Meccanismi delle reazioni organiche

Quasi tutte le reazioni che avvengono nelle vie metaboliche sono reazioni organiche catalizzate da enzimi. Le reazioni biochimiche vengono classificate in quattro categorie: (1) le reazioni di trasferimento di gruppo, (2) le reazioni di ossidoriduzione, (3)le eliminazioni, le isomerizzazioni ed i riarrangiamenti e (4) le reazioni che formano o rompono legami carbonio-carbonio.
LA LOGICA CHIMICA
Un legame covalente consiste di una coppia di elettroni condivisa da due atomi. Nella rottura di questo legame, la coppia di elettroni può sia restare su di un atomo (rottura eterolitica del legame) sia essere separata, un elettrone su ciascun atomo (rottura omolitica). La rottura omolitica, che, di solito, produce radicali instabili, avviene principalmente nelle reazioni di ossidoriduzione. Invece, la rottura eterolitica del legame C—H porta alla formazione di un carboanione e di un protone (H+) oppure di un carbocatione (uno ione carbonio) e uno ione idruro (H-). Poiché gli ioni idruro sono specie altamente reattive, nei sistemi biologici, la coppia di elettroni nella rottura del legame C—H tenderà a restare sull'atomo di carbonio. I composti che partecipano a reazioni in cui si ha la rottura e la formazione eterolitica di legami sono suddivisi in due classi: composti ricchi di elettroni e composti deficienti in elettroni.
Le sostanze ricche in elettroni, chiamate nucleofili (che amano i nuclei), sono cariche negativamente oppure contengono una coppia non condivisa di elettroni che può facilmente formare legami covalenti con centri poveri in elettroni. I gruppi chimici nucleofili biologicamente importanti sono quelli contenenti le funzioni: ossidrilica, amminica, imidazolica e sulfidrinica. Quindi un composto si comporta da nucleofilo quando forma un legame covalente con un centro povero di elettroni che deve essere diverso dall'H+ (di solito un atomo di carbonio reso deficiente in elettroni). Questi composti poveri di elettroni vengono chiamati elettrofili (che amano gli elettroni). Essi posso essere carichi positivamente oppure possedere atomi elettronegativi. I più comuni elettrofili nei sistemi biochimici sono l'H+, gli ioni metallici, gli atomi di carbonio dei gruppi carbonilici e le ammine cationiche. Durante tutte queste reazioni, comunque, il riarrangiamento delle coppie elettroniche, per convenzione è illustrato con frecce ricurve, che stanno ad indicare il movimento di una coppia di elettroni dal nucleofilo di partenza al centro povero di elettroni di arrivo, che deve essere appunto “attaccato”.
REAZIONI DI TRASFERIMENTO DI GRUPPO
Il trasferimento di gruppo che ha luogo in biochimica, coinvolge lo spostamento di un gruppo elettrofilo da un nucleofilo ad un altro. Questi trasferimenti posso essere anche chiamati di sostituzione nucleofila. I tipi più comuni di gruppo trasferiti nelle reazioni biochimiche sono i gruppi acili, fosforici e glicosidici:
Il trasferimento del gruppo acile da un nucleofilo ad un altro avviene mediante un attacco nucleofilo sull'atomo di carbonio del gruppo carbonilico dell'acile così da formare un intermedio tetraedrico;
Il trasferimento del gruppo fosforico procede attraverso l'attacco di un nucleofilo sull'atomo di fosforo del gruppo fosforico per formare un intermedio con struttura triangolare bipiramidale. La reazione complessiva porta all'inversione della configurazione del gruppo fosforico tetraedrico;
Il trasferimento del gruppo glicosidico coinvolge la sostituzione di un gruppo nucleofilo con un altro sull'atomo di carbonio C(1) di un anello saccaridico. I modelli chimici delle reazioni di un acetale procedono, di norma, attraverso la rottura catalizzata del primo legame per formare un carbocatione stabilizzato per risonanza a livello del C(1) (uno ione ossonio);
OSSIDAZIONI E RIDUZIONI
Le reazioni di ossidoriduzione (redox) coinvolgono l'acquisto o la perdita di elettroni. In molte di queste reazioni che avvengono nelle vie metaboliche si ha la rottura di un legame C—H, con, alla fine, perdita dei due elettroni di legame dall'atomo di carbonio. Questi elettroni vengono trasferiti ad un accettore come in NAD+. Quindi, gli elettroni rimossi in coppie dai metaboliti devono passare uno alla volta attraverso una catena di trasporto degli elettroni. Ciò avviene mediante l'uso coniugato di coenzimi che possono assumere stati di ossidazione stabili anche in forma di radicali e quindi possono partecipare a reazioni redox a uno oppure a due elettroni. Uno di questi coenzimi è il FAD.
