CATALISI ed INFORMAZIONE
:Catalisi : organizzazione della informazione nell’ evoluzione dei
processi di trasformazione chimica e bio-chimica.
Paolo Manzelli :LRE@UNIFI.IT
Abstract
: If information is seen as having an immediate "meaning", but this is
no true because meaning is coming from a mental working that transform
bio-chemical information in knowledge. By building on the notion of
bio-chemical information, we need to understand the basic concept of
“catalysis” that permits that, a given dynamic reaction, contains
more information than chaos. Certainly the brain can be transform the
physico-chemical information into knowledge but basically
“physico-chemical catalytic information” do not include the value of
meaning . Definition of Catalysis:the fundamental
dynamic achievement of catalysis consists into an positive or
negative change of the of the time of a process or reaction.
Catalysis usually is present into a reaction in small quantities and
it is unaffected in its quantity at the end of the reaction. In any
case catalysis is the approach for regulating the interactions of
Energy and Matter transformations by adding value or selecting
information. In fact catalysis actions generate a specific cooperative
information coordination, able to drive a chemical or bio-chemical
massive transformation, from the reagents to the products , in a
system open to an exchange of energy and matter. An evolution of some
auto-catalytic systems, into a dynamic self generating process of
protein’s reactivity, transforms the catalysis in enzymatic codified
regulation of the expression of genetic information of living
species. In conclusion, any catalyst’s action permits to chemical
reactions or bio-molecular processes to take place more effectively
and in controlled time development, by means a better co-organized
conditions of information, than would not otherwise be possible.
Premessa: Il Futuro della
Scienza.
Il II° CONVEGNO dell’ OPEN NETWORK for
NEW SCIENCE (in sigla ON-NS ) sul tema BIO-INFORMAZIONE ed INNOVAZIONE
COGNITIVA DELLA SCIENZA , vuol caratterizzare il passaggio del
paradigma cognitivo tra una concezione meccanica ed una concezione
bio-logica della scienza, il quale si associa come elemento fondante
della ampia trasformazione dello sviluppo socio-economico che transea
dalla “societa’ industriale alla futura società della
conoscenza”. Un nuovo scenario cognitivo si delinea per
il fatto che le concezioni biologiche rispetto a quelle meccaniche
necessitano di acquisire una piu’ ampia comprensione della
complessita’ della vita , e quindi sollevano alcuni problemi di
interpretazione, che giungono fino a includere la esigenza di capire
e potenziare le nostre possibilita’ cerebrali di pensare e comunicare
che prima potevano essere considerate con modalita’ e criteri
umanistici di studio , nettamente separati dal pensiero scientifico.
Per procedere in questo contesto di profondo cambiamento culturale
diviene pertanto necessario rivedere e rileggere alcuni concetti
scientifici che oggigiorno acquistano un valore di cultura
fondamentale, proprio al fine di favorire modi diversi d’impostare il
confronto interattivo delle idee nella scienza e nella societa’. In
sostanza si accentua, nell’ epoca contemporanea, l’ esigenza di una
innovazione interpretativa, rivolta a esplicitare le necessita’
future di conoscenza e pertanto, l’ attivita sostanziale del Gruppo
ON-NS, consistera’ nell’aprire la strada verso progettazioni coerenti
coci proponiamo di interpretare la vita biologica quale parte
integrante del processo evolutivo della “bio-informazione”, che si
riassume nel cervello dell’ uomo producendo gradualmente una
integrazione cognitiva sempre piu’ completa finalizzata a comprendere
ed orientare coscientemente la stessa natura evolutiva del pensiero.
La Catalisi Chimica.
Per aprire un primo spiraglio teso
verso la comprensione della “ bio-informazione” e’ necessario iniziare
con il definire appropriatamente il concetto stesso di informazione ,
il quale etimologicamente proviene dalla composizione tra “IN e
FORMAZIONE” . e che quindi indica cio’ che orienta la dinamica di
sviluppo dall’ interno ogni processo di formazione. Inoltre
ricordiamo che il termine FORMAZIONE ha il significato morfogenetico
di dare forma. Aristotele (Fis.,II,1,193b28;Met.,IV,1015 ) concepi’ la
INFORMAZIONE come una funzione d’ordine anticipativa, di per se
stessa priva di significato, ma che possiede una funzionalità
primaria per definire il divenire di una forma. Per Aristotele
quindi la una qualsiasi forma necessita per il suo effettivo attuarsi
di un predittivo disegno informativo. Cosi la predisposizione di una
trasformazione ( cioe’ di ogni dinamica del cambiamento di forma )
necessita che sia pre-configurata da una informazione. Tali
precisazioni risulteranno utili per capire la funzione di informazione
della Catalisi nelle trasformazioni chimiche e biochimiche che
evolutivamente hanno permesso lo sviluppo della vita.
