La presenza del fosforo nelle biomolecole è essenziale per la vita. Ma come è entrato a farne parte? Fino a oggi i biochimici non sono mai stati in grado di spiegare come le reazioni di fosforilazione potessero avvenire nelle immense distese degli oceani primordiali. Uno studio pubblicato dalla rivista PNAS suggerisce che ad ospitare queste reazioni - e quindi i primi passi della vita sul nostro pianeta – potrebbero essere state le microscopiche goccioline che si formano nelle nubi oppure nei punti in cui le onde si infrangono contro le rocce. Lo studio dimostra per la prima volta che le reazioni di fosforilazione possono avvenire spontaneamente anche al di fuori dei sistemi biologici e in assenza di enzimi.

Una goccia di rugiada su una foglia (Immagine: Pixabay)

Sua Maestà il fosforo

Il fosforo è essenziale per la vita sul nostro pianeta. È a questo elemento che dobbiamo le preziose reazioni di fosforilazione che mantengono attivi gli ingranaggi cellulari. Basti pensare agli zuccheri fosfati come l’ATP e il GTP che sostengono il metabolismo cellulare, agli acidi nucleici che custodiscono i libretti di istruzione delle cellule, o ai fosfolipidi, senza i quali non esisterebbero le membrane cellulari. La funzione metabolica, informazionale e strutturale di queste biomolecole non può prescindere dalle reazioni di fosforilazione mediate dalle proteine chinasi. La presenza del gruppo fosfato gioca un ruolo talmente importante che le cellule dispongono anche di apposite fosfatasi, la cui funzione è quella di rimuovere il gruppo fosfato. Il ciclo di fosforilazione/defosforilazione è un meccanismo semplice ma potente, di cui spesso le cellule si servono per regolare la funzione delle molecole proprio come se fosse un interruttore on/off.

Fosforilazione: una reazione termodinamicamente capricciosa

In soluzione, la fosforilazione degli zuccheri è sfavorita dal punto di vista termodinamico. Le chinasi permettono di superare questa cunetta energetica catalizzando le reazioni di forsforilazione. Ma qui sorge un problema: come potevano avvenire queste reazioni nel mondo prebiotico – prima, cioè, che esistessero gli enzimi in grado di catalizzarle? Questo è uno dei grandi dilemmi dei biochimici che si occupano dell’origine della vita. Che alcune reazioni metaboliche avvenissero ancora prima dell’evoluzione delle cellule è già stato dimostrato per altre vie metaboliche, come per esempio il ciclo di Krebs (ne abbiamo parlato in questa News dell'Aula di Scienze). Tuttavia, fino a oggi non si è però trovata nessuna soluzione altrettanto soddisfacente per le reazioni di fosforilazione.

Un micromondo in una goccia

Il punto chiave è che la fosforilazione è termodinamicamente “capricciosa” solo quando il fosforo si trova disperso in grandi masse di acqua. Le cose vanno diversamente quando il fosforo è confinato sulla superficie: qui le reazioni possono avvenire, anche se raramente. La presenza di microgocce cambia però le carte in tavola: si tratta infatti di sistemi in cui il rapporto superficie/volume è nettamente a favore della superficie; in più viene garantita una minima quantità di acqua, la cui presenza è essenziale per la vita. Dal punto di vista termodinamico, le microgocce rappresentano quindi il sistema ideale per le reazioni di fosforilazione. Simulando la formazione di microgocce in laboratorio, i ricercatori dell’Università di Standford sono riusciti a dimostrare la formazione spontanea di zuccheri fosfati e anche di un ribonucleoside, ovvero una delle biomolecole chiave per la formazione degli acidi nucleici e, in sostanza, per innescare la vita. In futuro, il gruppo di ricerca di Richard N. Zare spera di poter dimostrare anche la formazione spontanea di proteine fosforilate nelle microgocce: un altro tassello per capire l’origine della vita. -- Immagine Banner: Pixabay Immagine Box: Pixabay