Le ossidazioni biologiche: tipi e meccanismi

Le ossidazioni biologiche sono reazioni che producono energia nelle cellule viventi e sono accoppiate con una reazione di riduzione

Quando si considera a una reazione di combustione si pensa ad un processo in cui una sostanza reagisce con l’ossigeno con liberazione di una grande quantità di energia. Ad esempio, nel caso della reazione di combustione del glucosio, si ha:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂→ 6 CO₂ + 6 H₂O      ΔG = – 2867.5 Kj/mol

Anche negli esseri viventi la demolizione completa del glucosio a CO₂ e H₂O comporta un analogo consumo di ossigeno.

In effetti, tutti gli organismi che respirano usano l’ossigeno per ossidare le molecole come il glucosio che ricavano dagli alimenti. Tuttavia, un’ossidazione diretta del glucosio, e delle altre sostanze, con l’ossigeno non sarebbe conveniente. Infatti, in tal caso, si verificherebbe il passaggio, in un’unica tappa, del carbonio e dell’idrogeno che compongono il glucosio al loro stato di massima ossidazione: rispettivamente CO₂ e H₂O, con liberazione rapida e tutta in una volta di una notevole quantità di energia.

Questo, ricorrendo ad un’analogia, sarebbe come accendere una volta al giorno un enorme falò per mantenere calda una casa; invece dell’apporto moderato e continuo che effettivamente serve, si avrebbe la liberazione di troppa energia in breve tempo.

Meccanismo delle ossidazioni biologiche

Per questo motivo, le “combustioni” o ossidazioni biologiche non sono in genere dirette e totali con l’ossigeno, ma sono una serie di deidrogenazioni. Nel corso di esse con l’intervento di opportuni enzimi, ioni H⁺ e elettroni sono via via staccati dagli atomi di carbonio del metabolita da ossidare. Sono poi e caricati su molecole come il NAD (nicotinammide-adenin-dinucleotide) e il FAD ( flavina-adenin-dinucleotide)  che fungono da trasportatori. Le loro strutture si possono vedere in figura:

In particolare il NAD passa dalla forma ossidata NAD⁺ alla forma ridotta NADH secondo la reazione mostrata in figura:

Riduzione del NAD⁺

Risulta chiaro che, dei due atomi di idrogeno rimossi dal metabolita che subisce l’ossidazione, la riduzione del NAD⁺ comporta il trasferimento di un solo nucleo di idrogeno, ma di entrambi gli elettroni, mentre il secondo nucleo di idrogeno si libera come ione H⁺ nel mezzo acquoso. La precedente reazione può essere rappresentata più semplicemente così:

NAD⁺ + 2 H∙ → NADH + H⁺

Ossidazione del NAD⁺

Mentre l’ossidazione del metabolita ad opera del NAD⁺ può essere rappresentata dalle due semireazioni:

NAD⁺→NADH ( riduzione: acquisto di idrogeno)

MH₂→M ( ossidazione: perdita di idrogeno)

Dove con MH₂ è stata indicata la molecola di metabolita prima dell’ossidazione e con M il nuovo metabolita che risulta da tale ossidazione.

Possiamo osservare che anche in questo caso si ha un accoppiamento tra una reazione esoergonica (l’ossidazione del metabolita) e una reazione endoergonica (la riduzione del NAD⁺ a NADH). Pertanto , il NADH è una molecola ad elevata energia mentre il NAD⁺ è una molecola a bassa energia.

Una cosa del tutto analoga si può dire per il FAD la cui forma ridotta è FADH₂: infatti il FAD, ella sua forma ossidata accetta due elettroni e due protoni passando a FADH₂ ovvero passando dalla forma chinonica a quella idrochinonica come si può vedere in figura:

Il NAD⁺ e il FAD operano, infatti,  in maniera ciclica, e sono alternativamente ridotti e ossidati, raccordando tra loro reazioni endoergoniche e esoergoniche.

Questo comportamento ricorda quello dell’ATP ma, a differenza dell’ATP, che è un trasportatore di energia di impiego generale, il NAD⁺ e il FAD hanno compiti molto più specifici. In particolare, negli organismi che respirano ossigeno, essi convogliano l’energia liberata dalle reazioni di deidrogenazione verso il principale sistema di produzione dell’ATP. Infatti Le ossidazioni biologiche, utilizzano più stadi o processi di ossidazione per produrre grandi quantità di energia utilizzata per sintetizzare ATP

Infatti le molecole ridotte di NADH e FADH₂ che si formano nelle varie reazioni di deidrogenazione del glucosio e delle altre sostanze sono riossidate e rimesse in ciclo nella fase finale del processo di ossidazione: attraverso un opportuno sistema, gli elettroni e gli ioni H⁺ da esse trasportati verranno scaricati sull’ultimo accettore, l’ossigeno, e, contemporaneamente, l’energia liberata verrà utilizzata per produrre ATP.