Iniziamo nel riflettere su l’ azione
catalitica del Platino (Pt) in una semplice reazione del tipo:
<CO + O = CO2>, evidenziando lo svolgimento delle tappe
successive della trasformazione catalizzata del in Biossido (CO2)
ottenuto dal Ossido di Carbonio (CO) per aggiunta di Ossigeno (O),
cosi come sono state studiate mediante la tecnica di spettroscopia di
elettroni lenti di superfice
1) Il Platino in superfice,essendo
spugnoso, puo’ adsorbire il CO entro il suo reticolo a base cubica ,
2) il CO adsorbito nelle cella cubica del Pt, diminuisce la forza dei
legami Pt-Pt del reticolo e lo distorce in forma esagonale, di
conseguenza la maggiore dimensione esagonale della cella permette
anche l’ adsorbimento successivo dell’ ossigeno, pertanto la stretta
vicinanza tra CO ed O facilita la sintesi in CO2 liberando energia 3)
l’ energia liberata della reazione contribuisce ad ampliare
ulteriormente il reticolo che assume temporaneamente una forma
romboedrica liberando la CO2. Per analogia se associamo alla cella
reticolare cubica,il Colore VERDE, ed alla deformazione della Cella
Esagonale il Colore GIALLO ed infine , alla cella Rombica il colore
ROSSO, comprendiamo che la azione catalitica del Pt ha agito
similmente ad un semaforo stradale nel regolare il flusso del traffico
ad un incrocio; senza tale regolazione la dinamica di sviluppo del
flusso di reazione risulterebbe bloccato ovvero estremamente lento.
Pertanto dal punto di vista della dinamica della reazione, possiamo
dire che il catalizzatore Pt ha agito come l’ aver generato una
informazione capace di accelerare il processo che da’ forma alla
nuova specie molecolare CO2. In vero la catalisi non permette solo un
vantaggio cinetico corrispondente all’ abbassamento della Energia di
attivazione di ogni singola Reazione, cio’ poiche’ nell’ insieme dello
sviluppo della massa di reazioni associate alla superfice del Platino
, le attivita’ di deformazione delle celle adsorbenti flessibilizzano
l’intera struttura reticolare migliorando nel tempo l’ attivita
catalitica del Pt , con un adamento simile ad un processo di
sensibilita’ co-operativa (Quorum Sensing) che complessivamente
aumenta la capacita di informazione del catalizzatore , fino a che,
fenomeni di invecchiamento ed inquinamento ammortizzano l’ effetto
catalizzante, rendendo necessaria la sostituzione del catalizzatore.
Pertanto l’ azione di informazione del catalizzatore viene trasmessa a
tutto il reticolo del Pt e come nell’ analogia del semaforo mentre
la singola cella di Pt non altera la quantita’ di Platino coinvolta
nella reazione di trasformazione, l’ insieme della informazione
associata alla coodinata di reazione, va a modificare nel tempo la
curva della efficienza catalitica correlata alla qualità complessiva
del catalizzatore, che varia con un adeguamento massivo in funzione
dello sviluppo dell’ insieme di reazione , agendo in un primo tempo
nell’ aumentare la flessibilità di adsorbimento e desorbimento di
insieme della superfice del Pt, per poi diminuirla fino ad annullare
per sfinimento la capacita’ di deformazione rigenerativa del
reticolo.
