Sostituzione Nucleofila, Carboidrati e Lipidi, Biochimica

Reazioni di sostituzione nucleofila

Finiamo il discorso sulle reazioni di sostituzione nucleofila. Comprende reazioni di aldeidi con alcoli, alcoli con acidi carbossilici, reazioni di ammine con aldeidi e reazioni di ammine con acidi carbossilici. All'interno degli alcoli si può sostituire l'OH con il tiolo, gruppo -SH; quindi tutte le reazioni in biochimica con gli SH, possono dare sostituzioni nucleofile allo stesso modo degli alcoli.

Così pure le aldeidi e i chetoni, l'attività del gruppo carbonilico; quando si parla di gruppo carbossilico la stessa reazione può venire per gli esteri fosforici. Le reazioni di sostituzione nucleofila abbracciano il 70% di tutte le reazioni della biochimica, tioli, alcoli, aldeidi o chetoni, acidi carbossilici o derivati dell'acido fosforico, ammine con aldeidi o chetoni, ammine con acidi carbossilici.

Meccanismo delle reazioni con ammine

Per quanto riguarda il meccanismo delle ammine, è un po' più complicato: alcol + acido carbossilico a pH 7 in acqua già danno una reazione apprezzabile, molto lenta (poi gli enzimi le catalizzano) però in linea di massima sono tutte reazioni che possono avvenire spontaneamente in acqua a pH fisiologico.

Le ammine invece no, perché a pH fisiologico le ammine sono tutte sotto forma di ione ammonio quaternario, quindi le ammine devono avere un altro meccanismo per fare la reazione di sostituzione nucleofila.

Prodotti delle reazioni

Quindi i prodotti R1-OH + R2 darà: se aldeide un classico emiacetale, ponte etere con carbonio centrale con una funzione alcolica, quindi funzione emiacetalica ponte etere più funzione alcolica; l'alcol più acido carbossilico dà l'estere; l'ammina più aldeide o chetone dà l'immina, che in casi particolari viene chiamata base di Schiff; ammina + acido carbossilico danno l'ammide.

Reazioni con enzimi

Delle reazioni fra gli alcoli, ci sono reazioni con gli enzimi ma possono avvenire spontaneamente, come ad esempio la ciclizzazione degli zuccheri, invece per un emiacetale tra due molecole diverse serve l'enzima.

Per riuscire a effettuare la reazione tra un'ammina sotto forma di ione ammonio quaternario e un'aldeide o un chetone si necessita di un enzima, che dovrà avere un residuo accettore di protoni che serve a deprotonare l'ammina. Ad esempio, il piridossal-fosfato, con il formile in posizione 4, gruppo molto reattivo, non fa altre reazioni perché non ha il protone in alfa (ha un sistema aromatico, non un protone).

Il piridossal fosfato funziona solo in presenza di un enzima, perché il piridossal fosfato ha anche lui un gruppo carbonilico che deve subire un attacco nucleofilo da parte di un'ammina, quindi l'ammina deve essere deprotonata dall'enzima se no la reazione non può avvenire (vale per tutti questi tipi di reazione).

Ad ammina deprotonata, avrà un doppietto elettronico e potrà fare attacco nucleofilo al carbonio carbonilico (se è deprotonata). Si forma l'intermedio tetraedrico: uno dei protoni va subito sull'ossigeno, quindi legame per legame arriviamo alla situazione in cui avremo una carica positiva dell'ammina che destabilizza parzialmente il sistema e a differenza degli emiacetali, qui gli elettroni si riuniscono in maniera che il protone si lega all'ossigeno e se ne va come acqua.

Se noi facciamo un attacco nucleofilo del gruppo amminico come NH₂ e formiamo un legame col carbonio, questo diventa sempre un ammonio quaternario, si rompe il doppio legame, però il sistema evolve ancora, avremo NHCH e rimaniamo con un carbonio, se ne va una molecola d'acqua, prendendosi l'H dall'enzima, ridà un protone all'ossigeno, rimane un carbonio sguarnito che va a formare il doppio legame con l'azoto; per cui arriviamo a un prodotto finale nel caso dell'ammina, si rigenera l'enzima, e l'ammina alla fine si trasforma in immina.

Quindi nella reazione tra un'ammina e un'aldeide, il meccanismo è sempre di attacco nucleofilo, ma non può avvenire se non c'è un intervento esterno, l'enzima che si prende il protone dell'azoto ad ammonio quaternario e lo cede di nuovo per favorire l'uscita dell'acqua e quindi la sostituzione dell'ossigeno con l'azoto; quindi parallelo: reazione alcol aldeide avremo emiacetale.

Anche l'immina viene in genere fuori come azoto protonato ed è in genere una specie carica, a meno che l'enzima non abbia abbastanza affinità del protone per sottrarlo, in un'alta percentuale rimane come immina semplice. Il meccanismo in realtà è lo stesso, in tutti e due i casi c'è attacco nucleofilo, però...