Synthetische HydroxylierungenBearbeiten
Der Einbau von Hydroxylgruppen in organische Verbindungen kann durch verschiedene Metallkatalysatoren erfolgen. Viele dieser Katalysatoren sind biomimetisch, d. h. sie sind von Enzymen wie Cytochrom P450 inspiriert oder sollen diese nachahmen.
Während viele Hydroxylierungen O-Atome in C-H-Bindungen einfügen, fügen einige Reaktionen OH-Gruppen an ungesättigte Substrate hinzu. Die Sharpless-Dihydroxylierung ist eine solche Reaktion: Sie wandelt Alkene in Diole um. Die Hydroxygruppen werden durch Wasserstoffperoxid bereitgestellt, das an die Doppelbindung von Alkenen addiert.
Biologische HydroxylierungBearbeiten
In der Biochemie werden Hydroxylierungsreaktionen oft durch Enzyme, die Hydroxylasen, erleichtert. Eine C-H-Bindung wird durch Einfügung eines Sauerstoffatoms in eine C-H-Bindung in einen Alkohol umgewandelt. Typische Stöchiometrien für die Hydroxylierung eines allgemeinen Kohlenwasserstoffs sind die folgenden:
2 R3C-H + O2 → 2 R3C-OH R3C-H + O2 + 2e- + 2 H+ → R3C-OH + H2O
Da O2 selbst ein langsames und unselektives Hydroxylierungsmittel ist, werden Katalysatoren benötigt, um das Tempo des Prozesses zu beschleunigen und Selektivität einzuführen.
Die Hydroxylierung ist häufig der erste Schritt beim Abbau organischer Verbindungen in der Luft. Die Hydroxylierung ist wichtig für die Entgiftung, da sie lipophile Verbindungen in wasserlösliche (hydrophile) Produkte umwandelt, die von den Nieren oder der Leber leichter entfernt und ausgeschieden werden können. Einige Arzneimittel (z. B. Steroide) werden durch Hydroxylierung aktiviert oder deaktiviert.
Das wichtigste Hydroxylierungsmittel in der Natur ist das Cytochrom P-450, von dem Hunderte von Varianten bekannt sind. Andere Hydroxylierungsmittel sind Flavine, alpha-Ketoglutarat-abhängige Hydroxylasen und einige Di-Eisen-Hydroxylasen.
Schritte eines Sauerstoff-Rebound-Mechanismus, der viele Eisen-katalysierte Hydroxylierungen erklärt: H-Atom-Abstraktion, Sauerstoff-Rückstoß, Alkohol-Dekomplexierung.
Von ProteinenEdit
Die Hydroxylierung von Proteinen tritt als posttranslationale Modifikation auf und wird von 2-Oxoglutarat-abhängigen Dioxygenasen katalysiert. Wenn Moleküle hydroxyliert werden, werden sie wasserlöslicher, was ihre Struktur und Funktion beeinflusst. Die Hydroxylierung kann an verschiedenen Aminosäuren wie Lysin, Asparagin, Aspartat und Histidin stattfinden, aber der am häufigsten hydroxylierte Aminosäurerest in menschlichen Proteinen ist Prolin. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Kollagen etwa 25-35 % des Proteins in unserem Körper ausmacht und an fast jedem 3. Kollagen besteht sowohl aus 3-Hydroxyprolin- als auch aus 4-Hydroxyprolin-Resten. Die Hydroxylierung erfolgt am γ-C-Atom und bildet Hydroxyprolin (Hyp), das die Sekundärstruktur des Kollagens aufgrund der starken elektronegativen Wirkung von Sauerstoff stabilisiert. Die Hydroxylierung von Prolin ist auch ein wesentlicher Bestandteil der Hypoxie-Reaktion über hypoxieinduzierbare Faktoren. In einigen Fällen kann Prolin stattdessen an seinem β-C-Atom hydroxyliert werden. Auch Lysin kann an seinem δ-C-Atom hydroxyliert werden, wobei Hydroxylysin (Hyl) entsteht.
Diese drei Reaktionen werden durch sehr große Enzyme mit mehreren Untereinheiten katalysiert: Prolyl-4-Hydroxylase, Prolyl-3-Hydroxylase und Lysyl-5-Hydroxylase. Diese Reaktionen benötigen Eisen (sowie molekularen Sauerstoff und α-Ketoglutarat), um die Oxidation durchzuführen, und verwenden Ascorbinsäure (Vitamin C), um das Eisen in seinen reduzierten Zustand zurückzuführen. Ein Mangel an Ascorbat führt zu einem Mangel an Prolin-Hydroxylierung, was zu einer geringeren Stabilität des Kollagens führt, was sich in der Krankheit Skorbut äußern kann. Da Zitrusfrüchte reich an Vitamin C sind, erhielten britische Seeleute auf langen Seereisen Limonen zur Bekämpfung von Skorbut; daher wurden sie „limeys“ genannt.
Einige körpereigene Proteine enthalten Hydroxyphenylalanin- und Hydroxytyrosin-Reste. Diese Reste entstehen durch die Hydroxylierung von Phenylalanin und Tyrosin, ein Prozess, bei dem die Hydroxylierung Phenylalaninreste in Tyrosinreste umwandelt. Dies ist in lebenden Organismen sehr wichtig, um überschüssige Mengen an Phenylalaninresten zu kontrollieren. Die Hydroxylierung von Tyrosinresten ist in lebenden Organismen ebenfalls sehr wichtig, da durch die Hydroxylierung an C-3 von Tyrosin 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) entsteht, das eine Vorstufe von Hormonen ist und in Dopamin umgewandelt werden kann.