Università degli Studi di Pavia – Dipartimento di Chimica Organica15 dicembre 2005

Acidi nucleici e proteine:dal monomero al polimero

diValentina Dichiarante

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.

?

Possibili sintesi prebiotiche degli acidi nucleici

Basi azotate

Attivazionedel gruppo fosfatoe polimerizzazione

Fosforilazione

Ribosio

RNA

Sintesi dei nucleotidi

Possibile separazione spaziale e/o temporale dei due componenti

Ribosio + purine Miscele di - e -nucleosidi

(2-10%)

Le condizioni richieste dalla sintesi prebiotica delle basi azotate non sono compatibili con quelle necessarie per la sintesi degli zuccheri.

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%.Schlesinger, G.; Miller, S. L., J. Am. Chem. Soc., 1973, 95, 3729Orgel, L. E. et al., J. Mol. Biol., 1972, 67, 25Lohrmann, R. H., Orgel, L. E., Science, 1971, 171, 490

Attivazione del gruppo fosfato e polimerizzazione

NH

N

N

O

NH2N

O

OH

HH

HHOH

OP

O

O-

N N

CH3

Guanosina 5’-fosforimidazolide

Inoue, T.; Orgel, L. E., J. Am. Chem. Soc., 1981, 103, 7666-7667

0.01250.0250.050.05 (no template)

4674890

[monomero] (M) Rese %( ›4 monomeri)

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.

Sintesi di oligomeri prebiotici su superfici minerali

Ferris, J. P. et al., Nature, 1996, 381, 59-60

Un “sistema proto-genetico” richiede catene costituite da almeno30-60 monomeri.

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”

Una disconnessione alternativa dell’RNA

Sutherland, J. D., Whitfield, J. N., Tetrahedron, 1997, 53, 11493-11527

RNA

Sutherland, J. D., Whitfield, J. N. Tetrahedron, 1997, 53, 11595-11626

O

O

H

P

O

OO

N

N

O

O

H

O

OP O

O

O

OH

N

N

O

O

H

O

H

OH

O

H B

O

P

O

OO

B-

N N

N

N

NH

H

Condensazionealdolica

N

N

O

O

H

OH

OH

OH B

O

P

O

OO

B-

N N

N

N

NH

H

N

N

O

O

H

OH

O

O

O

P

O

OO

N N

N

N

NH

HB

Retro-Amadori

N

N

O

O

OH

O

O

O

P

O

OOH

Ciclizzazione5-exo-trig

Sutherland, J. D., Whitfield, J. N., Tetrahedron, 1997, 53, 11493-11527

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.

Wächtershäuser, G. et al., Science, 2003, 301, 938-940

Un possibile ciclo peptidico primordiale?

Gli -amminoacidi polimerizzano in soluzione acquosa se attivati da CO, ad alta temperatura e in presenza di un coprecipitato colloidale di (Fe,Ni)S.

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.

Dai dati riportati in letteratura non sembra che questo ciclo riesca ad andare oltre frammenti dipeptidici!!!

Self-replication

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.

Philp D. et al., Chem. Soc. Rev., 2000, 29, 141-152

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.

“Self-replicating systems” basati su acidi nucleici

von Kiedrowski G. et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1986, 25, 932

Esadeossiribonucleotidepalindromo

Conversione del 12% dopo 4 giorni.

Dimerizzazione dei singoli building-blocks.

Sistema non auto-catalitico.

von Kiedrowski G. et al., Nature, 1998, 396, 245-248

SurfacePromotedReplication andExponentialAmplification ofDNA analogues

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.

“Self-replicating systems” basati su proteine

Ghadiri, M. R. et al., Nature, 2001, 409, 797-801

17 aaEstere tiobenzilicoELETTROFILO

E

15 aaNH2-terminaleNUCLEOFILO

N

N + ET

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

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.

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.

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.

Ghadiri, M. R. et al., Nature, 2001, 409, 797-801

“DYNAMIC STEREOCHEMICAL EDITING”

Perché e a che punto dell’evoluzione prebiotica l’omochiralità ha prevalso sull’eterochiralità?

Perché un’enantiomero ha prevalso sull’altro?? ?

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.

Chyba, F. C., Nature, 1997, 389, 234-235

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.

L’IPOTESI “EXTRA TERRESTRE”

Gli enantiomeri hanno la stessa energia?? ?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.

Berger et al., Helv. Chim. Acta, 2000, 83, 1919

200 fJ/mol!!!

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 AuPH3

ClH

HgCl

Cl FH

F

FLUTTUAZIONI CASUALI

LIEVE ECCESSOENANTIOMERICO

AMPLIFICAZIONE CHIRALE(SISTEMI AUTO-REPLICANTI)

OMOCHIRALITA’

Grazie perl’attenzione!