Tiamina e nozioni, Biochimica

Cofattori essenziali e il ruolo della tiamina e della biotina

Il ruolo della tiamina

La tiamina è un cofattore essenziale, anche se stati carenziali sono molto rari. Tali stati si verificano soprattutto in sindromi da malassorbimento in soggetti anziani o defedati. La tiamina contiene un cofattore formato da due anelli: un anello pirimidinico e un anello tiazolico, noto anche come tiazolidina. È un eterociclo che include un atomo di azoto e uno di zolfo.

Quando l'azoto diventa quaternario, la carica positiva posta sull'azoto quaternario causa un passaggio netto di elettroni dal carbonio all'azoto e una donazione di elettroni dallo zolfo al carbonio. Questo carbonio, con protone, tenderà a cedere il protone e trasformarsi in un carbanione. La tiamina, quindi, è un cofattore enzimatico che si è evoluto per formare dei carbanioni sull'anello tiazolidinico.

Quali sono le caratteristiche del carbanione? È un fortissimo nucleofilo, dando origine alle reazioni nucleofile. In particolare, la tiamina è specializzata nel realizzare reazioni nucleofile con alfachetoacidi. La reazione nucleofila avviene non attaccando il carbonile del gruppo carbossilico, ma attaccando il carbonile (chetonico) dell'alfa chetoacido. Quindi, nel riarrangiamento della molecola, l'alfachetoacido si decarbossila: rimane quindi la tiamina con un sostituente acetile, una tiamina acetilata e si libera CO₂.

La vitamina B1 è specializzata nella decarbossilazione degli alfachetoacidi. Gli enzimi che utilizzano la tiamina sono delle decarbossilasi, che catalizzano quindi la decarbossilazione degli alfa chetoacidi, una reazione centrale a tutto il metabolismo. Questa reazione è fondamentale per la degradazione di zuccheri e acidi grassi per produrre CO₂ e ATP, a partire dalla tiamina. La CO₂ verrà trasportata nel sangue dall'emoglobina, mentre legato alla tiamina rimane un gruppo acetile. In questo senso, la tiamina può essere considerata un trasportatore di acetili (o di frammenti carboniosi).

È un cofattore altamente specializzato e si differenzia dal piridossal fosfato, che catalizza decarbossilazione degli amminoacidi. La tiamina, specializzata, catalizza la decarbossilazione degli alfa-chetoacidi. Stati carenziali sono molto rari perché è contenuta in maniera abbondante in cereali e legumi e fondamentale nel metabolismo. La CO₂ prodotta ed espirata viene in parte da reazioni catalizzate dalla vitamina B1. Nella forma attiva legata all'enzima è sotto forma di difosfato, perché un gruppo fosforico le conferisce la carica negativa per legare l'enzima.

Reazioni irreversibili e carbossilazione

Le decarbossilazioni hanno una caratteristica fondamentale: liberano CO₂ e sono tutte reazioni irreversibili. Altre reazioni irreversibili sono quelle delle proteasi (rottura del legame peptidico), le chinasi e le fosfatasi. Fosfatasi e chinasi legano fosfato ad un substrato con consumo di ATP, e per revertirla è necessaria una fosfatasi che taglia il gruppo fosfato, reazione quindi irreversibile.

La tiamina catalizza una reazione irreversibile, ma sarà presente anche un processo anabolico per la costruzione di alfa chetoacidi per tornare indietro nel metabolismo quando c'è bisogno di fabbricare un prodotto in fase sintetica. Ci sono quindi degli enzimi chiamati carbossilasi che prelevano la CO₂ e la agganciano ad un acido carbossilico di ordine inferiore per allungare la catena carboniosa.

Il ruolo della biotina

L'enzima più abbondante sulla Terra è quello che serve alle piante per fissare la CO₂. Al ribulosio aggiunge un atomo di carbonio e dà origine al glucosio, la ribulosio 1,5-difosfato carbossilasi. Nell'essere umano le carbossilasi utilizzano un cofattore unico contenente zolfo, la biotina.

La biotina è un ciclo a otto atomi, in genere schematizzato come due ciclopentani sovrapposti, con una catena laterale con un gruppo carbossilico. La prima parte della molecola ha un'urea e un ciclo a cinque termini con lo zolfo, un eterociclo con lo zolfo, il tiofene. Ricordarsi quindi la combinazione tra tiofene e urea, si ottiene il nucleo della biotina.

La biotina è un cofattore particolare perché la catena laterale può formare un legame ammide con la lisina dell'enzima. È legato covalentemente all'enzima, mentre i cofattori normalmente sono legati in maniera non covalente; per il FAD ci sono degli enzimi a cui il FAD è legato covalentemente, sebbene siano rari. Altrimenti anche il FAD non è legato covalentemente.

Una reazione di carbossilazione è una reazione difficile, che implica fissare la CO₂ a un substrato. Acido piruvico + CO₂ dà un alfa di-chetoacido, detto ossalacetato. La reazione catalizzata dalla biotina consuma ATP, richiede energia e consuma una molecola di bicarbonato, la forma idratata della CO₂. È una reazione energeticamente sfavorita, in quanto gli acidi carbossilici tendono spontaneamente a decarbossilare. Sono reazioni anaboliche, in cui si consuma energia per ottenere dei prodotti. La biotina è centrale nell'attivazione della CO₂ e utilizza uno degli azoti dell'urea.