zona3
zona5-zona6

Piccole molecole che aiutano gli enzimi: dai coenzimi ossidoriduttivi alle amminotransferasi (2° parte)

Print Friendly, PDF & Email

di Sergio Barocci

Continua dall’articolo dello stesso Autore:
” Coenzimi: i cofattori coinvolti nelle reazioni metaboliche (1° parte)

I coenzimi ossidoriduttivi sono coenzimi che prendono parte a reazioni redox in processi biochimici.  I principali sono:

1.   Nicotinammide adenindinucleotide (NAD+/NADH,H+) (Fig.2)
2.   Nicotinammide adenindinucleotidefosfato (NADP+/NADPH,H+)
3.   Flavin adenina dinucleotide (FAD/FADH2)

Tabella concentrazioni vitamina PP o B3 in alcuni alimentiNAD

Il NAD+ o nicotinammide adenin dinucleotide , è un coenzima presente in tutte viventi cellule.  E’ formato da due nucleotidi legati insieme tramite i loro gruppi fosforici in cui il nucleotide presenta la base azotata adenina mentre l’altro nucleotide presenta la nicotinammide (l’amimide dell’acido nicotico o niacina o Vitamina PP o Vitamina B3 (Fig.12).

Il coenzima NAD+ è stato scoperto dai biochimici britannici Arthur Harden e William Youndin nel 1906.  Essi avevano notato che l’aggiunta di bollito e lievito filtrato acceleravano la fermentazione alcolica in estratti di lievito non bollito.  Il fattore identificato e responsabile di questo effetto venne denominato coferment.  Attraverso una lunga e difficile purificazione da estratti di lievito, questo fattore termostabile venne identificato da Hans von Euler-Chelpin come nucleotide fosfato e nel 1936, Otto Heinrich Warburg dimostrò la funzione del coenzima nucleotide nelle reazioni Redox.

I due nucleotidi che costituiscono la molecola del NAD

Fig. 12 – I due nucleotidi che costituiscono la molecola del NAD

Per esempio alcuni processi biochimici come la glicolisi o via di Embden – Meyerof (processo metabolico in condizioni di anaerobiosi dove una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di acido piruvico al fine di generare molecole a più alta energia, come 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH per ogni molecola di glucosio utilizzata) o la - ossidazione degli acidi grassi ( processo metabolico che avviene nei mitocondri e che consente di degradare gli acidi grassi con produzione di acetil-CoA), il NAD + (ricevendo gli elettroni trasferiti dagli enzimi) si trasforma in NADH che successivamente trasferirà gli elettroni ossidandosi nuovamente a NAD +. Questo processo avviene in modo particolare durante la fosforilazione ossidativa per mezzo della catena respiratoria di trasporto degli elettroni che viene accoppiata alla produzione di ATP.

ossidoriduzione del NAD+ NADH

Come già riferito sopra il NAD è quindi un coenzima ossidoriduttivo. Infatti, sia il NAD+ che il suo analogo fosforilato NADP+ (sono le forme ossidate) possono essere ridotti a NADH e NADPH. Il NADP+ differisce dal NAD+ per la presenza di un gruppo fosfato sul carbonio 2 del riboso che porta l’adenina e ha diversi ruoli nel metabolismo (via dei pentosi fosfato o dello Shunt dell’Esosomonofosfato è un processo metabolico citoplasmatico, parallelo alla glicolisi, in grado di generare NADPH e zuccheri pentosi a 5 atomi di carbonio). Nel metabolismo, durante le reazioni Redox, un composto come il NAD può accettare o donare elettroni (e-).  In queste reazioni si ha la rimozione di due atomi di idrogeno dal reagente R nella forma di uno ione idruro H – e di un protone H + . Il protone viene poi rilasciato in soluzione mentre l’agente riducente RH2 viene ossidato e il NAD + in NADH ridotto dal trasferimento dello ione idruro all’anello della nicotinamide. Sulla nicotinamide è presente il sito di riduzione reversibile (il C4 dell’anello piridinico è il centro reattivo) e l’azoto N quaternario agisce come “trappola di elettroni”.

