Metoda racemizarii aminoacizilor (TRAA)

Metoda racemizarii aminoacizilor (TRAA)

Proteinele care stau la baza materiei organice, vii, sunt compuse, la randul lor, dintr-o serie de aminoacizi (in jur de 20 la numar). Acestia prezinta anumite structuri si compozitii care le permit sa se pastreze nealterati anumite perioade de timp, chiar si dupa incetarea vietii organismului din care au facut parte. Instabilitatea lor, respectiv transformarea lor treptata in alti compusi (racemizarea), este diferita de la caz la caz - diferenta ce se traduce prin durate specifice de rezistenta pentru fiecare dintre acestia - dovedindu-se a fi o posibila proprietate ("ceasuri biologice", pe baza careia poate fi determinata varsta fosilelor). O recunoastere preliminara, mai mult principiala a acestei metode de aflare avarstei unor fosile a aparut in bibliografia de specialitate inca de la jumatatea secolului trecut (Abelson 1955). Cel care a promovat cel mai eficient metoda de datare bazata pe analiza gradului de racemizare a aminoacizilor ramane insa Jeffrey Bada. Principiul fundamental al metodei poate fi formulat astfel: in timpul vietii organismele vii produc molecule cu arhitectura stanga, proces ce inceteaza in momentul mortii, cand acestea incep sa se transforme in celule cu arhitectura dreapta. Pentru aflarea varstei unei fosile este necesara cunoasterea vitezei (ratei) de racemizare a aminoacizilor ce intra in compozitia ei. Inca de la inceput metoda s-a confruntat cu probleme teoretice si tehnologice, in sensul ca s-a constatat ca influenta conditiilor de conservare este mult mai importanta decat cea a varstei materielului ce urmeaza a fi studiat. S-a ajuns la concluzia ca numai o reactie de degradare relativ lenta, care sa ramana putin sensibila la conditiile mediului chimic, poate sa die utilizata in paleocronologie.

Investigarea, in ultimii 30 de ani, a aminoacizilor prezenti in structura fosilelor, a scos in evidenta faptul ca rezidurile acestora pot persista perioade deosebit de lungi, mai precis din epoci geologice indepartate, incepand din epoca Phanerozoica. Modelele structurale (arhitecturale) aminoacizilor dintr-o fosila data prezinta o anumita asimetrie in structura lor, care se schimba odata cu trecerea timpului - datorita diferentelor de stabilitate specifice celor 20 de aminoacizi din care sunt compuse proteinele - si ca rata de transformare a formelor aminoacide cu "arhitectura dreapta" in cele cu "arhitectura stanga" (rata D/L), creste odata cu varsta, de la "zero" in cazul proteinelor organismelor vii la ratele care sunt caracteristice aminoacizilor similari produsi pe cale sintetica (rate de racemizare). Moleculele de aminoacizi din cadrul fiintelor vii sunt numite levogire, ele deviind lumina spre stanga (conform structurii lor), ele tind sa evolueze in urma mortii spre spre o structura neutra optic, prin racemizare. Starea de echilibru este cea spre care tin de materia animala sau vegetala fosilizata. Aceasta inseamna ca, dupa moartea animalului un anumit numar de molecule vor deveni dextrogire, pana la atingerea unui echilibru, care reprezinta starea de racemizare sau de amestec. In principal, rata acestor transformari este conditionata de timp, insa in proces intervin si alti factori. Numai daca se tine cont de actiunea disturbanta a acestora poete fi calculata varsta fosilei analizate, prin masurarea raportului dintre moleculele levogire si dextrogire. Viteza (ritmul) de racemizare difera in cazul fiecarui aminoacid. Astfel, daca rizorcina are o viteza de racemizare de 100.000 de ani, acidul aspartic are o viteza de 5.700 ani, la o temperatura medie de 20^oC, motiv pentru care acesta din urma este cel mai frecvent utilizat pentru datarile prin aceasta metoda.

Posibilitatile privind utilizarea acestor caracteristici ca mijloace de determinare a varstei fosilei sunt afectate de catre variatiile tipurilor de aminoacizi, specifici organismelor vii apartinand aceleiasi specii si de catre dependenta critica a probabilitatii racemizarii pentru o molecula de aminoacid: temperatura, concentratia de apa, alcalinitatea ambientului, asocierea cu alte molecule (in stadiu liber sau ca si componenta a unei macromolecule) dimensiunea macromoleculei din care ar face parte, locatia specifica in cadrul structurii macromolecului, efectul catalitic al suprafetelor argilei cu care ar putea fi asociat, prezenta aldehidelor si a ionilor metalici, concentratia compusilor amortizori din mediul inconjurator si forta ionilor prezenti in cadrul ambientului.

