni ioni Al da ioni
magnesio.
Eccesso di cariche negative
Eccesso che viene controbilanciato dai cosiddetti
cationi interstrato o cationi scambiabili
trattenuti tra gli strati (gallerie).
Gallerie che possono essere riempite con
monomeri, oligomeri o polimeri.
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• Studi condotti sulle montmorilloniti
  mostrerebbero la loro capacità di accelerare la
  conversione spontanea di micelle di acidi grassi
  in vescicole.

montmorillonite
micella
vescicola
Capacità legata allaccumulo di carica negativa
sulla superificie delle argille.
Le argille vengono spesso incapsulate in queste
vescicole e ciò suggerirebbe una via per una
possibile incapsulazione prebiotica di
superfici cataliticamente attive dentro membrane
vescicolari.
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• Una volta formate queste vescicole possono
  crescere incorporando acidi grassi forniti dalle
  micelle e possono dividersi senza diluizione del
  loro contenuto a causa di perdite attraverso
  piccoli pori.

Queste vescicole quindi esisterebbero in
condizioni prebiotiche, il che avrebbe prodotto
distinti microambienti chimici in grado di
contenere e proteggere le eventuali molecole
organiche al loro interno
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Il supporto offerto dai minerali avrebbe permesso
di selezionare  attivamente particolari molecole
che avrebbero partecipato alla formazione di
molecole importanti.
E il caso della sintesi delle proteine per un
processo di  polimerizzazione di molecole di
amminoacidi, che però si presentano in due forme
isomeriche (rispettivamente sinistrorsa (L) e
destrorsa (D)).
Nellesperimento di Miller si formarono miscele
racemiche di molecole D ed L, mentre le proteine
degli organismi sono costituite da amminoacidi L.
Diverse ipotesi sono state avanzate per spiegare
tale preferenza e tra queste quella che ha
ottenuto un qualche supporto  prende in
considerazione che la selezione degli amminoacidi
L sia dovuta a qualche particolare caratteristica
nellambiente.
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Robert M. Hazen suppose che questo ambiente fosse
rappresentato dalle facce di cristalli di alcuni
minerali le cui strutture superficiali sono
immagini speculari luna dellaltra (es. calcite).
Come verifica per questa ipotesi immerse un
grosso cristallo di calcite in una soluzione
contenente parti uguali delle due forme di un
comune amminoacido, lacido aspartico.
Dopo 24 ore venivano raccolte tutte le molecole
che avevano aderito alle due facce speculari del
cristallo.
Risultò che le facce sinistrorse della calcite
selezionavano prevalentemente gli amminoacidi
sinistrorsi, il cui eccesso raggiungeva in alcuni
esperimenti il 40.
Quindi fu per puro caso che la molecola proteica
destinata al successo si sia sviluppata su un
faccia di un cristallo che preferiva gli
amminoacidi sinistrorsi anziché quelli destrorsi.
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Condizioni idrotermali

• I sistemi idrotermali (hydrotermal vents) nei
  fondali oceanici possono aver fornito uno
  scenario appropriato per la formazione abiotica e
  laccumulo di materiale organico sulla Terra
  primitiva, fornendo così composti organici
  precursori per levoluzione della vita.

Sono stati condotti quindi degli studi i quali
mostrano che la sintesi di composti organici in
ambiente acquoso è energeticamente possibile.
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• Questi studi mostrano che, per sistemi contenenti
  C, H ed O, i composti organici principali sono
  gli acidi carbossilici, mentre compaiono in
  tracce alcoli, aldeidi e chetoni.

Mentre studi simili condotti con laggiunta
dellN nel sistema, indicano che i prodotti
principali contenenti azoto sono lurea, ammine e
tracce di amminoacidi.
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• E stata simulata in autoclave la sintesi in
  condizioni idrotermali degli amminoacidi alle
  seguenti condizioni (Strecker type)

CH4, N2, CO2 a 325C
I prodotti principali caratterizzati
Glicina
Alanina
Serina
Acido aspartico
Acido glutammico
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Pirite come fonte di Energia ed Ordine Moleculare

• Ipotesi di un pyrite world (G. Wachtershauser )

Il primo cammino metabolico ebbe luogo in films
di composti organici semplici depositati sulla
superficie di cristalli di pirite (FeS2).
La vita può essersi generata in un immobile
alveare" di FeS2
Queste alveari-membrana (precursori delle
membrane organiche) sono semi-permeabili semi-con
duttivi in grado di catalizzare le reazioni
tenendo assieme i building blocks H2, NH3, HCN
e CO2
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• La formazione di pirite
• FeS H2S ? FeS2 2H 2e- produce
  energia, ?G0 -38.4 kJ mol-1

Lenergia necessaria a questi composti per
reagire deriverebbe da un gradiente elettronico
che si genererebbe spontaneamente nella membrana
di FeS2 producendo
zuccheri, basi azotate ed ammino acidi
Lenergia necessaria alla polimerizzazione di
questi building blocks deriverebbe da polifosfati
originati nelloceano.
Reazione di polimerizzazione Adsorbimento di
gliceraldeide-3-fosfato sulla superficie di
pirite seguita da polimerizzazione. (Wachtershaus
er 1988)
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(No Transcript)
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Le teorie sullorigine della vita si possono
dividere in due categorie
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Panspermia

• Secondo questa ipotesi (avanzata dal chimico
  svedese Svante A. Arrhenius agli inizi del XX
  secolo) la vita sarebbe un componente
  fondamentale dellUniverso e quindi sarebbe
  sempre esistita.

Viene supposto quindi che le forme viventi più
semplici, sotto forma di germi o spore, migrino
attraverso lo spazio ed a fungere da vettori
sarebbero comete e meteoriti.
Questi corpi celesti non solo svolgerebbero una
funzione di trasporto, ma avrebbero anche un
ruolo fondamentale nel proteggere le molecole dai
raggi cosmici ad azione altamente sterilizzante.
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• Uno degli argomenti usato contro lipotesi della
  panspermia deriva dalla estrema termolabilità dei
  composti organici.

Come avrebbero resistito queste molecole al
calore cui vengono sottoposti i meteoriti
allingresso nellatmosfera?
La risposta a tale obiezione è stata fornita da
alcuni ricercatori del California Istitute of
Technology, i quali hanno scaldato alcuni
frammenti del meteorite di Murchison, dimostrando
che il cuore del meteorite non ha mai superato i
40C, una temperatura ben tollerata dai composti
organici.
Comunque lipotesi della Panspermia non fa che
spostare il problema dellorigine della vita su
altri corpi celesti.
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Conclusioni

• La vita potrebbe aver avuto origine molto tempo
  prima che le condizioni sulla superficie della
  Terra diventassero idonee per la sopravvivenza e
  levoluzione delle prime entità viventi.

Ci sono molte teorie riguardanti i luoghi e gli
ambienti in cui si sarebbero originate le
biomolecole necessarie allo sviluppo degli
organismi viventi.
Ma queste sono solo teorie!!!
Teorie che spaziano da quelle scientificamente
più logiche
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• a quelle più
  bizzarre!!!