RH2 + NAD+ → NADH + H+ + R
Quando un composto si ossida, cede gli e ad uno che si riduce e il NAD è molto spesso colui che cede o acquista gli e- nelle reazioni biochimiche. L’addizione di uno ione idruro a un anello piridinico è alla base di molti processi riduttivi in ambiente biologico. E’ importante notare come i trasportatori di elettroni come NAD+, NADP+ , FMN e FAD partecipano alle Reazioni Redox trasferendo 2 elettroni alla volta.

ossidoriduzioni del NAD+ e del FAD

ossidoriduzioni del NAD+ e del FAD

Il NAD+ e il NADH quando si legano ad una proteina enzimatica come in alcune deidrogenasi , si tengono all’interno di un motivo strutturale noto come “piega di Rossmann” o “Rossmann fold” (Fig.13).  Il motivo prende il nome da questo scienziato per essere stato il primo a notare quanto sia comune questa struttura all’interno di “nucleotide-binding proteins o “proteine che legano nucleotidi”.  Questo tipo di piegatura con due ripetizioni comprende sei filamenti beta paralleli legati a due coppie di alfa eliche in ordine topologico beta-alfa-beta-alfa-beta (βαβαβ).  Tuttavia, questa piega non è universale tra gli enzimi NAD-dipendenti.

Un tipico esempio di Rosmann fold

Fig. 13 – Un tipico esempio di Rosmann fold

L’altro trasportatore di elettroni è il flavin adenin dinucleotide o FAD (Fig.14).  FAD e FADH2 sono le abbreviazioni usate per indicare la forma ossidata e la forma ridotta di questa molecola.  La parte reattiva del FAD è il sui anello isoallossazinico (Fig.14) e il FAD come il NAD può accettare 2 e.  Però, durante questa reazione a differenza del NAD+ acquista un protone e uno ione idruro.

 

FAD

Il FAD è un importante fattore ossidante del ciclo di Krebs.  Esso interviene nel trasporto degli elettroni nel processo biochimico chiamato “catena di trasporto degli elettroni “ È un coenzima ossidoriduttivo e partecipa a innumerevoli reazioni che comportano il trasferimento di elettroni. La molecola è costituita da tre anelli condensati che formano il cosiddetto il gruppo isoallosazinico della flavina, il quale è a sua volta legato al ribitolo (aldolo a cinque atomi di carbonio, ovvero il composto derivato dalla riduzione del ribosio) tramite l’atomo di azoto (N) dell’anello centrale. La molecola, se presenta il gruppo OH del carbonio in posizione 5, legato algruppo fosfato, prende il nome di Flavin Mono Nucleotide (FMN). Il gruppo fosfato, proviene dalla reazione della molecola con l’ATP, il quale libera un gruppo fosfato e forma così l’FMN. Se l’FMN, reagisce con un’altra molecola di ATP, quest’ultimo rilascia sia il nucleotide adeninico che il gruppo fosfato in α. Con questa reazione si forma il FAD. L’ultimo passo della produzione può essere anche il legame di un adenosin monofosfato con FMN. La forma ridotta della molecola FADH e FADH2 interviene in diverse reazioni biochimiche di trasporto degli elettroni e nella ossidazione degli acidi grassi.

Struttura della forma ossidata (FAD) e della forma ridotta  (FADH2)

Fig. 14 – Struttura della forma ossidata (FAD) e della forma ridotta (FADH2)

