Università degli Studi di Pavia – Dipartimento di Chimica Organica 15 dicembre 2005

1. Università degli Studi di Pavia – Dipartimento di Chimica Organica 15 dicembre 2005 Acidi nucleici e proteine: dal monomero al polimero di Valentina Dichiarante

2. ? 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.

3. Attivazione del gruppo fosfato e polimerizzazione Fosforilazione Basi azotate Ribosio Possibili sintesi prebiotiche degli acidi nucleici RNA

4. 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 D Miscele di a- e b-nucleosidi (2-10%) Ribosio + purine 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%. Sintesi dei nucleotidi 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

5. Rese % ( ›4 monomeri) [monomero] (M) 0.0125 0.025 0.05 0.05 (no template) 46 74 89 0 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. Attivazione del gruppo fosfato e polimerizzazione Inoue, T.; Orgel, L. E., J. Am. Chem. Soc., 1981, 103, 7666-7667

6. 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” Sintesi di oligomeri prebiotici su superfici minerali Un “sistema proto-genetico” richiede catene costituite da almeno 30-60 monomeri. Ferris, J. P. et al., Nature, 1996, 381, 59-60

7. Una disconnessione alternativa dell’RNA RNA Sutherland, J. D., Whitfield, J. N., Tetrahedron, 1997, 53, 11493-11527

8. Condensazione aldolica Retro-Amadori Ciclizzazione 5-exo-trig Sutherland, J. D., Whitfield, J. N. Tetrahedron, 1997, 53, 11595-11626

9. 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

10. 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. 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. 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

11. La capacità di dividersi e duplicarsi, ossia il processo di auto-replicazione, 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. Self-replication Inoltre, in un sistema auto-replicante 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

12. Esadeossiribonucleotide palindromo Conversione del 12% dopo 4 giorni. Dimerizzazione dei singoli building-blocks. Sistema non auto-catalitico. “Self-replicating systems” basati su acidi nucleici von Kiedrowski G. et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1986, 25, 932

13. Usando 2 matrici formate da 14 residui ciascuna, immobilizzate su SH-Sepharose 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. Surface Promoted Replication and Exponential Amplification of DNA analogues von Kiedrowski G. et al., Nature, 1998, 396, 245-248

14. E N T 17 aa Estere tiobenzilico ELETTROFILO 15 aa NH2-terminale NUCLEOFILO N + E “Self-replicating systems” basati su proteine 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

15. 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

16. 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. 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. “DYNAMIC STEREOCHEMICAL EDITING” Ghadiri, M. R. et al., Nature, 2001, 409, 797-801

17. 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. ? ? Perché e a che punto dell’evoluzione prebiotica l’omochiralità ha prevalso sull’eterochiralità? Perché un’enantiomero ha prevalso sull’altro? Chyba, F. C., Nature, 1997, 389, 234-235

18. ? ? 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. Gli enantiomeri hanno la stessa energia? 200 fJ/mol!!! Berger et al., Helv. Chim. Acta, 2000, 83, 1919

19. 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 AMPLIFICAZIONE CHIRALE (SISTEMI AUTO-REPLICANTI) LIEVE ECCESSO ENANTIOMERICO OMOCHIRALITA’ FLUTTUAZIONI CASUALI

20. Grazie per l’attenzione!