Chimica PrebioticaChimica 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

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

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

•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 |

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

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*109 anni fa 4,0*109 3,6*109 3,4*109 anni fa

Batteri fotosintetici

• 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 eterotroficadella vita

1800 2000

1828

1850

1900

1861 1824-1929

1953

1961Sintesi 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)

• 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 Wachtershauser (1988)

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

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

Evoluzione Biologica Evoluzione ChimicaPrima 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

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

•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

Free olygomers and polymers

Primitive Probionts

Oligo/polymers with low degree of organization

Probionts

Polymers with the higher degree of organization

Organisms

Biopolymers

Ch

emic

alP

reb

iolo

gic

alB

iolo

gic

al

Non-specific self assembly

Prebiological selection

Prebiological selection

L’atmosfera primordiale

• Atmosfera neutra/riducente: no ossigeno

Carburi, nitruri metallici

NH3, H2O, idrocarburi, CO2, H2

Eruzioni vulcaniche

Impatti cometari

Rilascio gas intrappolati nell’accrezione dei planetesimali

h

CH3OH, HCN,

aldeidi, chetoni

Molecole organiche complesse

*h

L’esperimento di Miller (1953)Yield

Compound 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

Glutamic acid 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

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)

•Si ottengono AA racemi, non nucleotidi

AA si formano da sintesi tipo Strecker da HCN, NHAA si formano da sintesi tipo Strecker da HCN, NH33 , , composti carbonilici formati dalla scarica elettricacomposti 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 H2; ciò diminuisce la resa di molecole organiche

•Polimeri 40-60 unità instabili in queste condizioni:idrolisi

•1957, Sidney W. Fox, propone la polimerizzazione su rocce calde

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

COCO

COCO22

HH22OO

CHCH33OHOH PAHPAH

radiation

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)

Cosa irraggiare?Rapporto C:N:O:H simile al reale (?)

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 The endend

Robustness of Life - Ranges

Rothchild,L and Mancinelli (2001) Life in extreme environments. Nature 209.1092-, Sharma et al.(2002) “Microbial activities at GigaPascal pressueres” 295. 1514-

Temperature: Acidity:

Pressure:

>1200 atmospheres

Vacuum as spore, but reproducing at how low pressure?

Radiation:

D. Radiodurans ~150.000*