HH (2007)

Otro Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Bioquímica - 5º curso
Asignatura HH
Año del apunte 2007
Páginas 10
Fecha de subida 19/10/2014
Descargas 23
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 5: Anàlisi conformacional 1. Concepte de conformació 2. Representació de les conformacions 3. Sistemes acíclics 4. Equilibri conformacional 5. Sistemes cíclics 6. Importància de la conformació en sistemes bioquímics 1. Concepte de conformació Conformació: és cadascuna de les diferents geometries que una molècula pot adoptar per rotació al voltant dels seus enllaços .
Una molècula pot trobar-se en infinites conformacions. Les situacions extremes en les quals pot trobar-se s’anomenen alternada (angles diedres* de 60º i els més allunyats de 180º (en l’exemple els hidrògens vermells de la molècula d’avall a l’esquerra)) i eclipsada (angles diedres de 0º). La resta de conformacions, que són infinites, s’anomenen inclinades.
En l’exemple de l’età, com que no podem diferenciar un hidrogen d’un altre, tenim tres conformacions alternades idèntiques i tres conformacions eclipsades idèntiques també. Per passar d’una alternada a una altra girem 120º (els enllaços sigma C-H i C-C podran girar, però puc originar diferents geometries).
*Un angle diedre és un angle entre plans.
1 2. Representació de les conformacions Hi ha diferents maneres de representar les diferents conformacions d’una molècula. Pot fer-se mitjançant les perspectives de cavallet o les projeccions de Neuman.
Diagrames d’energia potencial L’anàlisi conformacional estudia les variacions energètiques associades als canvis conformacionals que experimenten les molècules com a conseqüència de les rotacions al voltant d’enllaços . En la figura veiem un exemple de diagrama d’energia potencial: On l’estat de transició és el màxim energètic que s’ha de superar per passar a productes i en l’eix de la y hi ha l’energia i en l’eix de la x la coordenada de reacció. La coordenada de reacció 2 representa un conjunt de paràmetres, ja que no se sap definir quins seran els paràmetres que variaran.
Mirem, per exemple, el cas del trencament d’un enllaç covalent homolític com el de Br-Br (recorda que un enllaç covalent pot ser homolític, en el cas en què al trencar-se doni dues parts iguals (cada fragment s’endurà un electró de manera que em quedin dos radicals o un anió i un catió), o heterolític, en el cas en què en trencar-se doni dues parts diferents).
Aplicant als reactius (Br-Br) una energia que ve donada per l’equació de Planck ( ) obtenim el producte (2Br radicals). En aquest cas, mentre se separen hi haurà un paràmetre (geomètric) que variarà: la distància o longitud d’enllaç. D’aquesta manera, en aquest exemple la coordenada de reacció és la distància.
Normalment, la coordenada de reacció representa més d’un paràmetre, com bé poden ser els angles diedres, la distància, angles d’enllaç...
3. Sistemes acíclics Molècula d’età Veiem que hi ha unes situacions on l’estabilitat de la molècula és màxima i d’altres on l’estabilitat és mínima, és a dir, que tenen mínims o màxims energètics (tal i com es veu en el dibuix).
En el cas de la molècula d’età els conformers més estables de la molècula es troben en els mínims energètics i es troben en conformació alternada. En canvi, els menys estables es troben en els màxims energètics i tenen conformació eclipsada (són més inestables perquè hi ha més repulsions electròniques entre els àtoms de la mateixa molècula).
3 Molècula de butà El mateix passa per la molècula de butà, però en aquest cas veiem que l’enllaç 2 i 3 (CH3-CH2CH2-CH3) són diferents i que, per tant, tenim dues possibilitats diferents.
Els mínims, doncs, no seran iguals, en tindrem dos de diferents. Així, diferenciarem els conformers anti dels conformers gauche (anti i gauche són la conformació que trobem en el mínim energètic i que tenen geometries més estables). En els conformers anti la relació entre els dos grups és de 190º, mentre que en els conformers gauche la relació entre els dos grups és de 60º.
D’aquesta manera, en aquest cas a la repulsió electrònica li hem de sumar la repulsió estàtica.
Així, els gauche al estar més a prop tindran més repulsió i seran menys estables. La forma eclipsada dels dos metils és menys estable.
4. Equilibri conformacional Molècula de butà L’equilibri conformacional està controlat per les tensions torsionals i les estèriques. Hi ha tensió torsional quan els enllaços estan alineats (és degut a la repulsió dels parells d’electrons dels enllaços eclipsats), mentre que hi ha una tensió estèrica que té a veure amb la repulsió deguda a les forces de Van der Waals.
4 La posició d’equilibri entre les diferents conformacions ve determinada per , és a dir, que determina les proporcions a l’equilibri (com més gran més desigualtat). En aquest cas l’energia lliure de Gibbs és de 0.9Kcal/mol: hi ha una relació 90-10 (90% anti i 10% gauche). Podem interpretar això de dues maneres diferents. O bé que el 90% és anti i el 10% gauche, o bé que el 90% de la vida de la molècula se’l passa en posició anti i l’altre 10% en posició gauche.