Infatti, gli atomi di idrogeno (H) possono essere uno o due, legati al gruppo isoallosazinico. Se all’anello c’è legato un solo atomo di idrogeno, allora prenderà il nome di FADH (radicale semichinonico).  Ques’atomo di idrogeno sarà legato all’azoto in posizione para sull’anello centrale del gruppo isoallosazinico ed il doppio legame presente nell’anello centrale scompare.  Se all’anello ci sono legati due atomi di idrogeno, allora prenderà il nome di FADH2. Questo secondo atomo di idrogeno sarà legato all’azoto in posizione para sull’anello terminale del gruppo isoallosazinico, ed il doppio legame presente nell’anello terminale scompare, formandosi invece un doppio legame tra l’anello centrale e quello terminale affinché le valenze dell’atomo di carbonio vengano rispettate.
Il NAD e il FAD sono dei coenzimi cioè dei non veri enzimi ma piuttosto delle molecole che aiutano altri enzimi . Se questi due coenzimi sono assenti , gli enzimi non funzionano più nel senso che viene persa la funzione di accettare e trasportare elettroni. Infatti, è grazie a questo processo che l’energia durante il catabolismo viene immagazzinata in modo controllato per le necessità cellulari.
Piridossalfosfato

struttura del piridossalfosfato o PALP

Fig. 3 – struttura del piridossalfosfato o PALP

Il Piridossalfosfato (PALP) (Fig.3) è un coenzima utilizzato dalle amminotransferasi e dalle carbossilasi. La catalisi avviene in due passaggi: nel primo viene catalizzata, ad esempio, la deaminazione degli amminoacidi ad -chetoacidi. Nel secondo passaggio il gruppo amminico estratto viene trasferito ad un altro -chetoacido ( meccanismo a due substrati detto “ping-pong-bi-bi “, di Wallace W. Cleland), che diventa così un amminoacido. Il piridossalfosfato viene rigenerato in questo caso sullo stesso enzima, anche in questo caso in due passaggi. Le stesse considerazioni valgono anche per la reazione di decarbossilazione, che prevede l’idrolisi dell’intermedio legato all’enzima.

Meccanismi di reazione a due substrati
Le reazioni a due substrati sono quasi sempre reazioni di trasferimento e coinvolgono due substrati (A e B) e formano due prodotti (P e Q) rappresentano circa il 60% delle reazioni biochimiche conosciute:

A + B  <=(enzima)=> P + Q

Chiamate anche bisubstrato in quanto l’enzima catalizza lo spostamento di un gruppo funzionale specifico X, da uno dei substrati all’altro:

P–X  +  B   <=(enzima)=>   P  +  B–X

oppure reazioni di ossido riduzione, in cui vengono trasferiti equivalenti riducenti tra i due substrati.   Il trasferimento può avvenire:

1.   tramite un singolo spostamento : reazioni sequenziali o a singolo spostamento
2.   tramite un doppio spostamento: reazioni ping pong o a doppio spostamento
Reazioni sequenziali sono quelle reazioni in cui tutti i substrati si devono legare all’enzima prima che avvenga la trasformazione chimica e che i prodotti vengano rilasciati.

reazione enzimatica ping-pong a tre stati

reazione enzimatica ping-pong a tre stati

Esse sono caratterizzate dal fatto che il gruppo che deve essere trasferito X viene spostato direttamente da A (=P—X) a B per formare P e Q (=B—X). Queste reazioni sono note anche come reazioni a singolo spostamento. Le reazioni sequenziali possono essere, inoltre, sottoclassificate sulla base dell’ordine di legame dei substrati all’enzima. Quelle che hanno un preciso ordine di ingresso dei substrati hanno un meccanismo ordinato mentre quelle che non presentano nessuna preferenza per l’ordine di legame dei substrati, possiedono un meccanismo casuale o random .
Nel meccanismo ordinato, il legame del primo substrato è apparentemente necessario per formare il sito di legame del secondo substrato, mentre nel meccanismo casuale o random , entrambi i siti di legame sono sempre presenti sull’enzima libero.

Meccanismo casuale o random:  si legano i due substrati e si staccano i due prodotti in vari ordini (come in molte chinasi e alcune deidrogenasi).

Meccanismo ordinato:  si legano i substrati S1 e S2 e si staccano i prodotti P1 e P2 in ordine (come in molte ossidoreduttasi NADP+ dipendenti).

