Università degli Studi di Pavia – Dipartimento di Chimica Organica
15 dicembre 2005
Acidi nucleici e proteine:
dal monomero al polimero
di
Valentina Dichiarante
Dai “mattoni prebiotici”
alle strutture complesse della vita
?
Affinchè un’entità vivente possa essersi
generata spontaneamente da una miscela
di composti chimici semplici, ad un certo
punto devono essersi sviluppati sistemi
molecolari
capaci
di
trasmettere
informazioni strutturali (“protogenetiche”)
ad altre molecole e di replicarsi.
Possibili sintesi prebiotiche degli acidi nucleici
Attivazione
del gruppo fosfato
e polimerizzazione
Fosforilazione
Basi azotate
Ribosio
RNA
Sintesi dei nucleotidi
Le condizioni richieste dalla sintesi prebiotica delle basi azotate non
sono compatibili con quelle necessarie per la sintesi degli zuccheri.
Possibile separazione spaziale e/o temporale dei due componenti
Ribosio + purine
D
Miscele di a- e b-nucleosidi
(2-10%)
Il riscaldamento a 100°C per 24 h di sospensioni acquose di
idrossiapatite [Ca10(PO4)6(OH)2] provoca il rilascio di polifosfati inorganici.
La successiva aggiunta dei nucleosidi porta alla formazione di 2’-, 3’- e 5’monofosfati, 2’,5’- e 3’,5’-difosfati e 2’,3’-ciclofosfati con una resa
complessiva del 25%.
Schlesinger, G.; Miller, S. L., J. Am. Chem. Soc., 1973, 95, 3729
Orgel, L. E. et al., J. Mol. Biol., 1972, 67, 25
Lohrmann, R. H., Orgel, L. E., Science, 1971, 171, 490
Attivazione del gruppo fosfato e polimerizzazione
O
N
N
O
N
N
P
O
N
O
OCH3
NH
H
H
OH
OH
H
[monomero] (M)
NH2
0.0125
0.025
0.05
0.05 (no template)
Rese %
( ›4 monomeri)
46
74
89
0
H
Guanosina 5’-fosforimidazolide
Una soluzione del monomero in 2,6-lutidina/acido nitrico (pH=7) tenuta a 0°C
per 14 giorni, in presenza di una catena poli-citidinica che agisca da “stampo”,
fornisce buone rese di oligomeri legati prevalentemente in posizione 3’,5’.
La reazione avviene solo in presenza della matrice poli-C e la lunghezza delle
catene ottenute non supera i 14 residui.
Inoue, T.; Orgel, L. E., J. Am. Chem. Soc., 1981, 103, 7666-7667
Sintesi di oligomeri prebiotici su superfici minerali
Un “sistema proto-genetico” richiede catene costituite da almeno
30-60 monomeri.
Monomeri attivati (sia nucleotidi che amminoacidi) in soluzione producono solo
oligomeri di piccole dimensioni.
La presenza di superfici minerali (montmorillonite per i nucleotidi, illite e
idrossiapatite per gli aa) induce la formazione di catene contenenti fino a 55
residui.
“Feeding strategy”: Un minerale viene incubato con un monomero attivato
finchè si formano piccoli oligomeri. Il solido viene separato
per centrifugazione e i monomeri attivati vengono
sostituiti.
Il processo è ripetuto fino ad ottenere catene con più di 40
residui. Infine, il solido viene lavato con una soluzione di
sodio pirofosfato.
Processo simile alle rocce della Terra primitiva,
continuamente dilavate dal “brodo primordiale”
Ferris, J. P. et al., Nature, 1996, 381, 59-60
Una disconnessione alternativa dell’RNA
RNA
Sutherland, J. D., Whitfield, J. N., Tetrahedron, 1997, 53, 11493-11527
H
O
O
P
N
O
O
O
O
H
N
O
O
N
P
O
P
O O
N
N
H
O
B-
N
O
O
H
N
OH
O
N
H
O
H
N
N
O
N
N
H
Condensazione
aldolica
H
B-
O
O
O
O
H
O
O
P
N
N
H
O
N
B
O
H
N
OH
O
O
Retro-Amadori
H
O
B
OH
B
H
N
N
N
H
O
O
O
P
H
O
N
O
O
N
O
Sutherland, J. D., Whitfield, J. N.
Tetrahedron, 1997, 53, 11595-11626
O
O
O
O
P
O
N
O
N
O
OH
N
H
Ciclizzazione
5-exo-trig
O
OH
O
N
Tutti e quattro i monomeri (B=A, U, C, G) sono stati sintetizzati in buone rese (›
60%).
Studi preliminari hanno dimostrato che se B=U oppure A, una soluzione
acquosa del monomero mantenuta a pH=9.5 per 48 h dà un polimero aciclico,
che non contiene però unità saccaridiche ad anello chiuso.
La struttura del polimero non è inoltre stata determinata.
Sutherland, J. D., Whitfield, J. N., Tetrahedron, 1997, 53, 11493-11527
Un possibile ciclo peptidico primordiale?
Gli a-amminoacidi polimerizzano in soluzione acquosa se attivati da CO, ad alta
temperatura e in presenza di un coprecipitato colloidale di (Fe,Ni)S.
Il segmento anabolico e il
segmento catabolico operano
contemporaneamente e nelle
stesse condizioni.
Quindi
nel
metabolismo
primordiale i costituenti del
ciclo peptidico esistevano in
condizioni di stato stazionario.
Dai dati riportati in letteratura
non sembra che questo ciclo
riesca
ad
andare
oltre
frammenti dipeptidici!!!
Wächtershäuser, G. et al., Science, 2003, 301, 938-940
Self-replication
La capacità di dividersi e duplicarsi, ossia il processo di autoreplicazione, è alla base della sopravvivenza di tutti i sistemi viventi.