Corbes de distribució de Boltzmann El gràfic mostra la distribució de Boltzmann de les energies cinètiques moleculars i l’efecte de la temperatura en la fracció de molècules que poden reaccionar (és a dues temperatures). En canviar la temperatura, canvia l’àrea sota la corba de distribució per una energia igual o superior a l’energia d’activació. Observem que l’àrea augmenta en augmentar la temperatura, és a dir, augmentarà el nombre de col·lisions efectives i la velocitat de reacció. L’energia que obtenen ve donada pels xocs.
La fracció de molècules amb energia superior a l’energia d’activació és petita, però augmenta de manera notable amb l’augment de la temperatura. D’aquesta manera, veiem que en la zona marcada en el gràfic hi ha més molècules que es podran interconvertir més fàcilment. Aquest fet no vol dir que hi haurà un canvi en el tant per cent de proporcions, sinó que diu si podran o no convertir-se.
5. Sistemes cíclics Vegem diferents exemples de compostos cíclics: o Ciclopropà Malgrat els hidrocarburs siguin poc reactius, els anells del ciclopropà són més reactius del normal. Això passa perquè l’enllaç és més feble de l’habitual degut a la tensió angular, ja que els H estan eclipsats i no poden canviar de posició.
o Ciclobutà En aquest cas el ciclobutà sí que pot moure’s per tal d’evitar eclipsaments. És per això que fa un moviment de flipping (queda posicionat d’una manera que s’anomena papallona) de manera que l’anell està més tensionat, però hi ha menys eclipsaments. Així, té un cert equilibri conformacional.
5 o Ciclopentà El ciclopentà també pot fer el moviment de flipping, però té més possibilitats (més movi-ment flipping). Els seus angles interiors són de 108º.
o Ciclohexà És més senzill, té anells de sis (sucres). Hi ha dues maneres de deformar: deformació angular o eclipsament i tensió torsional.
Equilibri conformacional del ciclohexà El ciclohexà té un equilibri conformacional en el qual els hidrògens axials (vermells) passen a la posició equatorial i els equatorials (blau/verd) passen a la posició axial.
Si no hi ha substituents, ambdues conformacions tenen la mateixa probabilitat d’existir (són iguals, tenen les mateixes repulsions i tensions) i l’equilibri conformacional no està desplaçat.
En canvi, si hi ha substituents és diferent. N’és un exemple el metilciclohexà, on un hidrogen és substituït per un grup metil. D’aquesta manera, hi haurà una de les dues posicions on el grup metil estarà més allunyat i sentirà menys repulsions (serà la més estable).
A la figura veiem com l’equilibri està desplaçat cap a la forma en gauche, ja que el metil en aquesta posició està el màxim allunyat. Només hi haurà interacció estèrica, de manera que serà més estable (al costat de les projeccions de Neumann tenim la molècula representada en la forma de la cadira).
6 El ciclohexà en el pla té una tensió d’anell (angles) perquè els angles són de 120º i necessitaria angles de 109,5º. A més a més, també té una tensió torcional perquè els H s’eclipsarien (hi hauria 24 eclipsaments perquè cada H s’eclipsa amb 2H (12x2)).
Si se posiciones com en la figura els H en verd no s’eclipsarien, però els de vermell sí. D’aquesta manera, malgrat no haver-hi tensió d’hidrògens, continuaria havent-hi eclipsaments. Aquesta figura, doncs, no és un conformer perquè tinc eclipsaments i podria tenir interaccions. La posició en la què es troba es diu NAU.
Això no passa si es posicionen de la següent manera (aquesta posició es coneix com a CADIRA): En aquesta figura els hidrògens en vermell estan en posició axial (perpendiculars al pla) i els verds estan en posició equatorial (paral·lels al pla). D’aquesta manera, els carbonis frontals estan al màxim d’allunyats possibles, ja que uns es troben per sota del pla i els altres per sobre del pla.
Veiem que posicionats d’aquesta manera no hi ha tensió (angles tetraèdrics) i no hi ha projeccions d’anell (no hi ha eclipsaments).
La molècula posicionada d’aquesta manera fa el moviment de flipping, on els què estaven en posició axial passen a estar en posició equatorial i viceversa. Veiem, doncs, que tindrem dues cadires idèntiques on els hidrògens s’aniran alternant (són les figures de l’inici de l’apartat, p.6).
La posició de la cadira són conformers mínims. En canvi, quan es troben en la posició nau es troben en els màxims (en els estats de transició).
En el cas del ciclohexà, l’energia d’activació equival a uns 10,8Kcal/mol. Aquesta energia és suficientment baixa com perquè a temperatura ambient aquest compost pugui flipar.
Cal tenir en compte que: o Dos axials consecutius formen un angle diedre de 180º o Dos equatorials consecutius formen un angle de 60º o Equatorial-axial formen un angle de 60º (està alternat) 7 Mirem el metilciclohexà en el pla: Veiem que és un ciclohexà i que, per tant, la seva conformació serà una cadira.
