Syntetyczne hydroksylacjeEdit
Wprowadzanie grup hydroksylowych do związków organicznych może być realizowane przez różne katalizatory metalowe. Wiele takich katalizatorów jest biomimetycznych, tj. inspirowanych lub przeznaczonych do naśladowania enzymów takich jak cytochrom P450.
Podczas gdy wiele hydroksylacji wstawia atomy O do wiązań C-H, niektóre reakcje dodają grupy OH do nienasyconych substratów. Taką reakcją jest dihydroksylacja Sharplessa: przekształca ona alkeny w diole. Grupy hydroksylowe są dostarczane przez nadtlenek wodoru, który dodaje się w poprzek podwójnego wiązania alkenów.
Biologiczna hydroksylacjaEdit
W biochemii reakcje hydroksylacji są często ułatwiane przez enzymy zwane hydroksylazami. Wiązanie C-H jest przekształcane w alkohol poprzez wstawienie atomu tlenu do wiązania C-H. Typowe stechiometrie dla hydroksylacji ogólnego węglowodoru są następujące:
2 R3C-H + O2 → 2 R3C-OH R3C-H + O2 + 2e- + 2 H+ → R3C-OH + H2O
Ponieważ sam O2 jest powolnym i nieselektywnym czynnikiem hydroksylującym, wymagane są katalizatory przyspieszające tempo procesu i wprowadzające selektywność.
Hydroksylacja jest często pierwszym etapem degradacji związków organicznych w powietrzu. Hydroksylacja jest ważna w detoksykacji, ponieważ przekształca związki lipofilowe w produkty rozpuszczalne w wodzie (hydrofilowe), które są łatwiej usuwane przez nerki lub wątrobę i wydalane. Niektóre leki (na przykład steroidy) są aktywowane lub dezaktywowane przez hydroksylację.
Głównym czynnikiem hydroksylacji w przyrodzie jest cytochrom P-450, którego setki odmian są znane. Inne czynniki hydroksylujące obejmują flawiny, hydroksylazy zależne od alfa-ketoglutaranu i niektóre hydroksylazy diironowe.
Kroki w mechanizmie odbicia tlenu, który wyjaśnia wiele katalizowanych żelazem hydroksylacji: abstrakcja atomu H, odbicie tlenu, dekompleksacja alkoholu.
białekEdit
Hydroksylacja białek zachodzi jako modyfikacja potranslacyjna i jest katalizowana przez dioksygenazy zależne od 2-oksoglutaranu. Kiedy cząsteczki są hydroksylowane, stają się bardziej rozpuszczalne w wodzie, co wpływa na ich strukturę i funkcję. Może się to odbywać na kilku aminokwasach, takich jak lizyna, asparagina, asparaginian i histydyna, ale najczęściej hydroksylowaną resztą aminokwasową w ludzkich białkach jest prolina. Wynika to z faktu, że kolagen stanowi około 25-35% białka w naszym organizmie i zawiera hydroksyprolinę przy prawie co trzeciej reszcie w swojej sekwencji aminokwasowej. Kolagen składa się zarówno z reszt 3-hydroksyproliny jak i 4-hydroksyproliny. Hydroksylacja zachodzi przy atomie γ-C, tworząc hydroksyprolinę (Hyp), która stabilizuje strukturę drugorzędową kolagenu ze względu na silne działanie elektronegatywne tlenu. Hydroksylacja proliny jest również istotnym elementem odpowiedzi na niedotlenienie poprzez czynniki indukujące niedotlenienie. W niektórych przypadkach, prolina może być hydroksylowana zamiast na jej atomie β-C. Lizyna może być również hydroksylowana na jej atomie δ-C, tworząc hydroksylizynę (Hyl).
Te trzy reakcje są katalizowane przez bardzo duże, wielopodjednostkowe enzymy odpowiednio: prolyl 4-hydroksylaza, prolyl 3-hydroksylaza i lizyl 5-hydroksylaza. Reakcje te wymagają żelaza (jak również tlenu cząsteczkowego i α-ketoglutaranu) do przeprowadzenia utleniania i wykorzystują kwas askorbinowy (witaminę C) do powrotu żelaza do stanu zredukowanego. Pozbawienie askorbinianu prowadzi do niedoborów w hydroksylacji proliny, co prowadzi do mniejszej stabilności kolagenu, co może objawiać się jako choroba szkorbut. Ponieważ owoce cytrusowe są bogate w witaminę C, brytyjscy marynarze otrzymywali limonki, aby zwalczać szkorbut podczas długich rejsów oceanicznych; stąd nazywano ich „limonkami”.
Kilka endogennych białek zawiera reszty hydroksyfenyloalaniny i hydroksytyrozyny. Reszty te powstają w wyniku hydroksylacji fenyloalaniny i tyrozyny, procesu, w którym hydroksylacja przekształca reszty fenyloalaninowe w reszty tyrozynowe. Jest to bardzo ważne w organizmach żywych, aby pomóc im kontrolować nadmierną ilość reszt fenyloalaniny. Hydroksylacja reszt tyrozyny jest również bardzo istotna w organizmach żywych, ponieważ hydroksylacja przy C-3 tyrozyny tworzy 3,4- dihydroksy fenyloalaninę (DOPA), która jest prekursorem hormonów i może być przekształcona w dopaminę.