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livello medio.
ARGOMENTO: SVILUPPI DELLA SCIENZA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: BIOCHIMICA
parole chiave: mattoni della vita, DNA, RNA
Come erano composte le prime strutture proteiche responsabili delle origini della vita sulla Terra?
I ricercatori della Rutgers University, New Brunswick, partecipanti al progetto ENIGMA (Evolution of Nanomachines in Geospheres and Microbial Ancestors), ritengono di aver scoperto le strutture proteiche originali, semplici molecole che potrebbero aver innescato la vita sulla Terra e che … potrebbero essere utilizzate per cercare la vita su altri pianeti.
I ricercatori ritengono che le prime forme di vita possano aver avuto origine sul nostro pianeta da materiali semplici e non viventi. I risultati sono stati pubblicati in un articolo, Quantifying structural relationships of metal-binding sites suggests origins of biological electron transfer, pubblicato sulla rivista Science Advances che ipotizza l’identificazione del primo enzima metabolico della vita.
Molti scienziati ritengono che, circa 4,47 miliardi di anni fa, un oggetto celeste impattò sul nostro pianeta, creando una nuvola di metalli fusi e di detriti che si distribuirono sulla Terra. L’urto fu tale che si generarono reazioni chimiche estreme che, tra le tante cose, portarono alla scissione delle molecole di acqua in ossigeno e idrogeno molecolari. Il primo, l’ossigeno, si legò al ferro, ossidandolo e creando grandi depositi sulla superficie. L’idrogeno formò invece una densa atmosfera che, nell’arco di 200 milioni di anni, si dissipò lentamente nello spazio. A causa delle caratteristiche di questa proto-atmosfera, la temperatura sul pianeta si raffreddò, ed incominciarono a formarsi le prime semplici molecole.
L’esperimento di Miller-Urey rappresenta la prima dimostrazione che le molecole organiche si possono formare spontaneamente, nelle giuste condizioni ambientali, a partire da sostanze inorganiche più semplici creando il “brodo primordiale”. L’esperimento fu condotto nel 1953 da Stanley Miller e dal suo docente, Harold Urey, per dimostrare la teoria di Oparin e Haldane, che ipotizzavano che le condizioni della Terra primordiale avessero favorito reazioni chimiche conducenti alla formazione di composti organici a partire da componenti inorganici. Dagli anni ’80 la teoria prevalente sull’origine della vita si orienta invece sul RNA che essendo autoreplicante spiegherebbe le capacità distintive dei sistemi viventi. Ma resta aperta la domanda: come nacque la prima molecola proto-biologica? – credito immagine dalink
Quando James Watson e Francis Crick svelarono il mistero del DNA sembrò che tutto fosse chiaro: tutte le informazioni venivano immagazzinate attraverso la sequenza di quattro sostanze chimiche, le basi azotate (adenina, guanina, citosina, timina), conservate in due lunghe catene, ognuna delle quali specificava i contenuti dell’altra. I due filamenti della doppia elica del DNA si separavano, e nuovi componenti costitutivi del DNA si allineavano lungo i filamenti separati e si univano. Alla fine si ottenevano due doppie eliche, invece di una, e ciascuna delle quali era una replica della struttura originale del DNA.
Però c’era un problema
Per replicarsi c’era bisogno di un certo numero di proteine, grandi molecole chimicamente molto diverse dal DNA. Sia il DNA che le proteine sono costituiti da unità per formare le loro catene ma, nel primo caso, queste sono i nucleotidi, mentre per le proteine sono gli amminoacidi. Come sappiamo, le proteine sono essenziali per la vita cellulare, e una loro sottoclasse, gli enzimi, sono i catalizzatori dei processi chimici necessari per la vita. Ma le proteine si formano seguendo le istruzioni codificate nel DNA. A questo punto nacque il dubbio: per la vita ci vogliono le proteine che si costruiscono secondo il codice stabilito dal DNA ma senza l’assistenza delle proteine il processo di riproduzione del DNA non può avvenire. Si era tornati al classico dilemma se era nato prima l’uovo o la gallina.
E se fosse l’RNA?
Gli scienziati allora rivolsero l’attenzione sull’RNA, una classe di molecole decisamente versatile, costituita anch’essa da nucleotidi.
I nucleotidi possiedono una struttura molecolare composta da tre elementi:
- un gruppo fosfato, che è un derivato dell’acido fosforico;
- uno zucchero a 5 atomi di carbonio, cioè un pentoso;
- una base azotata, che è una molecola eterociclica aromatica.
Sia nel DNA che nell’RNA, le possibili basi azotate sono quattro da cui deriva che i tipi di nucleotidi, per ciascun acido nucleico, sono in tutto quattro. Ma esiste una differenza: sebbene abbiano in comune tre delle basi azotate, adenina, guanina e citosina, nel caso del DNA la quarta base azotata è la timina mentre nel caso del RNA c’è l’uracile.
L’RNA, acido ribonucleico, ha un compito importantissimo. Trasporta le informazioni dal DNA ai ribosomi, strutture (in gran parte costituite da altri tipi di RNA) che costruiscono le proteine. Nell’assolvere le sue numerose funzioni, l’RNA può assumere la forma di una doppia elica, simile al DNA, oppure di un singolo filamento ripiegato, molto simile a una proteina.
Nei primi anni ottanta furono scoperti i ribozimi, delle sostanze analoghe agli enzimi, che secondo alcuni scienziati, si unirono a formare l’RNA che, combinandosi con proteine e grassi, formò quindi le prime cellule.
L’Energia non basta …
Per poter attivare questi processi biochimici fu necessario utilizzare energia, da fonti come il sole o terrestri, come i camini idrotermali nelle profondità degli oceani. Ma per mescolare gli elettroni era necessario avere un “ambiente molecolare“ particolare ed ecco che, secondo questo studio, entrarono in campo i metalli, elementi che sono onnipresenti sul nostro pianeta. Una delle loro caratteristiche è che favoriscono il trasferimento di elettroni (non a caso i fili dove passa l’elettricità sono di rame, che un metallo).
Gli autori dello studio citato hanno messo in relazione la combinazione proteine – metalli, confrontando le strutture proteiche esistenti che legano i metalli, al fine di stabilire eventuali caratteristiche comuni. Studiando l’evoluzione delle strutture proteiche hanno scoperto che la stragrande maggioranza delle proteine con leganti metallici sono in qualche modo simili, indipendentemente dal tipo di metallo a cui si legano.
Queste caratteristiche erano già presenti nelle proteine ancestrali quando avvenne la diversificazione che creò la gamma di proteine che abbiamo oggi. Secondo l’autrice principale dello studio, Yana Bromberg, professore presso il Dipartimento di Biochimica e Microbiologia della Rutgers University-New Brunswick, i nuclei leganti i metalli delle proteine esistenti sono effettivamente simili, indipendentemente dai tipi di proteine, e sono spesso costituiti da sottostrutture ripetute.
Curiosamente, questi blocchi sono stati trovati anche in altre regioni delle proteine (ovvero non solo nei nuclei che legano i metalli) e anche in molte altre proteine non considerate nello studio.
In parole semplici, secondo i ricercatori, “i riarrangiamenti di questi piccoli elementi costitutivi potrebbero aver avuto un solo o un piccolo numero di antenati comuni e dato origine all’intera gamma di proteine e alle loro funzioni attualmente disponibili, ovvero, alla vita come la conosciamo“. Potrebbero quindi essere i mattoncini Lego del nostro mondo e farci comprendere come tutto nacque sulla Terra e .. chissà … anche da altre parti dell’universo.
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