Una molecola si definisce “auto-replicante” se è in grado di
catalizzare la sua stessa sintesi.
A differenza di altri cicli auto-catalitici, i sistemi auto-replicanti
operano una catalisi specifica e dunque minimizzano (o nel caso
ideale eliminano) i prodotti di altre reazioni.
Inoltre, in un sistema autoreplicante
ideale,
la
concentrazione di prodotto T
deve crescere esponenzialmente
nel tempo. E’ quindi necessario
che il complesso binario [T•T] si
dissoci, restituendo così due
nuovi T alla miscela di reazione.
Philp D. et al., Chem. Soc. Rev., 2000, 29, 141-152
“Self-replicating systems” basati su acidi nucleici
Esadeossiribonucleotide
palindromo
Conversione del 12%
dopo 4 giorni.
Dimerizzazione dei
singoli building-blocks.
Sistema non autocatalitico.
von Kiedrowski G. et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1986, 25, 932
Surface
Promoted
Replication and
Exponential
Amplification of
DNA analogues
Usando 2 matrici formate da 14 residui ciascuna, immobilizzate su SHSepharose 6B e 4 frammenti da 7 residui l’uno, si ottiene un’amplificazione
esponenziale della concentrazione di entrambe le matrici.
Eventuali mutazioni potrebbero essere controllate, in quanto i complessi
mutanti risulterebbero termodinamicamente meno stabili e dunque
verrebbero rimossi piú velocemente dal supporto, prima di potersi legare tra
loro.
von Kiedrowski G. et al., Nature, 1998, 396, 245-248
“Self-replicating systems” basati su proteine
E
17 aa
Estere tiobenzilico
ELETTROFILO
N
15 aa
NH2-terminale
NUCLEOFILO
T
N+E
Di ciascun frammento è stata
sintetizzata
una
versione
formata interamente da L-aa
(EL e NL) e un’altra costituita
solo da D-aa (ED e ND).
Ghadiri, M. R. et al., Nature, 2001, 409, 797-801
Da una miscela iniziale “racemica” (contenente cioè uguali
quantità di EL, ED, NL e ND) si formano preferenzialmente i prodotti
omochirali TLL e TDD (rapporto 6:1 rispetto ai prodotti eterochirali
TLD e TDL).
Solo i prodotti omochirali
sono
in
grado
di
autocatalizzare
la
propria
sintesi,
mediante
la
formazione
di
complessi
ternari con i frammenti N ed
E.
I
prodotti
eterochirali
vengono invece sintetizzati
attraverso
reazioni
non
catalizzate.
Ghadiri, M. R. et al., Nature, 2001, 409, 797-801
Sono stati sintetizzati tre frammenti peptidici NL mutanti (contenenti cioè
ciascuno un solo D-aa in tre diverse posizioni della catena).
In un esperimento di competizione diretta effettuato mescolando in
opportune quantità di EL, NL, NL mutante, TLL e TLL mutante si è
verificato che TLL diventa in breve la specie dominante.
Questo sistema peptidico auto-replicante è sufficientemente
chiroselettivo nei confronti di mutazioni stereochimiche puntuali.
Inoltre, tutti e tre i prodotti TLL mutanti sono efficienti
catalizzatori per la sintesi di TLL.
“DYNAMIC STEREOCHEMICAL EDITING”
Ghadiri, M. R. et al., Nature, 2001, 409, 797-801
?
Perché e a che punto dell’evoluzione prebiotica
l’omochiralità ha prevalso sull’eterochiralità?
Perché un’enantiomero ha prevalso sull’altro?
?
L’IPOTESI “EXTRA TERRESTRE”
Secondo alcuni studiosi, l’origine dell’omochiralità avrebbe preceduto la
nascita della vita sulla Terra. Il nostro Sistema Solare si sarebbe formato
con un “bias” intrinseco, dal quale sarebbe derivato un eccesso
enantiomerico (tuttora presente in meteoriti come quella di Murchison) che
successivamente avrebbe raggiunto il nostro Pianeta.
Gli eccessi enantiomerici riscontrati negli aa naturali della Murchison
potrebbero essere dovuti a contaminazioni.
Gli e.e. relativi ad aa non naturali non sono significativi per spiegare la
situazione terrestre.
Chyba, F. C., Nature, 1997, 389, 234-235
?
Gli enantiomeri hanno la stessa energia?
?
L’IPOTESI DELLA FORZA ELETTRODEBOLE
La forza elettrodebole è intrinsecamente non simmetrica.
L’effetto di tale asimmetria sull’energia di coppie di enantiomeri è di
norma trascurabile. Tuttavia, nel caso di alcuni supposti intermedi
prebiotici come il ciano-ossirano, la differenza diventa insolitamente alta.
200 fJ/mol!!!
Berger et al., Helv. Chim. Acta, 2000, 83, 1919
Il calcolo approssimato su molecole piú complesse, ad esempio su
oligopeptidi, non mostra però alcun aumento significativo di questo
valore, che sia in grado di competere con la fluttuazione statistica.
Faglioni et al., Origins of life and evolution of biospheres, 2005, 35, 461-475
La differenza di energia tra due enantiomeri diventa significativa solo
quando le molecole contengono atomi pesanti.
Schwerdtfeger, Phys. Rev. Lett., 2003, 91, 023001-1-3
AuPH3
Cl
H
HgCl
Cl
F
FLUTTUAZIONI CASUALI
LIEVE ECCESSO
ENANTIOMERICO
AMPLIFICAZIONE CHIRALE
(SISTEMI AUTO-REPLICANTI)
OMOCHIRALITA’
H
F
Grazie per
l’attenzione!