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

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1 Possibili ambienti di reazione per le sintesi prebiotiche di Simone Lazzaroni di Università degli Studi di Pavia - Dipartimento di Chimica Organica

2 Prologo Il mondo primordiale riducente Aleksandr Ivanovic Oparin 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 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.

3 Lacune nellEsperimento di Miller Stanley Lloyd 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 Tuttavia lesperimento di Miller NON spiega: come queste molecole non venissero degradate come avvenisse la loro polimerizzazione

4 Catalizzatori Minerali A. G. Cairns–Smith Cairns–Smith (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.

5 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.

6 Studi condotti sulle montmorilloniti mostrerebbero la loro capacità di accelerare la conversione spontanea di micelle di acidi grassi in vescicole. 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. micellavescicola montmorillonite

7 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

8 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.

9 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.

10 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.

11 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.

12 E stata simulata in autoclave la sintesi in condizioni idrotermali degli amminoacidi alle seguenti condizioni (Strecker type) : I prodotti principali caratterizzati: Glicina Acido aspartico Serina Alanina Acido glutammico CH 4, N 2, CO 2 a 325°C

13 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 (FeS 2 ). La vita può essersi generata in un immobile alveare" di FeS 2 Queste alveari-membrana (precursori delle membrane organiche) sono: semi-permeabilisemi-conduttivi in grado di catalizzare le reazioni tenendo assieme i building blocks: H 2, NH 3, HCN e CO 2 Pirite come fonte di Energia ed Ordine Moleculare

14 La formazione di pirite: FeS + H 2 S FeS 2 + 2H + + 2e - produce energia, ΔG 0 = kJ mol -1 La formazione di pirite: FeS + H 2 S FeS 2 + 2H + + 2e - produce energia, ΔG 0 = kJ mol -1 Reazione di polimerizzazione Adsorbimento di gliceraldeide-3-fosfato sulla superficie di pirite seguita da polimerizzazione. (Wachtershauser 1988) Reazione di polimerizzazione Adsorbimento di gliceraldeide-3-fosfato sulla superficie di pirite seguita da polimerizzazione. (Wachtershauser 1988) Lenergia necessaria a questi composti per reagire deriverebbe da un gradiente elettronico che si genererebbe spontaneamente nella membrana di FeS 2 – producendo: Lenergia necessaria alla polimerizzazione di questi building blocks deriverebbe da polifosfati originati nelloceano. zuccheri, basi azotate ed ammino acidi

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16 Le teorie sullorigine della vita si possono dividere in due categorie:

17 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.

18 Uno degli argomenti usato contro lipotesi della panspermia deriva dalla estrema termolabilità dei composti organici. 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 40°C, una temperatura ben tollerata dai composti organici. Comunque lipotesi della Panspermia non fa che spostare il problema dellorigine della vita su altri corpi celesti. Come avrebbero resistito queste molecole al calore cui vengono sottoposti i meteoriti allingresso nellatmosfera?

19 ConclusioniConclusioni 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. Teorie che spaziano da quelle scientificamente più logiche … 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!!!

20 … a quelle più bizzarre!!!


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