Pillole Testbusters e Biologia: i coenzimi NAD e FAD

Introduzione

Il primo incontro con la bioenergetica è un’esperienza traumatica, da affrontare a sangue freddo. Non c’è nozione che non sia avvolta da un denso e opprimente alone di mistero e non pare esserci un punto d’inizio, né una fine, ma solo relazioni tra molecole e nomi impronunciabili di biochimici d’inizio ‘900. Eppure, la biochimica è una disciplina completa e affascinante, che richiede una buona conoscenza della fisica, della chimica e della biologia, e tanta, tantissima curiosità. I coenzimi NAD e FAD si inseriscono meravigliosamente in questo contesto, degno dei più acuti indovinelli della Sfinge. Ma i coenzimi sono anche la porta d’accesso alla comprensione della biochimica e, in modo più specifico, della bioenergetica.

I coenzimi NAD e FAD: l’energia nella cellula

Le nostre automobili sono alimentate in gran parte dalla combustione, ovvero dall’ossidazione del carbonio. Il carburante è un polimero del carbonio che lega una grande quantità di atomi d’idrogeno. La presenza di ossigeno e l’innesco della combustione con l’accensione del motore determinano il trasferimento degli elettroni dal carbonio del carburante all’ossigeno presente nell’ambiente. Ciò comporta l’ossidazione in anidride carbonica del carbonio che cede gli elettroni, e la riduzione in acqua dell’ossigeno che riceve gli elettroni.

Analogamente, il principio fisico che consente alle pile di alimentare i nostri telecomandi si basa sulla corrente, che si origina dal trasferimento di elettroni da una sostanza a più alto potenziale riducente a una sostanza a potenziale più basso. Ciò che avviene dentro le ben più sofisticate cellule è del tutto simile! Il glucosio e gli altri nutrienti sono costituiti da carbonio in forma ridotta, i cui elettroni vengono trasferiti al NAD e al FAD che si trovano in forma ossidata. All’interno dei mitocondri, i coenzimi che si trovano ora in forma ridotta, cedono i loro elettroni e si ossidano.

A partire dal NAD e dal FAD gli elettroni vengono trasferiti verso accettori con affinità sempre maggiore. Essi attraversano così quattro complessi sulla membrana mitocondriale interna e giungono fino all’ossigeno, che si riduce. Tali reazioni ossido-riduttive che consentono il trasferimento sono esoergoniche e liberano dell’energia che consente ai protoni di dirigersi dai coenzimi della matrice verso lo spazio intermembrana. Si crea così un gradiente elettrochimico tra lo spazio intermembrana e la matrice: i protoni tendono a tornare verso la matrice, attraverso un passaggio obbligato rappresentato dall’ATP sintasi. Il passaggio di H+ da questo canale fornisce all’enzima l’energia necessaria a caricare i gruppi fosfato sull’ADP, creando nuovo ATP.

Per queste ragioni i coenzimi NAD e FAD rappresentano delle monete riducenti. Infatti, i substrati nutritivi come il glucosio cedono alcuni dei loro elettroni ai coenzimi ossidati, che vengono così ridotti. A loro volta, i coenzimi ridotti sono in grado di cedere degli elettroni all’ossigeno, che è l’accettore finale.

I coenzimi

Il primo incontro con la bioenergetica è un’esperienza traumatica, da affrontare a sangue freddo. Non c’è nozione che non sia avvolta da un denso e opprimente alone di mistero e non pare esserci un punto d’inizio, né una fine, ma solo relazioni tra molecole e nomi impronunciabili di biochimici d’inizio ‘900. Eppure, la biochimica è una disciplina completa e affascinante, che richiede una buona conoscenza della fisica, della chimica e della biologia, e tanta, tantissima curiosità. I coenzimi NAD e FAD si inseriscono meravigliosamente in questo contesto, degno dei più acuti indovinelli della Sfinge. Ma i coenzimi sono anche la porta d’accesso alla comprensione della biochimica e, in modo più specifico, della bioenergetica.

