OSSIDAZIONI biologiche

OSSIDAZIONI biologiche

Nei processi biologici, in genere, l'ossidazione di una sostanza s'accompagna alla riduzione di un'altra, per cui si tratta di fenomeni di ossidoriduzione, e l'ossidazione consiste nella sottrazione di idrogeno che, in ultima analisi, deve combinarsi con l'ossigeno atmosferico: l'ossigeno non è destinato quindi ad ossidare il carbonio ma l'idrogeno, e il prodotto finale dell'ossidazione è l'acqua, non l'anidride carbonica. L'ossigeno dell'anidride carbonica, che si forma nei processi ossidativi, deriva in parte da quello già contenuto nella molecola che si ossida, in parte da quello di molecole d'acqua introdotte nei substrati, mano a mano che l'idrogeno viene ad essi sottratto. Difatti le ossidazioni biologiche consistono in processi alternati di deidrogenazione e idratazione, come p. e.:

Il passaggio dell'idrogeno dal substrato all'ossigeno non avviene direttamente, bensì attraverso una serie più o meno lunga di enzimi, capaci di ridursi ed ossidarsi reversibilmente. Tale passaggio è condizionato dal 2° principio di termodinamica, ed avviene cioè con diminuzione dell'energia libera del sistema. L'idrogeno (o l'elettrone) infatti passa a sostanze con potenziale di ossidoriduzione sempre più alto, cioè con capacità ad ossidare sempre maggiore, e quindi con crescente forza di attrazione nella propria orbita per gli elettroni. Essendo d'altra parte la variazione di energia libera proporzionale al potenziale normale di ossidoriduzione (ΔF- nFEo volt), l'energia richiesta per il processo di deidrogenazione è minore di quella liberata nell'idrogenazione, per cui la migrazione dell'idrogeno dal substrato fino all'ossigeno procede con graduale liberazione di energia. La legge di termodinamica sarebbe, evidentemente, rispettata anche se l'idrogeno passasse direttamente dal substrato all'ossigeno, ma l'ossidazione negli organismi viventi avviene gradualmente, attraverso tutta una serie di enzimi, e la via che l'idrogeno deve percorrere è determinata dalla stretta specificità degli enzimi per il donatore e per l'accettore.

Questi enzimi deidrogenanti, detti deidrasi, prendono l'idrogeno dal substrato (primarie), o da altri enzimi (secondarie); e lo dànno ad enzimi flavinici (flavotrope), al citocromo (citocromotrope), all'ossigeno (ossitrope). Le deidrasi sono costituite da un apoenzima di natura proteica, che ne caratterizza la specificità, e da un coenzima che rappresenta il gruppo attivo capace di ridursi ed ossidarsi. Tale gruppo è molto spesso conosciuto dal punto di vista chimico e nella sua costituzione entrano a far parte vitamine idrosolubili. Secondo la natura del gruppo attivo le deidrasi si possono dividere in 1) piridiniche, 2) flaviniche, 3) con metallo pesante, 4) tiaminiche, 5) non dissociate.

1) Deidrasi piridiniche. - Il nucleo prostetico è rappresentato dal dinucleotide adeninpiridinico, e si conoscono due di tali nucleotidi: la cozimasi o codeidrasi I (CoI) o difosfopiridinnucleotide (formula 1), e la codeidrasi II (CoII) o trifosfopiridinnucleotide con una terza molecola di ac. fosforico inserita tra le due delle CoI. Il gruppo attivo è rappresentato dalla nicotinamide, il cui N passa a trivalente quando di due atomi di idrogeno uno si addiziona al carbonio 2 della nicotinamide, l'altro dà H+ all'anione fosforico e l'elettrone (ε) all'azoto, con scomparsa del doppio legame 1-2.

Le deidrasi piridiniche sono primarie flavotrope, in quanto trasportano l'idrogeno dal substrato alle deidrasi flaviniche.

