Hidroxilación
Reacción química que añade un grupo –OH a un compuesto orgánico

En química , la hidroxilación puede referirse a:

  • (i) más comúnmente, la hidroxilación describe un proceso químico que introduce un grupo hidroxilo ( −OH ) en un compuesto orgánico .
  • (ii) el grado de hidroxilación se refiere al número de grupos OH en una molécula. El patrón de hidroxilación se refiere a la ubicación de los grupos hidroxi en una molécula o material. [1]

Reacciones de hidroxilación

Hidroxilaciones sintéticas

La incorporación de grupos hidroxilo en compuestos orgánicos puede verse afectada por diversos catalizadores metálicos. Muchos de estos catalizadores son biomiméticos, es decir, están inspirados en enzimas como el citocromo P450 o están pensados ​​para imitarlas. [2]

Mientras que muchas hidroxilaciones insertan átomos de O en enlaces C−H , algunas reacciones añaden grupos OH a sustratos insaturados. La dihidroxilación de Sharpless es una de esas reacciones: convierte alquenos en dioles . Los grupos hidroxi son proporcionados por peróxido de hidrógeno , que se añade a través del doble enlace de los alquenos . [3]

Hidroxilación biológica

En bioquímica , las reacciones de hidroxilación suelen ser facilitadas por enzimas llamadas hidroxilasas . Un enlace C−H se convierte en un alcohol mediante la inserción de un átomo de oxígeno en un enlace C−H . Las estequiometrías típicas para la hidroxilación de un hidrocarburo genérico son las siguientes:

2 R 3 do − yo + Oh 2 ⟶ 2 R 3 do − OH {\displaystyle {\ce {2R3C-H + O2 -> 2R3C-OH}}}
R 3 do − yo + Oh 2 + 2 mi − + 2 yo + ⟶ R 3 do − OH + yo 2 Oh {\displaystyle {\ce {R3C-H + O2 + 2e- + 2H+ -> R3C-OH + H2O}}}

Dado que el O2 en sí es un agente hidroxilante lento y no selectivo, se requieren catalizadores para acelerar el ritmo del proceso e introducir selectividad. [4]

La hidroxilación es a menudo el primer paso en la degradación de compuestos orgánicos en el aire. La hidroxilación es importante en la desintoxicación, ya que convierte los compuestos lipofílicos en productos solubles en agua ( hidrofílicos ) que se eliminan más fácilmente por los riñones o el hígado y se excretan . Algunos fármacos (por ejemplo, los esteroides ) se activan o desactivan mediante hidroxilación. [5]

El principal agente de hidroxilación en la naturaleza es el citocromo P-450 , del que se conocen cientos de variaciones. Otros agentes hidroxilantes incluyen flavinas, hidroxilasas dependientes de alfa-cetoglutarato (dioxigenasas dependientes de 2-oxoglutarato) y algunas hidroxilasas de dihierro. [6]

Pasos en un mecanismo de rebote de oxígeno que explica muchas hidroxilaciones catalizadas por hierro: abstracción de átomos de H, rebote de oxígeno, descomplejación del alcohol. [4]

De proteínas

La hidroxilación de las proteínas ocurre como una modificación postraduccional y es catalizada por dioxigenasas dependientes de 2-oxoglutarato. [7] Cuando las moléculas se hidroxilan, se vuelven más solubles en agua, lo que afecta su estructura y función. Puede tener lugar en varios aminoácidos, como lisina, asparagina, aspartato e histidina, pero el residuo de aminoácido hidroxilado con mayor frecuencia en las proteínas humanas es la prolina . Esto se debe al hecho de que el colágeno constituye alrededor del 25-35% de la proteína en nuestros cuerpos y contiene una hidroxiprolina en casi cada tercer residuo en su secuencia de aminoácidos. El colágeno consta de residuos de 3-hidroxiprolina y 4-hidroxiprolina. [8] La hidroxilación ocurre en el átomo γ-C, formando hidroxiprolina (Hyp), que estabiliza la estructura secundaria del colágeno debido a los fuertes efectos electronegativos del oxígeno. [9] La hidroxilación de la prolina también es un componente vital de la respuesta a la hipoxia a través de factores inducibles por hipoxia . En algunos casos, la prolina puede hidroxilarse en su átomo β-C. La lisina también puede hidroxilarse en su átomo δ-C, formando hidroxilisina (Hyl). [10]

