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Chimica Prebiotica 5 estratti di brodo primordiale Dalla nascita della vita alla nascita del mondo: di Daniele Merli Università degli Studi di Pavia –

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Presentazione sul tema: "Chimica Prebiotica 5 estratti di brodo primordiale Dalla nascita della vita alla nascita del mondo: di Daniele Merli Università degli Studi di Pavia –"— Transcript della presentazione:

1 Chimica Prebiotica 5 estratti di brodo primordiale Dalla nascita della vita alla nascita del mondo: di Daniele Merli Università degli Studi di Pavia – Dipartimento di Chimica Organica 15 dicembre 2005

2 Definizione di Vita Struttura organizzata dotata di metabolismo, che si può riprodurre e può evolvere per selezione naturale. Metabolismo: Sistema termodinamicamente aperto Produce molecole complesse a partire da molecole più semplici Ereditarietà/Variabilità: Bilancio tra fedeltà di copiatura e variabilità E’ necessaria un’ illimitata possibilità di combinazioni Materiale genetico Organismo vivente Metabolismo Membrana cellulare

3 Dal nulla al tutto Similitudini in tutti gli organismi a livello biochimico Stessi 22 l-AA Reazioni anaboliche di base Propagazione informazione genetica (DNA/RNA) Origine monofiletica di tutte le forme viventi Ultimo ANCESTORE comune

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5 Processo riduzionistico, evidenzia similitudini e non differenze Pattern di organismi primordiali :scambio genetico/endosimbiosi Milioni di anni dopo specie molto distanti si uniscono ancora (cloroplasti, mitocondri) Stessi processi biochimici: reazioni chimiche più favorevoli sono sempre le stesse Albero della vita rimpiazzato da “anello della vita” Maria C. Rivera1,3,4 & James A. Lake1,2,4 NATURE |VOL 431 | 9 SEPTEMBER 2004 |

6 Ancestors defining major groups in the prokaryotic realm are indicated by small circles on the ring.

7 La Terra Primordiale Il più vecchio fossile data 3,6 miliardi di anni (sedimento Australiano,già complesso) Sedimenti più antichi metamorfizzati,impossibile trovare traccia di vita anche se ci fosse stata 3,4 miliardi di anni fa, Sud Africa, organismi fotosintetici Sviluppo rapidissimo Formazione della Terra Finestra di tempo prebiogenetica Bombardamento meteoritico Evidenza vita cellulare 4,6*10 9 anni fa4,0*10 9 3,6*10 9 3,4*10 9 anni fa Batteri fotosintetici

8 Pasteur (1862) confuta generazione spontanea Svante Arrhenius (1903) propone panspermia Oparin (1924) propone la teoria eterotrofica in contrasto con la teoria autotrofica Teoria eterotrofica : brodo primordiale Teoria autotrofica : organismi in grado di prodursi il nutrimento Studi chimici sull'assimilazione autotrofica del carbonio Concetto di “mondo a RNA” Proposta origine eterotrofica della vita Sintesi dell'urea (Wolher) Sintesi dell'alanina (Strecker) Sintesi degli zuccheri (Butlerov) Sintesi della glicina (Klages,Lob, Ling,Nanji) Oparin, Haldane, Lipman,Harvey Miller Sintesi dell'adenina (Orò)

9 Sistema metabolico chemolitotrofico su superficie di pirite (sorgenti termali nel mare profondo,) La formazione della pirite produce energia, usata a scopi metabolici Evolve in sistema chemoautotrofico (fissazione del C con ciclo di Krebs inverso) La vita non consiste solo di cicli metabolici! Alta temperatura = instabilità composti formati ΔG 0 = kJ mol -1 FeS + H 2 S → FeS 2 + H 2 Teoria di Wachtershauser (1988)

10 Teoria di Cairns-Smith (1982) Lo strato superficiale governa la crescita degli altri strati, che via via si separano (replicazione) Microscopici cristalli di minerali nelle argille furono originario materiale genetico Materiale organico inizialmente è adiuvante (supporto meccanico, favorisce la cattura di ioni) e “diventa autonomo” in uno stadio successivo. argille Minerali argillosi  catalizzatori, impalcatura su cui i composti organici poterono legarsi e in seno alla quale si sarebbe evoluto l’attuale meccanismo molecolare. enzimi“cellule”geni

11 1. argille 2. “adiuvanti”organici 3. autonomia composti organici Minerali A, U, G, C RNA (20-50 basi) Ferris, 1998: RNA, prende il sopravvento rendendo “impalcatura” di argilla inutile e, quindi, eliminabile