La catalisi puo’ essere interpretata
in Termodinamica in termini di relazioni tra “Disordine ed Ordine”
comprendendo che l’attivita’ catalitica nel suo sviluppo conduce
complessivamente la reazione da una situazione di disordine ad una
nuova situazione di ordine molecolare procedendo pertanto nel
diminuire la Entropia del sistema di reazione . (Entropia viene dal
greco “tropon” = mutamento). Quindi possiamo capire come hanno
asserito gli scienziati della Teoria della Informazione ( Brillouin,
Shannon, e Wiener) che l’entropia diviene una misura della mancanza
di informazione : più grande è l’informazione, più piccola sarà
l’entropia. L’informazione pertanto rappresenta un termine negativo
dell’entropia di un sistema, sicché si può definire l’informazione
come entropia negativa ovvero “neg-entropia”. Il grado d’ordine di un
sistema si può quindi ridefinire direttamente ricorrendo al concetto
di aumento della informazione , senza intermediarlo tramite la
concezione termodinamica di neg-emtropia, con il vantaggio di passare
da una concezione meccanica della scienza ad una concettualita’ piu’
propriamente biologica. E’ importante inoltre notare come in tutte le
reazioni chimiche complesse in mancanza di un catalizzatore aggiunto,
si verifica il fenomeno di “auto-catalisi” , cio’ in quanto durante
la trasformazione dalla rottura delle molecole dei reagenti si
originano temporaneamente dei “centri attivi” ( spesso attuati da
processi a carica ionica o radicalica
di specie transienti
instabili )
che, in un sistema aperto
a scambi di Energia e Materia , agiscono da catalizzatori di
informazione , regolando il tempo in cui la reazione si esaurisce
mediante una azione che induce abbassamento o viceversa innalzamento
della energia di attivazione del processo chimico di trasformazione.
Quanto sopra e stato descritto dal Premio Nobel (1977) della Chimica
Ilya Prigogine, trattando della Termodinamica dei fenomeni
irreversibili nei quali le fluttuazioni del sistema di trasformazione
si possono interpretare come l’ informazione derivante dal ticchettio
di un orologio proprio in quanto permettono di determinare il tempo.di
reazione. Questo cambiamento concettuale relativo allo studio della
azione catalitica in strutture dissipative complesse (dette “Orologi
Chimici”) e’ da considerarsi un elemento sostanziale del passaggio tra
una visione meccanica ed una piu’ propria della nascente società della
“bio-informazione”, ove si comprende come l’ evoluzione delle
attivita’ fisico-chimiche correlate alla informazione catalitica,
tendono ad agire dissipando come rumore tutto cio che altera ovvero
impedisce la organizzazione dinamica di sviluppo del sistema di
reazione.
BIO-Catalisi ed il
“Principio di Fertilita’ Evolutiva”
Nel passaggio dalla chimica alla
bio-chimica si ha una evoluzione nella capacita’ catalitica di
coordinare le reazioni metaboliche, regolando in particolare le
informazioni necessarie allo svolgimento
della espressione genetica nelle cellule che rendono possibile la vita
in tutte le sue forme note sul nostro pianeta. L’ evoluzione della
catalisi biochimica, persegue un principio energetico finalizzato alla
crescita della qualità della informazione, indicato con il nome di “Principio
di Fertilità Evolutiva” per il quale l’ aumento di energia
spesa in “informazione” catalitica in un sistema di scambio aperto,
viene compensato da una diminuzione del “tasso” (quantita percentuale)
di dispersione casuale di energia dall’ insieme di reazione. Il
“Principio di Fertilità Evolutiva”, dice infatti
che, all'aumentare della differenziazione della informazione
interattiva (+dI), in corrispondenza diminuisce, per unità di
prodotto, la dispersione della materia (-dM) e della energia libera
(-dE) ; (+ dI = -dM -dE). Tale formulazione risulta assai
evidente nel passaggio evolutivo tra la “catalisi chimica e la
bio-catalisi”, dove le attivita’ catalitiche sono regolate da enzimi
auto-catalitici. Gli enzimi infatti sono normalmente proteine aventi
il compito di produrre una complessa auto-gestione della catalisi per
favorire lo sviluppo di determinate reazioni proteiche Le proteine (
che prendono il nome dalla divinita’ dell’ antica Grecia, PROTEO, cui
si attribuiva la capacita di cambiare forma), hanno notevoli