En aquest cas, com ja hem dit, no tindrem cadires 50%-50% perquè no tots els substituents són iguals. Com més gran sigui el substituent, més desplaçat cap a l’equatorial estarà l’equilibri.
En equatorial, el grup metil té interaccions amb H (gauche) i té els carbonis el màxim d’allunyats (anti). En canvi, en axial té interaccions gauche amb dos carbonis i preferirà estar en equatorial.
Què passaria si poso més substituents? Si poses dos metils d’aquesta manera: 1,1-dimetilciclohexà les cadires serien idèntiques (en axial un carboni interaccionaria en gauche H i un carboni interaccionaria en gauche 2C i el mateix per equatorial) i en l’equilibri hi hauria el 50% d’un i el 50% de l’altre.
Això no passa, però, en el cas del 1,2-dimetilciclohexà on l’anell té isomeria* cis i trans. L’1,2dimetilciclohexà (cis) està distribuït 50-50 (les cadires axial i equatorial són idèntiques). En canvi, en l’1,2-dimetilciclohexà (trans) les posicions axials i equatorials són diferents. L’equatorial té dos metils que interaccionen amb gauche H i en l’axial hi ha dos metils que interaccionen amb gauche C (guanya l’equatorial encara que hi hagi interaccions gauche entre metils).
*Recorda que un isòmer tenia la mateixa fórmula molecular, però diferent estructura (en aquest cas diferència geomètrica).
8 Efecte anomèric L’equilibri anomèric està desplaçat cap a l’anòmer , però la preferència és poc marcada. El grup OH del carboni anomèric prefereix l’orientació equatorial en menys mesura del que cabria esperar per comparació amb el ciclohexà. Aquest efecte es pot generalitzar a altres sistemes on es doni una situació electrònica similar a la dels sucres. Els sucres estan formats per un grup funcional aldehid o cetona + un grup hidroxil i, per tant, estan polioxidats. En l’exemple tenim uns compostos cíclics derivats d’un determinat sucre: Veiem que tots els carbonis estan units a un oxigen excepte el carboni anomèric, que està unit a dos oxígens.
Les seves proporcions en l’equilibri indicaran la seva estabilitat relativa. A la pràctica veiem que hi ha una proporció 60-40 (més favorable en un punt de vista electrònic; lleuger predomini de (més favorable en un punt de vista estèric)). L’anàlisi conformacional amb hidrocarburs ho compleix, és a dir, aquestes proporcions són vàlides quan el grup del què parlem són els hidrocarburs. Quan en els anells hi tinc àtoms amb polaritat molt diferent del carboni, aleshores no es compleix el què prediem.
Si poso un oxigen axial els dipols es resten, mentre que si el poso equatorial se sumen (també dependrà del dissolvent). Això es veu clarament a la figura, on el sentit de les fletxes en la forma axial es oposat i en la forma equatorial no. D’aquesta manera, en la posició axial els dipols al estar aproximadament oposats es troben en un estat de menor energia, és a dir, més estable.
No és que un conformer sigui més estable, sinó que hi ha dos factors contradictoris, repulsió electrònica i hiperconjugació, i cada un afavoreix a un conformer diferent. Això significa que l’equilibri estarà repartit diferent, depenent de la molècula guanyarà un factor o un altre.
9 Efecte anomèric: efecte estereoelectrònic que descriu la tendència dels substituents heteroatòmics adjacents a un heteroàtom o anell de ciclohexà a preferir la orientació axial en comptes de la orientació equatorial menys coberta, que s’esperaria a partir de consideracions estèriques.
6. Importància de la conformació en sistemes bioquímics Reconeixement molecular: interacció específica entre dues (o més) molècules mitjançant enllaços no covalents. Els enllaços covalents defineixen una molècula: cada molècula és una quantitat discreta i aquestes quantitats discretes poden interaccionar entre elles: forces intermoleculars (ponts d’hidrogen, forces electrostàtiques (amb càrregues: dipol-ió...), Van der Waals (forces electrostàtiques febles, és a dir, dipols induïts, que són dipols fluctuants, més febles que els permanents), metalls (formació de complexes metàl·lics: enllaços de tipus iònic amb metalls) i forces hidrofòbiques (dissolvent per excel·lència: aigua)).
Coneixem dos models de reconeixement molecular, el model estàtic i el model dinàmic, que són els que es mostren en la figura.
Veiem la importància de les diferents conformacions, ja que una alteració en una conformació d’una proteïna pot fer perdre activitat o provocar activitat no desitjada. N’és un exemple el conegut cas de la encepatologia espongiforme, més conegut com a “vaques boges”, on el canvi conformacional en una proteïna (desnaturalització) provocà una activitat no desitjada.
D’aquesta manera podem dir que hi ha una relació entre la conformació o variacions conformacionals i l’activitat biològica d’una biomolècula. Aquests canvis conformacionals estan totalment lligats a l’activitat biològica perquè afecten al reconeixement molecular.
10 ...