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Reg. Tribunale Lecce n. 662 del 01.07.1997
Direttore responsabile: Dario Cillo


 

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:

 http://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


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