Reazioni a ping pong:  sono meccanismi con cui uno o più prodotti vengono rilasciati prima che tutti i substrati si siano legati all’enzima.  In questo caso il gruppo X del primo substrato A (=P—X) viene rimosso dal substrato da parte dell’enzima E , si viene a formare il primo prodotto P e una forma enzimatica stabile F (= E—X) in cui X è saldamente legato (spesso covalentemente) all’enzima (fase ping). Nella seconda parte della reazione, X viene di nuovo spostato dall’enzima al secondo substrato B per formare il secondo prodotto Q (= B—X), rigenerando conseguentemente la forma originale dell’enzima E (fase pong). Queste reazioni sono pure chiamate reazioni a doppio spostamento (notare che in queste reazioni, i substrati A e B non si incontrano mai sulla superficie dell’enzima). Molti enzimi, come la chimotripsina, le aminotransferasi (transaminasi), le serin proteasi e alcune flavoproteine, reagiscono secondo questi meccanismi a ping pong.

schema di reazione di transaminazione

schema di reazione di transaminazione

LE AMMINOTANSFERASI


Le amminotransferasi o transaminasi rappresentano una sotto-sottoclasse di enzimi (classe delle transferasi) che catalizzano la reazione di trasferimento del gruppo amminico α da un amminoacido a un α-chetoacido.
Le transaminasi più conosciute sono rappresentate da:
A)   glutammato-ossalacetato transaminasi, GOT, detta anche aspartato aminotransferasi, AST (Fig.15)
B)    glutammato-piruvato transaminasi, GPT, detta anche alanina aminotransferasi, ALT.

Struttura dell’ Aspartato transaminasi  con Piridossalfosfato come cofattore

Fig. 15 – Struttura dell’ Aspartato transaminasi con Piridossalfosfato come cofattore

La reazione di transaminazione è la prima tappa del catabolismo degli amminoacidi e serve a inserire gruppi amminici verso l’ acido α-chetoglutarico al fine di trasformarlo in acido glutammico, il quale poi verrà sottoposto ad una reazione di deaminazione ossidativa (catalizzata dalla glutammato deidrogenasi) per formare uno ione ammonio che sarà successivamente utilizzato per generare l’ urea.
La reazione catalizzata dalle transaminasi è la seguente:

Amminoacido (1) + α-Chetoacido (1)     ⇔
    α-Chetoacido (2) + Amminoacido (2)

Nelle cellule esistono molti tipi di transaminasi le quali utilizzano α-chetoglutarato come accettore del gruppo amminico ma divergono tra loro per la specificità nei confronti dell’amminoacido utilizzato.  Le reazioni catalizzate da tali enzimi sono tutte facilmente reversibili.
Tutte le transaminasi utilizzano lo stesso gruppo prostetico costrituito dal piridossal fosfato, che è la forma coenzimatica della vitamina B6, quale trasportatore temporaneo del gruppo amminico.  Il piridossal fosfato è legato covalentemente, tramite un legame imminico (con formazione di una base di Schiff dal nome del chimico Hugo Joseph Schiff che le scoprì), con il gruppo amminico ε di un residuo di lisina, in assenza del substrato (l’amminoacido).

Struttura generale di una base di Schiff  dove R  rappresenta  una catena laterale  organica

Fig. 16 – Struttura generale di una base di Schiff dove R rappresenta una catena laterale organica

Quando arriva l’amminoacido il suo gruppo amminico α si sostituisce a quello ε della lisina.  La nuova base di Schiff ( Fig. 16) che si è creata rimane salda al sito attivo dell’enzima attraverso la formazione di legami multipli non covalenti.  Essa perde un protone dal carbonio α, formando un intermedio chinonoide, la cui riprotonazione determina la produzione di una chetimina che presenta un doppio legame tra il carbonio α e l’azoto del substrato legato.  Una successiva reazione di idrolisi determina il distacco di un α-chetoacido e la formazione di piridossammina fosfato.