2) Deidrasi flaviniche. - Il nucleo prostetico è rappresentato dal dinucleotide adeninisoallosazinico o dal mononucleotide isoallosazinico.

Il gruppo attivo è rappresentato dall'isoallosazina, che può addizionare due atomi di idrogeno agli azoti 1 e 5, che rimangono trivalenti mentre i doppî legami si spostano:

Gli enzimi flavinici possono essere ossitropi (primarî o secondarî) e in questo caso provocano la formazione di H₂O₂, oppure secondarî citocromotropi (diaforasi).

3) Deidrasi con metalli pesanti. - Il nucleo prostetico è rappresentato da complessi eminici o da complessi non ben definiti e contenenti rame. Complessi eminici formano infatti il nucleo prostetico del sistema citocromico formato dai citocromi (a, b e c) e dalla citocromossidasi. Il sistema citocromico non trasporta idrogeno, bensì elettroni mediante un cambiamento di valenza del metallo:

4) Deidrasi tiaminiche. - La piruvico-deidrasi che catalizza la reazione:

ha per coenzima l'estere pirofosforico della vitamina B₁ (tiamina).

5) Deidrasi indissociate. - Di alcuni enzimi, quale la succinodeidrasi, non si è riusciti a separare il gruppo attivo né si conosce l'accettore. Il trasporto dell'idrogeno può essere schematizzato così:

dove XH2 è il substrato ridotto (da ossidare), X lo stesso ossidato, EPH₂ l'enzima piridinico ridotto ed EP quello ossidato, EFH₂ l'enzima flavinico ridotto ed EF quello ossidato, C_εε il citocromo ridotto e C quello ossidato, C_εε la citocromossidasi ridotta e Co quella ossidata. Come risulta dalle frecce affiancate, mentre una sostanza si ossida, un'altra si riduce, e così l'idrogeno viene trasportato dal substrato fino agli enzimi flavinici. Da questo punto in poi non migra più l'intero atomo di idrogeno ma questo rimane idrogenione, mentre il suo elettrone continua la migrazione verso l'ossigeno. Quest'ultimo, quando viene attivato dagli elettroni, si combina con gli idrogenioni dando luogo alla formazione di acqua.

Va ricordato inoltre che nella sua migrazione dal substrato all'ossigeno, l'idrogeno può seguire una via molto più breve di quella schematizzata (si pensi agli enzimi primarî ossitropi), ma anche vie più lunghe, in cui s'intercalano altri sistemi di ossido-riduzione come p. es. il sistema succinico (ac. succinico-fumarico), e quello ossalacetico (ac. malico-ossalacetico).

Spesso i processi di ossidazione si accompagnano a quelli di fosforilazione, con formazione di composti fosforati con legami ricchi di energia:

Il radicale fosforico viene quindi trasportato all'ac. adenilico (ad), ed è stato trovato che l'energia liberata durante il trasporto di 2 atomi di idrogeno da un substrato all'ossigeno (ca. 57 Cal) permette il crearsi di 3 legami fosforici ricchi di energia (12 × 3 − 36 Cal):

Anche la decarbossilazione ossidativa può essere associata alla fosforilazione come p. es. nei seguenti schemi:

Molti altri enzimi (detti ausiliarî delle ossidazioni) di natura diversa e con diverse funzioni intervengono indirettamente nei processi ossidativi.

Così p. e. catalasi e perossidasi che scindono l'H₂O₂ derivante dal trasporto d'idrogeno atomico all'ossigeno molecolare ad opera delle deidrasi flaviniche ossitrope; idratasi che introduce in una sostanza gli elementi dell'acqua, decarbossilasi e numerosi altri.

Bibl.: G. Quagliariello, Lezioni di chimica biologica, Napoli 1946; F. Lipmann, in Currents in Biochemical Research, Interscience, New York 1946, p. 137; S. Ochoa, ibidem, p. 165; L. Michaelis, ibidem, p. 207.