Chimica Prebiotica

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Chimica Prebiotica
Università degli Studi di Pavia Dipartimento di
Chimica Organica 15 dicembre 2005
5 estratti di brodo primordiale
Dalla nascita della vita alla nascita del
mondo di Daniele Merli
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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
Organismo vivente
Materiale genetico
Membrana cellulare
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Dal nulla al tutto
Stessi 22 l-AA

• Similitudini in tutti gli organismi a livello
  biochimico

Reazioni anaboliche di base
Propagazione informazione genetica (DNA/RNA)
Origine monofiletica di tutte le forme viventi
Ultimo ANCESTORE comune
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(No Transcript)
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• 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
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Ancestors defining major groups in the
prokaryotic realm are indicated by small circles
on the ring.
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La Terra Primordiale
Finestra di tempo prebiogenetica
Bombardamento meteoritico
4,6109 anni fa
4,0109
3,6109
3,4109 anni fa
Evidenza vita cellulare
Formazione della Terra
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

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Proposta origine eterotrofica della vita
Concetto di mondo a RNA

• 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

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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

• ?G0 -38.4 kJ mol-1
• FeS H2S ? FeS2 H2

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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.

enzimi
cellule
geni
argille

• Minerali argillosi ? catalizzatori, impalcatura
  su cui i composti organici poterono legarsi e in
  seno alla quale si sarebbe evoluto lattuale
  meccanismo molecolare.

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1. argille 2. adiuvantiorganici 3.
autonomia composti organici
RNA, prende il sopravvento rendendo impalcatura
di argilla inutile e, quindi, eliminabile

• Ferris, 1998

Minerali
RNA (20-50 basi)
A, U, G, C
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Teoria di Eigen (1981)
Enfatizza l Origine della Replicazione
Evoluzione Biologica
Evoluzione Chimica
Prima Cellula

• I sistemi di immagazzinamento di informazione
  (RNA) producono un enzima che catalizza la
  formazione di un altro sistema informativo, in
  sequenza, finchè lultimo catalizza la formazione
  del primo (iperciclo)
• RNA può formare ribozimi, una forma di enzimi a
  RNA.
• Lenzima deve essere specifico per un dato RNA
  perché il ciclo si autosostenga

RNA
enzimi
cellule
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Chemotone lOrganismo più semplice (Tibor Ganti,
1970, ex Ganti, 1997)
Y scarto, X nutriente V monomero di
materiale genetico, pVi polimero T
precursore di molecole membranogeniche. Ais
intermedi in cicli metabolici Il metabolismo
genera scarti, membrane e molecole genetiche Il
Chemotone ha Metabolismo Ereditarietà
Membrane
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Teoria di Oparin (1924-rielaborata)
Enfatizza lorigine 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

geni
cellule(coacervati)
enzimi
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Organisms Biopolymers
Biological
Prebiological selection
Probionts Polymers with the higher degree of
organization
Prebiological selection
Prebiological
Primitive Probionts Oligo/polymers with low
degree of organization
Non-specific self assembly
Free olygomers and polymers
Chemical
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Latmosfera primordiale

• Atmosfera neutra/riducente no ossigeno

Rilascio gas intrappolati nellaccrezione dei
planetesimali
NH3, H2O, idrocarburi, CO2, H2
?
CH3OH, HCN, aldeidi, chetoni
Carburi, nitruri metallici
h??
h??
Eruzioni vulcaniche
Impatti cometari
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Lesperimento di Miller (1953)


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)

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

AA si formano da sintesi tipo Strecker da HCN,
NH3 , 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
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Sintesi prebiotiche in condizioni cometarie

• Nascono dallesigenza 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
H2O
CO
CO2
more complex organic molecules
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(No Transcript)
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Si formano composti simili in miscele liquide
(condizioni terrestri)
HMT, molecola serbatoio, (abbastanza stabile UV)
fornisce gap temporale
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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 CNOH simile al reale (?)
Cosa irraggiare?
Composti presumibilmente prebiotici
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• 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

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(No Transcript)
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The end
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Robustness of Life - Ranges
Temperature
Acidity
Pressure gt1200 atmospheres Vacuum as spore, but
reproducing at how low pressure?
Radiation D. Radiodurans 150.000
Rothchild,L and Mancinelli (2001) Life in extreme
environments. Nature 209.1092-, Sharma et
al.(2002) Microbial activities at GigaPascal
pressueres 295. 1514-