Le reazioni metaboliche sono molteplici e 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.
Le reazioni metaboliche forniscono energia all’organismo in processi che avvengono in più stadi.
β-ossidazione
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 β-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).
