Synthetische hydroxyleringenEdit
Hydroxylgroepen kunnen in organische verbindingen worden aangebracht met behulp van diverse metaalkatalysatoren. Veel van dergelijke katalysatoren zijn biomimetisch, d.w.z. ze zijn geïnspireerd door of bedoeld om enzymen zoals cytochroom P450 na te bootsen.
Waar veel hydroxyleringen O-atomen invoegen in C-H bindingen, voegen sommige reacties OH-groepen toe aan onverzadigde substraten. De Sharpless dihydroxylering is zo’n reactie: zij zet alkenen om in diolen. De hydroxylgroepen worden geleverd door waterstofperoxide, dat over de dubbele binding van alkenen wordt toegevoegd.
Biologische hydroxyleringEdit
In de biochemie worden hydroxyleringsreacties vaak vergemakkelijkt door enzymen die hydroxylasen worden genoemd. Een C-H binding wordt omgezet in een alcohol door de invoeging van een zuurstofatoom in een C-H binding. Typische stoichiometrieën voor de hydroxylering van een generieke koolwaterstof zijn de volgende:
2 R3C-H + O2 → 2 R3C-OH R3C-H + O2 + 2e- + 2 H+ → R3C-OH + H2O
Omdat O2 zelf een trage en niet-selectieve hydroxylerende stof is, zijn katalysatoren nodig om het tempo van het proces te versnellen en selectiviteit in te voeren.
Hydroxylering is vaak de eerste stap in de afbraak van organische verbindingen in de lucht. Hydroxylering is belangrijk bij de ontgifting, omdat daarbij lipofiele verbindingen worden omgezet in in water oplosbare (hydrofiele) producten die gemakkelijker door de nieren of de lever worden verwijderd en uitgescheiden. Sommige geneesmiddelen (bijvoorbeeld steroïden) worden door hydroxylering geactiveerd of gedeactiveerd.
Het belangrijkste hydroxyleringsmiddel in de natuur is cytochroom P-450, waarvan honderden variaties bekend zijn. Andere hydroxylerende agentia zijn flavines, alfa-ketoglutaraat-afhankelijke hydroxylases, en sommige diiron hydroxylases.
Stappen in een oxygen rebound mechanisme dat veel ijzer-gekatalyseerde hydroxyleringen verklaart: H-atoomonttrekking, zuurstofterugslag, alcoholdecomplexatie.
Van eiwittenEdit
De hydroxylering van eiwitten treedt op als een post-translationele modificatie, en wordt gekatalyseerd door 2-oxoglutaraat-afhankelijke dioxygenases. Wanneer moleculen worden gehydroxyleerd, worden zij beter oplosbaar in water, hetgeen hun structuur en functie beïnvloedt. Dit kan gebeuren op verschillende aminozuren, zoals lysine, asparagine, aspartaat en histidine, maar het meest gehydroxyleerde aminozuurresidu in menselijke proteïnen is proline. Dit is te wijten aan het feit dat collageen ongeveer 25-35% van de proteïne in ons lichaam uitmaakt en een hydroxyproline bevat op bijna elk 3e residu in zijn aminozuursequentie. Collageen bestaat uit zowel 3-hydroxyproline als 4-hydroxyproline residuen. Hydroxylering vindt plaats aan het γ-C-atoom, waarbij hydroxyproline (Hyp) wordt gevormd, dat de secundaire structuur van collageen stabiliseert door de sterke elektronegatieve effecten van zuurstof. Prolinehydroxylering is ook een essentieel onderdeel van de reactie op hypoxie via hypoxie-induceerbare factoren. In sommige gevallen kan proline in plaats daarvan worden gehydroxyleerd op zijn β-C-atoom. Lysine kan ook worden gehydroxyleerd op zijn δ-C atoom, waarbij hydroxylysine (Hyl) wordt gevormd.
Deze drie reacties worden gekatalyseerd door zeer grote, multi-subunit enzymen, respectievelijk prolyl 4-hydroxylase, prolyl 3-hydroxylase en lysyl 5-hydroxylase. Deze reacties vereisen ijzer (evenals moleculaire zuurstof en α-ketoglutaraat) om de oxidatie uit te voeren, en gebruiken ascorbinezuur (vitamine C) om het ijzer in zijn gereduceerde toestand terug te brengen. Een tekort aan ascorbaat leidt tot tekorten in de hydroxylering van proline, wat leidt tot minder stabiel collageen, wat zich kan uiten als de ziekte scheurbuik. Omdat citrusvruchten rijk zijn aan vitamine C, kregen Britse zeelieden op lange zeereizen limoenen om scheurbuik tegen te gaan; vandaar dat ze “limeys” werden genoemd.
Verschillende endogene eiwitten bevatten hydroxyfenylalanine- en hydroxytyrosineresiduen. Deze residuen worden gevormd door de hydroxylering van fenylalanine en tyrosine, een proces waarbij door de hydroxylering fenylalanineresiduen worden omgezet in tyrosineresiduen. Dit is zeer belangrijk in levende organismen om hen te helpen overtollige hoeveelheden fenylalanineresiduen onder controle te houden. Hydroxylering van tyrosineresiduen is ook zeer vitaal in levende organismen omdat hydroxylering op C-3 van tyrosine 3,4-dihydroxyfenylalanine (DOPA) creëert, dat een precursor van hormonen is en kan worden omgezet in dopamine.