Amminoacido (1) + Enzima-Piridossal fosfato    ⇔
   α-Chetoacido (1) + Enzima-Piridossammina fosfato

La seconda parte della reazione si svolge in modo diametralmente opposto: un α-chetoacido si lega alla piridossammina fosfato e successivamente si stacca un nuovo amminoacido e si rigenera il piridossal fosfato.

α-Chetoacido (2) + Enzima-Piridossammina fosfato   ⇔
   Amminoacido (2) + Enzima-Piridossal fosfato

 

COENZIMA A

Struttura generale  di una molecola di acil-coenzima A dove R rappresenta una catena alifatica ad n termini

Fig. 17 – Struttura generale di una molecola di acil-coenzima A dove R rappresenta una catena alifatica ad n termini

Il Coenzima A (CoA) (Fig.4) è un altro coenzima fondamentale per il metabolismo. Nel 1945 Lipmann trovò che in molte reazioni di acetilazione catalizzate da enzimi era necessario un fattore stabile al calore.  Questo cofattore fu chiamato Coenzima A dove la lettera “A” sta per acetilazione.  Il Coenzima A fu isolato e la sua struttura determinata molti anni dopo da Moffatt nel 1959. I gruppi acile si legano al Coenzima A con un legame tioestere e il composto che ne deriva prende il nome di acil-Coenzima A o acil-CoA (Fig.17)

Il CoA è un trasportatore di radicali acilici così come l’ATP è un trasportatore di radicali fosforici.
La funzione molecolare reattiva del CoA è il gruppo –SH della tioetanolammina, a livello del quale si formano legami ad alto potenziale energetico sia con radicali acetilici sia con altri radicali di acidi organici.

struttura di acetil coenzima A

Fig. 18 – Struttura di acetil coenzima A

Il CoA sia in forma libera che acetilata è un metabolita essenziale dell’attività biochimica delle cellule.  La sua presenza è necessaria per lo svolgimento del ciclo di Krebs, per la sintesi e la demolizione degli acidi grassi e dei fosfatidi, per la sintesi del colesterolo, degli ormoni steroidi, delle porfirine. Tra i più importanti processi di acetilazione che avvengono nei tessuti con l’intervento del CoA si possono ricordare: la coniugazione della glicina con acido benzoico (sintesi ippurica); l’acetilazione detossicante delle ammine aromatiche ed eterocicliche esogene; l’acetilazione degli amminoacidi; l’acetilazione della colina, che porta alla sintesi del mediatore chimico della trasmissione nervosa, l’acetilcolina; l’acetilazione della glucosammina e della galattosammina, legate alla biosintesi della sostanza fondamentale del tessuto connettivo. A llo stesso modo, nel ciclo di Krebs ma anche nella glicolisi, hanno un ruolo anche i coenzimi FAD e NAD , prima di tutto come accettori di elettroni e poi come accettori di protoni o donatori di protoni.

 

COENZIMA Q


Il coenzima Q (nella sua forma Q10) o ubichinone è stato reso popolare per le sue proprietà rassodanti per la pelle dai produttori di cosmetici.  L’ubichinone è un trasportatore di elettroni che lavora nella catena di respirazione cellulare operando su diversi complessi proteici.
Fu identificato per la prima volta da Fred L. Crane e dal suo team dell’ Enzyme Institute dell’ Università del Wisconsin (Fig.19).  La struttura fu poi caratterizzata nel 1958 da D.E. Wolf e dal gruppo di ricerca di Karl Folkers nei laboratori della Merck.

 

CITOCROMI

I Citocromi sono proteine vettori di elettroni che permettono l’utilizzo dell’ossigeno a livello cellulare. Contengono il gruppo prostetico eme (Fig.8) e trasportano gli elettroni da un livello energetico alto ad uno più basso .

