Università degli Studi di Pavia – Dipartimento di Chimica
Organica
15 dicembre 2005
5 estratti di brodo primordiale
Chimica Prebiotica
Dalla nascita della vita
alla nascita del mondo:
di
Daniele Merli
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
Metabolismo
Materiale genetico
Organismo vivente
Membrana cellulare
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
•Processo riduzionistico, evidenzia similitudini e non
differenze
•Pattern di organismi
primordiali :scambio
genetico/endosimbiosi
•Stessi processi
biochimici: reazioni
chimiche più
favorevoli sono
sempre le stesse
•Milioni di anni dopo specie molto distanti si uniscono ancora
(cloroplasti, mitocondri)
•Albero della vita rimpiazzato da “anello della vita”
Maria C. Rivera1,3,4 & James A. Lake1,2,4 NATURE |VOL 431 | 9 SEPTEMBER 2004 |
Ancestors defining major groups in the prokaryotic realm are indicated
by small circles on the ring.
La Terra Primordiale
Bombardamento meteoritico
4,6*109 anni fa
Formazione della Terra
Finestra di tempo
prebiogenetica
4,0*109
3,6*109
Evidenza vita cellulare
3,4*109 anni fa
Batteri fotosintetici
• 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
Studi chimici
sull'assimilazione
autotrofica del
carbonio
1800
Proposta origine
Concetto di
eterotrofica
“mondo a RNA”
della vita
2000
1900
1828
1861
1824-1929
1961
Sintesi dell'urea
(Wolher)
Sintesi degli
Sintesi
Oparin, Haldane,
zuccheri
dell'adenina (Orò)
Lipman,Harvey
(Butlerov)
1953
1850
Sintesi della
glicina
Sintesi
Miller
(Klages,Lob,
dell'alanina
Ling,Nanji)
(Strecker)
• 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
Teoria di Wachtershauser (1988)
• 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
•ΔG0 = -38.4 kJ mol-1
FeS + H2S → FeS2 + H2
Teoria di Cairns-Smith (1982)
• Microscopici cristalli di minerali nelle argille furono
originario materiale genetico
• Lo strato superficiale governa la crescita degli altri strati, che
via via si separano (replicazione)
• Materiale organico inizialmente è adiuvante (supporto
meccanico, favorisce la cattura di ioni) e “diventa autonomo” in
uno stadio successivo.
argille
enzimi
“cellule”
geni
•Minerali argillosi  catalizzatori, impalcatura su cui i composti
organici poterono legarsi e in seno alla quale si sarebbe evoluto
l’attuale meccanismo molecolare.
1. argille
2. “adiuvanti”organici
3. autonomia composti
organici
RNA, prende il sopravvento
rendendo “impalcatura” di argilla
inutile e, quindi, eliminabile
• Ferris, 1998:
RNA
Minerali
A, U, G, C
(20-50 basi)
Teoria di Eigen (1981)
Enfatizza l’ Origine della Replicazione
Evoluzione Chimica
Evoluzione Biologica
Prima
Cellula
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
RNA
enzimi
cellule
Chemotone: l’Organismo più semplice
(Tibor Ganti, 1970, ex Ganti, 1997)
Y – scarto, X – nutriente
V’ – monomero di materiale
genetico, pVi – polimero
T’ – precursore di molecole
membranogeniche.
Ai’s – intermedi in cicli
metabolici
Il metabolismo genera:
scarti, membrane e molecole
genetiche
Il Chemotone ha:
Metabolismo
Ereditarietà
Membrane
Teoria di Oparin (1924-rielaborata)
Enfatizza l’origine del metabolismo
•Brodo primordiale in atmosfera riducente (no ossigeno)
•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)
enzimi
geni
Biological
Organisms
Biopolymers
Prebiological selection
Chemical
Prebiological
Probionts
Polymers with the higher
degree of organization
Prebiological selection
Primitive Probionts
Oligo/polymers with low
degree of organization
Non-specific self assembly
Free olygomers and
polymers
L’atmosfera primordiale
• Atmosfera neutra/riducente: no ossigeno
Rilascio gas intrappolati
nell’accrezione dei planetesimali
Carburi, nitruri
metallici
NH3, H2O,
idrocarburi,
CO2, H2

h
CH3OH, HCN,
aldeidi, chetoni
*h
Eruzioni
vulcaniche
Impatti
cometari
Molecole organiche
complesse
L’esperimento di Miller (1953)
Compound
Yield
moles
%
-Amino-n-butyric acid
50
0.34
-Aminoisobutyric acid
1
0.007
-Alanine
150
0.76
Acetic acid
150
0.51
Alanine
340
1.7
Aspartic acid
4
0.024
Formic acid
2330
4.0
6
0.051
Glycine
630
2.1
Glycolic acid
560
1.9
Iminodiacetic acid
55
0.37
Iminodiacetic-propionic acid
15
0.13
Lactic acid
310
1.6
N-Methylalanine
10
0.07
N-Methyl urea
15
0.051
Propionic acid
130
0.66
Sarcosine
50
0.25
Succinic acid
40
0.27
Urea
20
0.034
Glutamic acid
Rese ottenute generando scariche elettriche in una
miscela di CH4, NH3, H2O e H2.(Rese percentuali
basate su 59 mmoles di carbonio aggiunto come CH4)
•Terra primordiale probabilmente non così ricca H2; ciò
diminuisce la resa di molecole organiche
•Si ottengono AA racemi, non nucleotidi
•Si ottengono AA non naturali.
•Polimeri 40-60 unità instabili in queste condizioni:idrolisi
•1957, Sidney W. Fox, propone la polimerizzazione su rocce
caldesi formano da sintesi tipo Strecker da HCN, NH3 ,
AA
composti carbonilici formati dalla scarica elettrica
•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
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
radiation
CH3OH
PAH
H2 O
CO
CO2
more complex organic molecules
Si formano composti simili in miscele liquide (condizioni terrestri)
HMT, molecola serbatoio, (abbastanza stabile UV): fornisce gap
temporale
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)
Rapporto C:N:O:H simile al reale (?)
Cosa irraggiare?
Composti presumibilmente prebiotici
• 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
The end
Robustness of Life - Ranges
Temperature:
Acidity:
Pressure:
Radiation:
>1200 atmospheres
D. Radiodurans ~150.000*
Vacuum as spore, but
reproducing at how low
pressure?
Rothchild,L and Mancinelli (2001) Life in extreme environments. Nature 209.1092-, Sharma et al.(2002) “Microbial activities at GigaPascal pressueres” 295. 1514-