ELIMINAZIONI, ISOMERIZZAZIONI E RIARRANGIAMENTI
Le reazioni di eliminazione portano alla formazione di un doppio legame tra centri saturi che precedentemente erano legati da un legame singolo. Le sostanze eliminate possono essere H2O, NH3, un alcol (ROH) oppure un ammina primaria (RNH2). La deidratazione di un alcol, per esempio, è una reazione di eliminazione.
In questa reazione la rottura e il rifacimento dei legami può procedere mediante tre meccanismi diversi: (1) concertato, (2) a tappe con dapprima la rottura del legame C—O per formare un carbocatione e (3) a tappe con la rottura del legame C—H per formare un carboanione.
Gli enzimi catalizzano reazioni di deidratazione mediante due meccanismi semplici: (1) protonazione di un gruppo OH per donazione da parte di un gruppo acido (catalisi acida) oppure (2) sottrazione di un protone da parte di un gruppo basico (catalisi basica). Le reazioni di eliminazione, comunque, possono prendere le due vie stereochimiche possibili: (1) le eliminazioni trans (anti), il meccanismo prevalente in biochimica, e (2) le eliminazioni cis (sin), che sono invece meno comuni.
Le reazioni di isomerizzazione, invece, in biochimica avvengono mediante lo spostamento di un atomo di idrogeno in modo da modificare la localizzazione di un doppio legame. In questo processo, viene rimosso un protone da un atomo di carbonio e viene aggiunto a un altro. La reazione di isomerizzazione metaboliticamente più rilevante è l'interconversione aldoso-chetoso, una reazione soggetta alla catalisi basica che ha come intermedio un anione enolico.
Le reazioni di riarrangiamento, invece, rompono e riformano legami C—C in modo da riorganizzare lo scheletro carbonioso di una molecola. Solo un numero molto limitato di queste reazioni è stato identificato in biochimica. Una è la conversione dell'L-metilmalonil-CoA in succinil-CoA ad opera della metilmalonil-CoA mutasi, un enzima il cui gruppo prostetico è un derivato della vitamina B12:
Questa reazione è coinvolta nell'ossidazione degli acidi grassi con un numero di atomi di carbonio dispari e di alcuni amminoacidici.
REAZIONI CHE FORMANO E ROMPONO LEGAMI CARBONIO-CARBONIO
Le reazioni che formano e rompono legami carbonio-carbonio costituiscono le basi del metabolismo dia degradativo che biosintetico. Queste reazioni, viste nella direzione della sintesi, sono dovute a un attacco di un atomo di carbonio nucleofilo a un atomo di carbonio elettrofilo. I più comuni atomi di carbonio elettrofilici in queste reazioni sono gli atomi di carbonio sp2 dei gruppi carbonilici di aldeidi, chetoni, esteri e CO2.
Per attaccare questi centri elettrofilici è necessario generare i carboanioni stabilizzati. Tre esempi sono la condensazione aldolica (catalizzata dall'aldolasi), la condensazione di Claisen degli esteri (citrato sintasi) e la decarbossilazione di un β-chetoacido (isocitrato deidrogenasi e acido grasso sintetasi).