funzionalità stereo-specifiche. Pertanto gli enzimi che agiscono da
bio-catalizzatori ( chiamati “ribozimi” quando si tratta di piccoli
RNA-autocatalitici) , sono dotati di una notevole tipicità di azione
nell’ ambito delle strutture proteiche tri-dimensionali. Proprio come
conseguenza della configurazione selettiva dei bio-catalizzatori,
raramente durante le reazioni bio-chimiche si formano composti
collaterali, come avviene nelle reazioni chimiche ordinarie ,
producendo un tasso di rendimento della reazione assai elevato come
conseguenza del fatto di far avvenire le reazioni biologiche in
ambienti di attivita’ esattamente complementari e corrispondenti a
funzionalità stereo-specifiche dei “siti attivi”. Senza
tale attivita di catalisi stereo-specifica, le fondamentali reazioni
biologiche di scissione e ricomposizione dei legami peptidici non
avverrebbero a velocità apprezzabile. Gli enzimi inoltre dimostrano di
aver evoluto differenti "strategie catalitiche di informazione", che
corrispondano a differenti modalita’ di condivisione funzionale di
ruoli specifici , orientata a gestire con modalità oscillanti la
barriera energetica di attivazione; di conseguenza il potere
enzimatico della bio-catalisi dipende dal tipo di strategia catalitica
cooperativa necessaria per attuare e regolare specifiche
trasformazioni biochimiche di ogni sistema vivente. Pertanto con la
Biologia si passa da una concezione chimica della catalisi ad una
piu’ complessa attivita enzimatica, relativa allo sviluppo dei sistemi
di trasferimento e riconoscimento codificato della bio-informazione ,
si passa cioe’ ad un livello di complessita’ e specificita’ maggiore
proprio per il fatto che in biologia le molteplici reazioni di una
cellula vivente sviluppano una auto-gestione catalitica –comunicativa
dell’ insieme dei processi di reazione , capace di favorire alcune
relazioni funzionali tra struttura e funzioni , utilizzando delle
proprietà antagoniste dei gruppi terminali NH e COOH degli
amminoacidi, ed organizzando strategie bio-energetiche di costruzione
delle sequenze proteiche, secondo le informazioni provenienti dal
codice genetico . Mediante la catalisi enzimatica la natura vivente
e’ divenuta capace di gestire un ampio mosaico di reazioni
bio-chimiche collaborative da cui dipende la modulazione della
informazione genetica, determinando complessivamente uno sviluppo
degli organismi viventi, ben poco lasciato al caso, dato che gli
enzimi catalizzano e regolano, mediante codificazioni riconoscibili
da ricettori della informazione, ogni sequenza di sviluppo delle
reazioni biochimiche all’interno dell’organismo. Quindi l’ evoluzione
delle strategie di interferenza catalitica dei “bio catalizzatori” , e
non solo le differenze del patrimonio genetico di ciascuna specie ,
sono complessivamente responsabili della informazione biologica
necessaria a generare le essenziali diversita’ evolutive delle specie
viventi. Infatti gli enzimi , coenzini e ribozimi , marcatori
molecolari ed indicatori e segnali di informazione biologica…,
regolano efficacemente la espressione genetica delle proteine ed in
seguito controllano anche a degradazione programmata delle sequenze
specifiche dei costituenti proteici all’ interno di ogni attivita’
metabolica di ogni cellula appartenente ad un qualsiasi organismo
vivente.
Cosi ad es. similmente a cio che
abbiamo precedentemente descritto in proposito della attivita’
catalitica del Platino nel facilitare una semplice reazione chimica
inorganica, le proteine della famiglia “Argonauta” ospitano entro la
loro struttura elicoidale degli enzimi specifici detti “siRNA” (short
interferencing Ribo Nucleic Acid) . Nel sito attivo della proteina
Argonauta il “dsRNA” indicizza il punto esatto in cui una molecola di
“RNA messaggero” ( mRNA ) viene tagliata con esattezza mediante un
processo di idrolisi, ( letteralmente”idrolisi” significa tagliare con
l’ acqua), come e’ necessario perche’ l’ mRNA possa esplicare la
importantissima funzione di trasporto dell’informazione di ogni
singolo gene. Un altro esempio di azione di informazione non casuale
lo fornisce l’ Ubiquitina , una molecola proteica che agisce da
mediatore catalitico della degradazione delle proteine; quest’ ultima
viene realizzata da particolari insiemi proteici detti : “proteasomi”.
