Reazioni metaboliche: beta-ossidazione

Le reazioni metaboliche prevedono la rottura di un legame carbonio-carbonio e sono accomunate dal fatto di essere catalizzate da enzimi; in molte di tali reazioni vi è una stretta connessione con le reazioni tipiche della chimica organica.

In particolare le reazioni che prevedono la rottura di un legame carbonio-carbonio non sono altro che le reazioni inverse della condensazione aldolica e della condensazione di Claisen la cui forza trainante è la generazione del legame carbonilico.

Le reazioni metaboliche forniscono energia all’organismo in processi a più fasi in cui i metaboliti vengono ossidati. Pertanto, gli organismi richiedono sia agenti ossidanti che riducenti. Inoltre, poiché nella degradazione ossidativa e nella biosintesi riduttiva si verificano così tante reazioni diverse , questi agenti ossidanti e riducenti devono avere un ampio intervallo di reattività.

Gli enzimi catalizzano quasi tutte le reazioni metaboliche nelle cellule esistenti accelerando le reazioni fino a 20 ordini di grandezza, prevenendo le reazioni collaterali degli intermedi reattivi e catalizzano reazioni stereoselettive e stereospecifiche.

beta-ossidazione e reazioni metaboliche

Consideriamo un processo catabolico ovvero un processo in cui molecole grandi vengono ossidate e si rompono dando luogo alla formazione di molecole più piccole oltre che ad energia.

Il processo  considerato è la beta-ossidazione in cui la molecola di un acido grasso è rotta con formazione di acetato. Si noti che l’acetato è la base coniugata dell’acido acetico che a pH neutro è prevalente rispetto all’acido acetico. La reazione è la seguente:

CH₃(CH₂)₁₆COO^– → CH₃(CH₂)₁₄COO^–  + CH₃COO^–

In questo processo due atomi di carbonio sono allontanati dall’acido grasso con rottura del legame tra il carbonio α e il carbonio β. Il carbonio γ è presente nel prodotto come acido carbossilico che presenta, rispetto all’acido grasso di partenza due atomi di carbonio in meno; a sua volta il prodotto della reazione può subire un’altra β-ossidazione per dare acetato e un composto con altri due atomi di carbonio in meno.

Prima che abbia inizio il ciclo delle β-ossidazioni l’acido grasso viene esterificato con il gruppo –SH dell’acetil-coenzima A secondo lo schema generale:

CH₃(CH₂)₁₆COOSCoA → CH₃(CH₂)₁₄COOSCoA + CH₃COOSCoA

Il primo stadio della reazione prevede una ossidazione con conseguente  rimozione di due atomi di idrogeno rispettivamente in α e in β con formazione di un doppio legame. L’agente ossidante è il FAD ( flavina adenina dinucleotide) che si trasforma in FADH₂:

CH₃(CH₂)₁₆COOSCoA → CH₃(CH₂)₁₄ CH=CHCOOSCoA

Il secondo stadio prevede l’addizione di acqua al doppio legame formatosi, analogamente a quanto avviene negli alcheni; poiché il carbonio in α al gruppo carbonilico ha carattere nucleofilo ad esso si addiziona lo ione H⁺ mentre al carbonio in β si addiziona l’ossigeno dell’acqua:

CH₃(CH₂)₁₄ CH=CHCOOSCoA  → CH₃(CH₂)₁₄ CH(OH)CH₂COOSCoA

con formazione di un alcol secondario.

Nelle reazioni organiche l’ossidazione di un alcol secondario porta a un chetone ed in genere l’agente ossidante è il cromo (IV); in questa reazione biochimica l’agente ossidante è il NAD⁺ (nicotinammide adenina dinucleotide) che, a seguito della rimozione dell’idrogeno legato all’ossigeno del gruppo –OH si trasforma in NADH:

CH₃(CH₂)₁₄ CH(OH)CH₂COOSCoA → CH₃(CH₂)₁₄ COCH₂COOSCoA

L’ultimo stadio è costituito dalla  rottura del legame tra il carbonio in β e il gruppo carbonilico :

CH₃(CH₂)₁₄ COCH₂COOSCoA  → CH₃(CH₂)₁₄COO^–  + CH₃COO^–

Quest’ultimo stadio è identico all’inverso della condensazione di Claisen .

L’acetil-coenzima A formato è poi ossidato a CO₂ mentre l’NADH e il FADH₂ formati partecipano alla fosforilazione ossidativa che porta alla formazione di ATP (adenosin trifosfato).