In ciuda acestor complicatii, fosilele cu caracteristici similare si care au trecut prin conditii similare de pastrare pot fi plasate, localizate pe o secventa relativa de determinare a varstei pe baza ratelor de racemizare (D/L). Datorita puternicei dependente a ratelor de racemizare de diferiti factori cum ar fi: temperatura, concentratia apei si alcalinitatea (Ph-ul); incertitudinile privind conditiile de prezervare lasa deschisa problema relatiilor varstei obtinute pe baze amino-acide chiar si intre fosile similare. Cresterea temperaturii are ca efect, de exemplu, intensificarea vitezei de racemizare. Este astfel necesara o evaluare precisa si cat se poate de exacta a temperaturii pentru extrapolarea unei constante a vitezei de racemizare. O eroare de un grad in aprecierea temperaturii poate atrage o eroare de 20% in precizarea acestei constante. In situatia in care, pentru fosilele din anumite depozite arheologice nu se poate preciza temperatura medie in care s-au pastrat, singura solutie este aceea de a incerca obtinerea unei calibrari printr-o metoda, cum ar fi de exemplu cea a C₁₄. in cazul unor structuri geologice si pedologice (cele ce au suferit fluctuatii de temperatura interglaciare si glaciare, sedimentele marine, cele holocene), temperatura medie a zacamantului poate fi relativ facil de stabilit.

Prezenta (sau absenta) apei se poate constitui, la randul ei, ca important factor ce poate influenta procesele de racemizare a aminoacizilor. Hidroliza, racemizarea si levigarea afecteaza proteinele si aminoacizii. Oasele fosile includ in compozitia lor suficienta apa (5-10%) pentru a facilita sau chiar accelera racemizarea. Atunci cand oasele sunt uscate la peste 100%, racemizarea scade profund, pentru ca la 157% sa inceteze complet! Prezenta apei antreneaza insa si hidroliza proteinelor, ceea ce are ca rezultat o anumita cantitate de aminoacizi liberi. In cazul aminoacizilor liberi viteza de racemizare este mai mare decat in cazul celor incorporati, fapt ce poate afecta, la randul sau, calculele realizate pentru datari, prin modificarea procentului global al racemizarii.

In ceea ce priveste Ph-ul, s-a constatat ca la o valoare a sa intre 5-8 si o temperatura de 25^oC, racemizarea este independenta de valoarea Ph.

In momentul de fata nu se dispune de cunostinte suficiente privind valoarea medie a unei rate de racemizare din cadrul unei fosile in functie de timpul scurs, pentru a justifica dependenta de ratele D/L pentru o determinare cantitativa a varstei. Pastrarea aminoacizilor din fosile incepand cu era Paleozoica si tendinta catre acceptarea unei rate constante (aparente) de racemizare, care descreste odata cu varsta conventionala desemnata a fosilei, ridica o serie de probleme si intrebari cu privire la precizia (finetea, acuratetea) cu care data varstei radioizotopului a fost utilizata pentru reprezentarea unui timp real a "istoriei" unei fosile.

Metoda este cel mai adesea folosita pentru datarea oaselor fosile. Structura lor protejeaza colagenul de variatiile Ph-ului si de umiditate. Pentru datare sunt suficiente cateva grame de os (10g). Pot fi obtinute date cuprinse intre 400 si 110.000 ani. S-a utilizat aceasta metoda in datarea celor mai vechi fosile umene din America de Nord, in datarea unor sedimente marine, pe coprolite si carbuni

Trebuie avuta in vedere, si in cazul acestei metode, siguranta pastrarii puritatii esantionului. S-a reusit izolarea hicoxiprolinei, aceasta existand doar in colagenul oaselor, astfel incat riscurile de contaminare au fost reduse la zero. Intrucat viteza de racemizare variaza in functie de temperatura, trebuie determinata viteza ratei medii de racemizare a aminoacidului respectiv in locul de unde provine esantionul, pe baza curbelor paleoclimatice, stabilite, deocamdata, doar pentru sedimentele marine profunde, unde se acumuleaza izotopii de oxigen. In lipsa acestor observatii se introduc parametrii locali in curbele paleoclimatice. Rezultatele trebuie privite insa cu prudenta.

Bibliografie suplimentara:

         Bada, Jeffrey L. 1981. Racemization of amino acids in fossil bones and teeth from the Olduvai Gorge region Tanzania, East Africa, in Earth and Planetary Science Letters 55:292-298.

         Bada, Jeffrey L. and Lydia Deems. 1975. Accuracy of dates beyond the ¹⁴C dating limit using the aspartic acid racemization reaction, in Nature 255:218, 219.

         Bada, Jeffrey L. and Roy A. Schroeder. 1972. Racemization of isoleucine in calcareous marine sediments: kinetics and mechanism in Earth and Planetary Science Letters 15:1-11.

         Bada, J. L., R. Gillespie, J. A. J. Gowlett, and R. E. M. Hedges. 1984. Accelerator mass spectrometry radiocarbon ages of amino acid extracts from California palaeoindian skeletons. in Nature 312:442-443.

         King, Kenneth, Jr., and Jeffrey L. Bada. 1979. Effect of in situ leaching on amino acid racemisation rate in fossil bones, in Nature 281:135-137.

         Lee, Cindy, Jeffrey L. Bada, and Etta Peterson. 1976. Amino acids in modern and fossil woods, in Nature 259:183-186.

         Weiner, Stephen, Zina Kustanovich, Emanuel Gil-Av, and Wolfie Traub. 1980. Dead Sea Scroll parchments: unfolding of the collagen molecules and racemization of aspartic acid, in Nature 287:820-823.