Rappresentazione dell’enzima CYP3A4, l'enzima maggiormente coinvolto nella degradazione dei farmaci

Fig. 20 – Rappresentazione dell’enzima CYP3A4, l’enzima maggiormente coinvolto nella degradazione dei farmaci

Questa liberazione energetica permette all’ATP-sintetasi di produrre molecole di ATP a partire da ADP e gruppo P. Sono suddivisi in quattro categorie principali a, b, c, d (Fig. 9) in relazione alla loro capacità di trasmettere alcune radiazioni dello spettro visibile che li fanno apparire colorati. Per ogni categoria si conoscono anche alcune sottocategorie come ad esempio a3, b5 e c1. Ogni differente specie possiede un diverso potenziale redox. Ad esempio, nei mitocondri ci sono tre classi di citocromi: citocromi a, citocromi b e citocromi c, tutti gli altri sono proteine integrali di membrana. Un’altra classe di citocromi fondamentali è costituita dal citocromo P 450, enzimi microsomiali epatici (codificati da geni indicati CYP) che hanno funzioni detossificanti verso sostanze tossiche in circolo sistemico e sono implicati nel metabolismo dei farmaci e di sostanze endogene come gli ormoni o prodotti nocivi del metabolismo. Di tutte le isoforme enzimatiche di citocromo P450 finora individuate, solo una piccola porzione comprendente gli enzimi CYP3A4, CYP2D6, CYP2C9, CYP1A2 e CYP2E1 agisce nel metabolismo dei farmaci. Fra queste l’isoforma più attiva è il CYP3A4 (Fig.20) , che costituisce circa il 30% dei citocromi P450 espressi nel fegato ed è responsabile del metabolismo del 50% dei farmaci attualmente esistenti.

 

BIOTINA

struttura della biotina

Fig. 10 – Struttura della biotina

La biotina (Fig. 10) svolge il ruolo di cofattore in diverse carbossilasi ATP-dipendenti , legandosi al sito attivo dell’enzima tramite un legame peptidico che si forma tra il gruppo carbossilico dell’acido valerianico ed un gruppo aminico di un residuo di lisina. La reazione di carbossilazione, in cui interviene la biotina, prevede il trasferimento di una molecola di CO2 da un donatore ad un accettore, passando per un intermedio in cui la biotina fissa la CO2 su uno degli atomi di azoto dell’anello imidazolico formando così la carbossibiotina. La formazione della carbossibiotina avviene tramite l’ausilio di bicarbonato, ioni magnesio ed ATP. Il bicarbonato, infatti, lega su di sé la CO2 tramite una reazione richiedente energia, fornita dall’idrolisi di una molecola ATP. La molecola di carbonilfosfato creatasi, cede poi CO2 alla biotina idrolizzando il gruppo fosfato.Negli esseri umani la biotina o Vitamina H viene utilizzata in molte reazioni di carbossilazione.

 

Bibliografia essenziale
1.   Kalckar HM . “50 years of biological research from oxidative phosphorylation to energy requiring transport regulation. 1991 Ann Rev Biochem 60:1-37
2.   Lipmann F. Wandering of a Biochemist . Wiley Interscience 1971.
3.   Passarella S. Elementi di enzimologia. Guida allo studio. Ed. Aracne 2011.
4.   Siliprandi e Tettamanti “Biochimica Medica” Ed. Piccin

 

 

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Sostieni la divulgazione della Chimica
Il tuo libero contributo sarà interamente devoluto alle attività di divulgazione della Chimica.
zona1




CONDIVIDI QUESTO ARTICOLO
RICHIEDI LA NEWSLETTER
Una mail settimanale con gli aggiornamenti delle pubblicazioni, le attività dell'Associazione e le novità del mondo della divulgazione chimica
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU FACEBOOK
segui chimicare anche su facebook
gli ultimi articoli inseriti
ARCHIVI ARTICOLI chimiSPIEGA PER MESE
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU TWITTER
Non solo gli aggiornamenti degli articoli pubblicati sui nostri blog e le novità del Carnevale della Chimica, ma anche le segnalazioni dei migliori interventi di divulgazione chimica in lingua italiana nel web.
ABBONATI AI FEED DI CHIMISPIEGA
Vota questo articolo..
http://www.wikio.it