4.3: Reducción de Oxígeno
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El oxígeno molecular se explota de diversas maneras en biología. Además de su papel central en el metabolismo, también juega un papel crucial en la modificación de muchos compuestos a través de la incorporación de átomos de oxígeno a la estructura.
Por ejemplo, los citocromos P450 forman una importante clase de enzimas involucradas en la oxidación de sustratos, principalmente en el hígado. Un átomo de oxígeno de una molécula de O 2 se incorpora a la molécula sustrato; el átomo de oxígeno restante se convierte en agua. Este tipo de enzima se denomina “monooxigenasa” debido a la adición de un átomo de oxígeno de O 2 al sustrato.
La adición de átomos de oxígeno a las moléculas, típicamente en forma de grupos hidroxilo, es de vital importancia. La reacción puede haber evolucionado por varias razones. Una razón clave es aumentar la solubilidad en agua de pequeñas moléculas orgánicas, que luego se excretan más fácilmente a través de la orina o se descomponen mediante reacciones posteriores. La hidroxilación nos permite deshacernos de sustancias extrañas. De lo contrario, estas moléculas hidrofóbicas se acumularían en los tejidos.
La vía del citocromo P450 es una vía importante para la descomposición y excreción de productos farmacéuticos, por ejemplo. Podemos deshacernos de estas sustancias después de que hayan hecho su trabajo. En otros casos, los productos farmacéuticos no están activos hasta que se hidroxilan; la reacción actúa como un interruptor de “encendido”. En otros casos, la hidroxilación es una complicación peligrosa, convirtiendo a un farmacéutico útil en una toxina.
Exactamente ¿cómo se rompe el O 2 en pedazos adecuados para su incorporación a otras moléculas? Es un problema muy complicado. Existe todo un campo de químicos que estudian la “activación de moléculas pequeñas”, que se refiere a la descomposición de cosas como O 2, N 2, CO o metano para su posterior conversión en otros compuestos. De hecho, existe todo un campo de químicos y bioquímicos que apenas se enfocan en el citocromo P450, tratando de conocer más sobre cómo funciona. Lo hacen tanto para entender más sobre un sistema biológico que está relacionado con la salud humana como para conocer cómo mejorar los procesos industriales que involucran la oxidación de sustratos.
Algunas cosas se entienden bastante bien. Vamos a echar un vistazo general, dejando fuera algunos detalles importantes para que las cosas no sean demasiado abrumadoras.
El primer paso es solo la unión del dioxígeno a un metal. En el citocromo P450, ese átomo de hierro se parece mucho al de la hemoglobina. En su estado de reposo, es formalmente un ion Fe (III) en un anillo de porfirina, pero con un donante axial de cisteína en lugar de una histidina. Además, se coordina una molécula de agua para formar un complejo octaédrico.
Eso no deja lugar para que el dioxígeno se una. Sin embargo, una vez que el sustrato ingresa a la enzima, un cambio conformacional da como resultado la pérdida de la molécula de agua. Después de eso, un electrón es entregado a partir de un cofactor, lo que lleva a un complejo Fe (II).
En este punto, las cosas se parecen un poco más a la hemoglobina. Al igual que en la hemoglobina, el O 2 se une al hierro, que inmediatamente transfiere un electrón al dioxígeno unido, formando un complejo de superóxido de Fe (III).
La diferencia es que las cosas no se detienen ahí. La adición de un segundo electrón a partir de un cofactor inclina las cosas un poco más allá. Un electrón más convierte el ion superóxido en un ion peróxido.
En este punto, hemos cortado por completo el primero de los dos bonos O=O. Ya casi estamos ahí. La adición posterior de dos protones conduce a la formación de una molécula de agua. Ahora tenemos un átomo de oxígeno ligado al hierro.
¿Cómo pensamos de esa especie? Podemos pensar en varias estructuras de resonancia. El oxígeno deficiente en electrones está unido a un átomo de hierro. El hierro posee un reservorio de electrones. Puede donar uno al átomo de oxígeno. Incluso podría donar dos electrones, haciendo un complejo de óxido de hierro (V), pero eso podría estar yendo demasiado lejos.
En la estructura de resonancia con hierro (IV), vemos un átomo de oxígeno con un solo electrón desapareado. Esta especie se llama radical. Los radicales son conocidos por extraer átomos de hidrógeno de otras moléculas. Eso solo hace un nuevo radical. Este es el problema con los radicales; son difíciles de eliminar, porque siempre están ganando más. También hace un complejo hidroxi de hierro, que puede combinarse con el radical en una etapa de “rebote” para formar el compuesto hidroxilado.
Veremos más de este tipo de eventos en el capítulo sobre radicales.
Rellene los intermedios faltantes en el siguiente esquema.
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El laboratorio Karlin (Johns Hopkins) ha desarrollado una serie de compuestos modelo para monooxigenasas que contienen cobre (J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 8063-71).
a) Rellene un material de partida razonable que pueda encontrar en el almacén de química.
b) La reacción con O 2 da complejos diméricos de cobre (L n Cu 2) de dos tipos: con un anión peróxido puente o con dos aniones óxido puente. Dibuja ambos dímeros.
c) O 2 se reduce/oxida (seleccione uno) por _____ (número de) electrones para hacer anión peróxido.
d) O 2 se reduce/oxida (seleccione uno) por _____ (número de) electrones para hacer anión óxido.
e) Identificar los estados de oxidación de los iones de cobre en los dos dímeros.
f) En el ligando, si el grupo ZR = Set, la reacción forma el puente de peróxido. Si ZR = OEt, forma el puente de óxido. Sugerir una razón por la cual.
g) Con Z = S, el grupo R influye en qué dímero forma y afecta el enlace Cu-S. Predecir la combinación de características que se encuentran en cada producto y proporciona una explicación.
R = Peróxido Et/óxido Enlace Cu-S/sin enlace Cu-S
R = Ph peróxido/óxido enlace Cu-S/sin enlace Cu-S