12 Evoluzione Biologica Evoluzione Chimica Prima Cellula Teoria di Eigen (1981) Enfatizza l’ Origine della Replicazione RNA I sistemi di immagazzinamento di informazione (RNA) producono un enzima che catalizza la formazione di un altro sistema informativo, in sequenza, finchè l’ultimo catalizza la formazione del primo (iperciclo) RNA può formare ribozimi, una forma di enzimi a RNA. L’enzima deve essere specifico per un dato RNA perché il ciclo si autosostenga enzimicellule

13 Chemotone: l’Organismo più semplice (Tibor Ganti, 1970, ex Ganti, 1997) Y – scarto, X – nutriente V’ – monomero di materiale genetico, pV i – polimero T’ – precursore di molecole membranogeniche. A i ’s – intermedi in cicli metabolici Il metabolismo genera: scarti, membrane e molecole genetiche Il Chemotone ha: Metabolismo Ereditarietà Membrane

14 Brodo primordiale in atmosfera riducente (no ossigeno) Teoria di Oparin (1924-rielaborata) Aggregati di materiale prebiotico (coacervati ), sistema aperto Evoluzione chimica: coacervati sempre migliori e più evoluti - organizzazione nello spazio e nel tempo,crescita e riproduzione “cellule”(coacervati) Enfatizza l’origine del metabolismo enzimi geni

15 Free olygomers and polymers Primitive Probionts Oligo/polymers with low degree of organization Probionts Polymers with the higher degree of organization Organisms Biopolymers Chemical Prebiological Biological Non-specific self assembly Prebiological selection

16 L’atmosfera primordiale Atmosfera neutra/riducente: no ossigeno Carburi, nitruri metallici NH 3, H 2 O, idrocarburi, CO 2, H 2 Eruzioni vulcaniche Impatti cometari Rilascio gas intrappolati nell’accrezione dei planetesimali  h  CH 3 OH, HCN, aldeidi, chetoni Molecole organiche complesse *h 

17 L’esperimento di Miller (1953) Rese ottenute generando scariche elettriche in una miscela di CH 4, NH 3, H 2 O e H 2.(Rese percentuali basate su 59 mmoles di carbonio aggiunto come CH 4 )

18 Si ottengono AA racemi, non nucleotidi AA si formano da sintesi tipo Strecker da HCN, NH 3, composti carbonilici formati dalla scarica elettrica Si ottengono AA non naturali. Stessi composti rinvenuti in meteoriti Meteorite di Murchison (28/9/1969), condrite carbonacea di 4,5 mld di anni fa Per evitare contaminazioni, si valutano spesso AA non naturali Terra primordiale probabilmente non così ricca H 2 ; ciò diminuisce la resa di molecole organiche Polimeri  unità instabili in queste condizioni:idrolisi 1957, Sidney W. Fox, propone la polimerizzazione su rocce calde

19 Sintesi prebiotiche in condizioni cometarie Nascono dall’esigenza di separare chimica delle aldeidi (zuccheri) e chimica di HCN (AA, basi azotate) Separazione temporale (prima chimica HCN, poi aldeidi), più ragionevole: materiale portato dalle comete insufficiente, labile ad impatto e radiazioni CO CO 2 H2OH2OH2OH2O CH 3 OH PAH radiation more complex organic molecules

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21 Si formano composti simili in miscele liquide (condizioni terrestri) HMT, molecola serbatoio, (abbastanza stabile UV): fornisce gap temporale

22 Problematiche Analisi su comete “mirate” a composti leggeri Dati poco affidabili: missioni non recenti, radiotelescopi forniscono dati analitici ambigui …generali… Difficile conoscere condizioni primordiali Impossibile simulare la complessità primordiale (composizione variabile, tempi lunghi, troppi componenti) Cosa irraggiare? Rapporto C:N:O:H simile al reale (?) Composti presumibilmente prebiotici

23 Composti prebiotici sono a minimo di energia, ottenibili per vie diverse Fotochimica vs. chimica termica Sintesi “chemomimetiche”: prodotti biologici devono essere facilmente accessibili per via chimica, enzimi vengono dopo Biochimica primordiale, semplice Prime forme di vita evolvono rapidamente: condizioni inospitali

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25 The end

26 Robustness of Life - Ranges Rothchild,L and Mancinelli (2001) Life in extreme environments. Nature , Sharma et al.(2002) “Microbial activities at GigaPascal pressueres” Temperature: Acidity: Pressure: >1200 atmospheres Vacuum as spore, but reproducing at how low pressure? Radiation: D. Radiodurans ~ *


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