Estas tres reacciones son catalizadas por enzimas muy grandes, de múltiples subunidades , prolil 4-hidroxilasa , prolil 3-hidroxilasa y lisil 5-hidroxilasa , respectivamente. Estas reacciones requieren hierro (así como oxígeno molecular y α-cetoglutarato ) para llevar a cabo la oxidación, y utilizan ácido ascórbico (vitamina C) para devolver el hierro a su estado reducido. La privación de ascorbato conduce a deficiencias en la hidroxilación de prolina, lo que conduce a un colágeno menos estable, que puede manifestarse como la enfermedad del escorbuto . Dado que los cítricos son ricos en vitamina C, a los marineros británicos se les daban limas para combatir el escorbuto en los largos viajes oceánicos; por lo tanto, se los llamaba " limeys ". [11]

Varias proteínas endógenas contienen residuos de hidroxifenilalanina e hidroxitirosina. Estos residuos se forman debido a la hidroxilación de la fenilalanina y la tirosina, un proceso en el que la hidroxilación convierte los residuos de fenilalanina en residuos de tirosina. Esto es muy importante en los organismos vivos para ayudarlos a controlar las cantidades excesivas de residuos de fenilalanina. [8] La hidroxilación de los residuos de tirosina también es muy vital en los organismos vivos porque la hidroxilación en C-3 de la tirosina crea 3,4-dihidroxifenilalanina (DOPA), que es un precursor de las hormonas y puede convertirse en dopamina.

Ejemplos

Referencias

  1. ^ Middleton, Elliott Jr; Kandaswami, Chithan; Theoharides, Theoharis C. (2000). "Los efectos de los flavonoides vegetales en las células de mamíferos: implicaciones para la inflamación, la enfermedad cardíaca y el cáncer". Pharmacological Reviews . 52 (4): 673–751. PMID  11121513.
  2. ^ Jia, Chengguo; Kitamura, Tsugio; Fujiwara, Yuzo (2001). "Funcionalización catalítica de arenos y alcanos mediante la activación del enlace C−H". Accounts of Chemical Research . 34 (8): 633–639. doi :10.1021/ar000209h. PMID  11513570.
  3. ^ Kolb, Hartmuth C.; Vannieuwenhze, Michael S.; Sharpless, K. Barry (1994). "Dihidroxilación asimétrica catalítica". Chemical Reviews . 94 (8): 2483–2547. doi :10.1021/cr00032a009.
  4. ^ ab Huang, X.; Groves, JT (2017). "Más allá de la hidroxilación mediada por ferril: 40 años del mecanismo de rebote y la activación C–H". Journal of Biological Inorganic Chemistry . 22 (2–3): 185–207. doi :10.1007/s00775-016-1414-3. PMC 5350257 . PMID  27909920. 
  5. ^ Cerniglia, Carl E. (1992). "Biodegradación de hidrocarburos aromáticos policíclicos". Biodegradación . 3 (2–3): 351–368. doi :10.1007/BF00129093. S2CID  25516145.
  6. ^ Nelson, DL; Cox, MM "Lehninger, Principles of Biochemistry" 3.ª ed. Worth Publishing: Nueva York, 2000. ISBN 1-57259-153-6 . [ página necesaria ] 
  7. ^ Zurlo, Giada; Guo, Jianping; Takada, Mamoru; Wei, Wenyi; Zhang, Qing (diciembre de 2016). "Nuevos conocimientos sobre la hidroxilación de proteínas y su importante papel en las enfermedades humanas". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Reseñas sobre el cáncer . 1866 (2): 208–220. doi :10.1016/j.bbcan.2016.09.004. ISSN  0006-3002. PMC 5138100 . PMID  27663420. 
  8. ^ ab T. Shantha Raju (2019), "Hidroxilación de proteínas", Modificaciones co- y postraduccionales de anticuerpos y proteínas terapéuticos , John Wiley & Sons, págs. 119-131, doi :10.1002/9781119053354.ch10, ISBN 978-1-119-05335-4, Número de identificación del sujeto  243626930
  9. ^ Holmgren, Steven K; Bretscher, Lynn E; Taylor, Kimberly M; Raines, Ronald T (1999). "Un imitador de colágeno hiperestable". Química y biología . 6 (2): 63–70. doi : 10.1016/S1074-5521(99)80003-9 . PMID  10021421.
  10. ^ Hausinger RP (enero-febrero de 2004). "Hidroxilasas dependientes de Fe(II)/α-cetoglutarato y enzimas relacionadas". Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol . 39 (1): 21–68. doi :10.1080/10409230490440541. PMID  15121720. S2CID  85784668.
  11. ^ Voet, Donald; Voet, Judith G.; Pratt, Charlotte W. (2016). Principios de bioquímica . Wiley. pág. 143. ISBN 978-1-119-45166-2.
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