NAD e FAD

Il NAD (nicotinammide-adenina-dinucleotide) e il FAD (flavina-adenina-dinucleotide) sono dei dinucleotidi, ovvero molecole formate dalla fusione a livello dei gruppi fosfato di due unità più piccole rappresentate da nucleosidi-monofosfato. Uno dei due nucleosidi è sempre l’adenosina, l’altro cambia tra NAD e FAD: il primo presenta la niacina o nicotinammide, il secondo la flavina. Sia la niacina che la flavina sono strutture in grado di accettare e cedere elettroni, formando nello stato ridotto NADH e FADH2. La niacina ossidata viene ridotta nel corso dei processi della glicolisi, della decarbossilazione ossidativa, del ciclo di Krebs e della β-ossidazione, mentre la flavina ossidata viene ridotta solamente nel corso del ciclo di Krebs e della β-ossidazione.

Il NAD e il FAD hanno differenti potenziali di riduzione e si inseriscono in due posizioni differenti della catena di trasporto degli elettroni. Per questa ragione il loro contributo energetico è differente: mentre da un NADH si ricava l’energia sufficiente a produrre 2,5-3 ATP, da un FADH2 si ricava l’energia sufficiente a produrne 1,5-2. Grazie alla capacità di rendere disponibile nuova moneta energetica, le due principali monete riducenti della cellula risultano fondamentali nella descrizione dello stato energetico di un sistema biologico e vanno per questo motivo sempre tenute in considerazione nello studio della biochimica.

I coenzimi

Il NAD (nicotinammide-adenina-dinucleotide) e il FAD (flavina-adenina-dinucleotide) sono dei dinucleotidi, ovvero molecole formate dalla fusione a livello dei gruppi fosfato di due unità più piccole rappresentate da nucleosidi-monofosfato. Uno dei due nucleosidi è sempre l’adenosina, l’altro cambia tra NAD e FAD: il primo presenta la niacina o nicotinammide, il secondo la flavina. Sia la niacina che la flavina sono strutture in grado di accettare e cedere elettroni, formando nello stato ridotto NADH e FADH2. La niacina ossidata viene ridotta nel corso dei processi della glicolisi, della decarbossilazione ossidativa, del ciclo di Krebs e della β-ossidazione, mentre la flavina ossidata viene ridotta solamente nel corso del ciclo di Krebs e della β-ossidazione.

Il NAD e il FAD hanno differenti potenziali di riduzione e si inseriscono in due posizioni differenti della catena di trasporto degli elettroni. Per questa ragione il loro contributo energetico è differente: mentre da un NADH si ricava l’energia sufficiente a produrre 2,5-3 ATP, da un FADH2 si ricava l’energia sufficiente a produrne 1,5-2. Grazie alla capacità di rendere disponibile nuova moneta energetica, le due principali monete riducenti della cellula risultano fondamentali nella descrizione dello stato energetico di un sistema biologico e vanno per questo motivo sempre tenute in considerazione nello studio della biochimica.

ESERCIZIO 1

Quale dei seguenti non è presente nel NAD?

1. Niacina
2. Adenina
3. Pentoso
4. Legame fosfoanidridico
5. Legame ionico

Il NAD è un dinucleotide: presenta pertanto due zuccheri pentosi (ribosio), strutture fondamentali del nucleotide. Ai pentosi si legano in un caso la niacina e nell’altro l’adenina. I due nucleotidi sono uniti dai rispettivi gruppi fosfato, mediante un legame fosfoanidridico. Nonostante vi siano delle cariche, a livello dell’azoto aromatico della niacina e a livello dei fosfati, la molecola non presenta legami ionici. Risposta Corretta E.

ESERCIZIO 2

In quale delle seguenti cellule la funzione dei coenzimi NAD e FAD è limitata?

1. Uovo
2. Miocardiocita
3. Eritrocita
4. Neurone pseudounipolare
5. Linfocita NK

La presenza di un corretto pool di coenzimi ossidoriduttivi è fondamentale nelle cellule che dispongono di mitocondri, in quanto è proprio in tali organelli che essi compiono la loro funzione principale: l’alimentazione della catena degli elettroni per la produzione di ATP. Gli eritrociti non dispongono né del nucleo né dei mitocondri, pertanto non possono trarre energia dall’ossidazione del NAD e FAD, ma dalla sola glicolisi anaerobica che produce ATP a livello del substrato. Risposta Corretta C.

Buono studio!