L’ Ubiquitina e detta cosi perche’ si trova in abbondanza
distribuita entro ogni cellula eucariotica (cioe’ contenente il DNA in
un nucleo centrale); la funzione della Ubiquitina e’ quella del
riconoscimento molecolare, che esplica associandosi alle proteine che
hanno perduto la loro funzionalità strutturale nei processi anabolici,
ed agendo da indicatore catalitico del controllo di qualità del
processo catabolico, regola la necessaria degradazione delle proteine
in un sistema che similare al “Quorum Sensing” ,
precedentemente considerato.
Da tali considerazioni si denota come
lo stato funzionale degli enzimi catalitici nella evoluzione dei
sistemi viventi viene a possedere una sempre piu’ elevata efficienza
specifica orientata dal “Principio di Fertilità Evolutiva”
, generando una complessa elaborazione di sistemi complementari e
condivisi che agiscono da indicatori delle necessarie codificazioni di
controllo della reattività biologica, proprio al fine di realizzare
una sempre piu’ sicura difesa dei sistemi viventi dalle mutazioni
provocate da agenti patogeni nonche’ da sistematiche variazioni
ambientali.
Infine e’ notevole considerare come
nella evoluzione delle attivita’ cerebrali degli organismi viventi,
gli stessi “neuro-trasmettitori” agiscano in termini di funzioni e
strategie catalitiche del metabolismo neuronale. E’ quindi utile
riflettere sul fatto che, mentre le attivita catalitiche’ dell’
organismo, essenziali per regolare la biosintesi proteica, possono
dimostrare un basso grado di diversita’ nella evoluzione delle singole
specie viventi, cosi come lo stesso patrimonio genetico, che informa
la costruzione di organismi pluri-cellulari, puo’ avere molteplici
similitudini nella struttura dei geni appartenentio a specie diverse,
altresi’ una evidente differenziazione tra le specie viventi dotate di
un cervello, viene a caratterizzarsi nell’ ambito dello sviluppo
delle attivita’ della neuro-trasmissione di informazione del sistema
nervoso centrale di ciascuna specie . Sappiamo infatti che l’
organizzazione del cervello non e’ semplicemente funzione determinata
dal numero dei geni di ciascuna specie, poiche’ il sistema di
apprendimento assume un sostanziale carattere “epigenetico”; quindi
possiamo osservare come ogni sistema di comunicazione di informazione
cerebrale sia grandemente differenziato in ogni specie ed in ciascun
individuo , proprio in quanto il sistema di comunicazione bio-chimica
cerebrale viene ad essere funzionale alla differenziazione delle
strategie catalitiche del metabolismo, che attivano la efficacia
comunicativa della neuro trasmissione, finalizzata a potenziare
evolutivamente i processi cognitivi di significazione della
informazione.
Infine, aprendo in
questo convegno ON-NS “2” con questa relazione ritengo che una ampia
riflessione sul tema : BIO-INFORMAZIONE, sara’ decisamente importante,
affrontare la tematica della evoluzione cerebrale, sviluppata
recentemente dalle scienze neurologiche, per integrarla in una moderna
cultura scientifica tale che possa divenire la base di una rilevante
INNOVAZIONE COGNITIVA DELLA SCIENZA CONTEMPORANEA.
BIBLIO-ONLINE:
Capire la Chimica:
http://www.cronologia.it/chimic.htm
Reazioni chimiche e cosmologia:
http://www.ecplanet.com/canale/varie-5/eventi-121/1/0/14555/it/ecplanet.rxdf
Studio dei Processi Metabolici
della Alimentazione:
https://www.edscuola.it/archivio/lre/metabol.html
;
http://www.eat-online.net/italian/education/eat_intro.htm
Le Tracce del Tempo:
http://www.ecplanet.com/canale/scienza-1/ricerche-21/0/0/15255/it/ecplanet.rxdf
Principio di Fertilità Evolutiva:
http://www.edscuola.com/archivio/lre/science.html
Prioni replicanti e memoria:
http://www.descrittiva.it/calip/dna/basi_proteiche_replicanti.PDF
Pictures of Enzimes
:
http://www.biochem.szote.u-szeged.hu/astrojan/prot2t.htm
Legame Peptidico:
http://www.med.unibs.it/chimica/P6-Legame-pept-Str-II.pdf
Anmated Molecular
Biology:
http://www.sumanasinc.com/webcontent/anisamples/molecularbiology/molecularbiology.html
Ubiquitina:
http://www.itisnatta.it/chimica/mol_mese_2004/12_Ubiquitina/Ubiquitina_1_ita.htm
