Enlace de hidróxeno de barreira baixa

Perfís de enerxía para diferentes tipos de enlaces de hidróxeno entre heteroátomos de oxíxeno. Os enlaces de hidróxeno estándar son asimétricos, e o hidróxeno está asociado cun dos heteroátomos. Cando os pKa entre os heteroátomos é igual, fórmase un enlace de hidróxeno simétrico co hidróxeno en equilibrio entre dúas localizacións. A distancias máis curtas, a barreira entre os dous mínimos de enerxía é suficientemente baixa como para que o hidróxeno estea enlazado de maneira igualada como un enlace de hidróxeno de barreira baixa ou de pozo único.

Un enlace de hidróxeno de barreira baixa é un tipo especial de enlace de hidróxeno que se pode orixinar cando os pKa dos dous heteroátomos que interveñen no enlace están moi igualados, o cal permite que o hidróxeno sexa compartido entre eles de modo máis equitativo. Esta compartición do hidróxeno causa a formación de enlaces de hidróxeno especialmente curtos e fortes.[1]

Descrición

Neste composto macrocíclico de tipo coroa aza, un protón sitúase entre dous oxíxenos do carbonilo da amida separados por unha distancia de 2,45 Å.[2]

Os enlaces de hidróxeno ordinarios son máis longos (por exemplo de 2,8 Å para un enlace de H entre oxíxenos), e o ión hidróxeno pertence claramente a un dos heteroátomos. Pero cando o pKa dos heteroátomos está moi igualado, é posible que se estableza un enlace de hidróxeno de barreira baixa cunha distancia máis curta (~2,55 Å). Cando a distancia decrece máis (< 2,29 Å) o enlace caracterízase por ter un só pozo na gráfica e ser un enlace de hidróxeno curto e forte.[3]

Proteínas

Os enlaces de hidróxeno de barreira baixa aparecen nos ambientes do interior das proteínas nos que a auga está excluída.[4] Neles múltiples residuos actúan xuntos nun sistema de relevo de carga para controlar os valores do pKa dos residuos implicados. Os enlaces de hidróxeno de barreira baixa tamén aparecen na superficie das proteínas, pero alí son inestables debido á súa proximidade á masa de auga que as rodea e os requirimentos desfavorables das fortes pontes salinas da interface proteína-proteína.[4]

Catálise encimática

Propúxose que as pontes de hidróxeno de barreira baixa son relevantes para a catálise encimática en dous tipos de circunstancias.[5] Primeiro, un enlace de hidróxeno de barreira baixa nunha rede de relevo de carga no sitio activo do encima podería activar un residuo catalítico (por exemplo entre o ácido e a base dunha tríade catalítica). En segundo lugar, a formación de dito enlace podería darse durante a catálise para estabilizar o estado de transición (por exemplo no estado de transición do substrato nun burato de oxianión). Ambos os mecanismos son discutidos, e as consideracións teóricas e as probas experimentais están repartidas entre as que están a favor de que realmente ocorren e as que non.[6][7] Desde a década de 2000, o consenso xeral foi que os encimas non usan os enlaces de hidróxeno de barreira baixa para axudar á catálise.[7][8] Porén, en 2012, propúxose que un enlace de hidróxeno de barreira baixa estaba implicado na discriminación fosfato-arsenato en proteínas que transportan fosfato.[9] Este descubrimento podería sinalar a posibilidade de que estes enlaces xoguen un papel catalítico na selección do tamaño do ión nalgúns casos moi raros.

Notas

  1. ↑ Gilli, G.; Gilli, P. (2000-09-26). "Towards an unified hydrogen-bond theory". Journal of Molecular Structure 552 (1–3): 1–15. Bibcode:2000JMoSt.552....1G. doi:10.1016/S0022-2860(00)00454-3. 
  2. ↑ Day, Victor W.; Hossain, Md. Alamgir; Kang, Sung Ok; Powell, Douglas; Lushington, Gerald; Bowman-James, Kristin (2007). "Encircled Proton". J. Am. Chem. Soc. 129 (28): 8692–3. doi:10.1021/ja0724745. 
  3. ↑ Schiøtt B, Iversen BB, Madsen GK, Larsen FK, Bruice TC (outubro de 1998). "On the electronic nature of low-barrier hydrogen bonds in enzymatic reactions". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95 (22): 12799–802. Bibcode:1998PNAS...9512799S. PMC 23598. PMID 9788994. doi:10.1073/pnas.95.22.12799. 
  4. ↑ 4,0 4,1 Ishikita, Hiroshi; Saito, Keisuke (2014-02-06). "Proton transfer reactions and hydrogen-bond networks in protein environments". Journal of the Royal Society Interface 11 (91): 20130518. ISSN 1742-5689. PMC 3869154. PMID 24284891. doi:10.1098/rsif.2013.0518. 
  5. ↑ Cleland, W. W.; Frey, P. A.; Gerlt, J. A. (2 de outubro de 1998). "The Low Barrier Hydrogen Bond in Enzymatic Catalysis". Journal of Biological Chemistry 273 (40): 25529–25532. PMID 9748211. doi:10.1074/jbc.273.40.25529. 
  6. ↑ Ash, E. L. (7 de novembro de 1997). "A Low-Barrier Hydrogen Bond in the Catalytic Triad of Serine Proteases? Theory Versus Experiment". Science 278 (5340): 1128–1132. Bibcode:1997Sci...278.1128A. PMID 9353195. doi:10.1126/science.278.5340.1128. 
  7. ↑ 7,0 7,1 Schutz, Claudia N.; Warshel, Arieh (1 de abril de 2004). "The low barrier hydrogen bond (LBHB) proposal revisited: The case of the Asp ··· His pair in serine proteases". Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 55 (3): 711–723. PMID 15103633. doi:10.1002/prot.20096. 
  8. ↑ Warshel, Arieh; Sharma, Pankaz K.; Kato, Mitsunori; Xiang, Yun; Liu, Hanbin; Olsson, Mats H. M. (agosto de 2006). "Electrostatic Basis for Enzyme Catalysis". Chemical Reviews 106 (8): 3210–3235. PMID 16895325. doi:10.1021/cr0503106. 
  9. ↑ Elias, Mikael; Wellner, Alon; Goldin-Azulay, Korina; Chabriere, Eric; Vorholt, Julia A.; Erb, Tobias J.; Tawfik, Dan S. (2012-11-01). "The molecular basis of phosphate discrimination in arsenate-rich environments". Nature 491 (7422): 134–137. Bibcode:2012Natur.491..134E. ISSN 0028-0836. PMID 23034649. doi:10.1038/nature11517.