Reazioni di isomerizzazione

Le reazioni di isomerizzazione sono reazioni in cui un composto è trasformato in un suo isomero con la rottura di legami e la formazione di altri legami e conseguente modificazione dello scheletro molecolare.

Nel caso di reazioni biologiche le reazioni di isomerizzazione sono spesso catalizzate da un enzima appartenente alla classe delle isomerasi.

Reazioni di isomerizzazione biologiche

Un esempio di reazione biologica è la trasformazione del glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato. La reazione avviene nella prima fase della glicolisi ed avviene grazie alla glucosio-6-fosfato isomerasi

Un’altra reazione che in senso lato può essere definita di isomerizzazione almeno per quanto attiene il prodotto iniziale e quello finale avviene nella seconda fase del ciclo di Krebs. Il citrato è dapprima disidratato dall’enzima aconitasi a cis-aconiato che, tramite lo stesso enzima, è idratato a isocitrato

Altro esempio di reazione di isomerizzazione ci è dato dalla trasformazione del D-ribulosio-5-fosfato a xilulosio-5-fosfato. La reazione avviene grazie all’azione  dell’enzima ribulosio-5-fosfato-epimerasi.

Tale reazione che avviene nella via dei pentoso fosfati è una reazione di epimerizzazione ovvero una reazione in cui si ottiene un diastereoisomero che presenta una diversa configurazione rispetto al reagente in uno stereocentro

Reazioni industriali

Le reazioni di isomerizzazione, tuttavia, non avvengono solo nel campo della chimica biologica. Ad esempio nell’industria petrolchimica è attuato il reforming per trasformare un alcano a catena lineare in un suo isomero a catena ramificata onde aumentarne il numero di ottani.

Il processo industriale utilizza il cloruro di alluminio quale catalizzatore.

Ad esempio il n-butano è trasformato nel suo isomero 2-metilpropano che è usato come specie di partenza per ottenere il 2,2,4-trimetilpentano che ha numero di ottani pari a 100.

Anche gli alcheni possono dare reazioni di isomerizzazione. Ad esempio, lo Z-stilbene o cis-stilbene, isomerizza in presenza di luce e tracce di iodio a E-stilbene o trans-stilbene

Un altro esempio di reazione di isomerizzazione è la trasformazione dell’acido maleico ad acido fumarico

Tale reazione è catalizzata da acidi minerali o da tiourea. L’interconversione tra i due isomeri non avviene spontaneamente in quanto la rotazione intorno al doppio legame non è energeticamente favorita. Pertanto avviene in presenza di luce e tracce di bromo tramite un meccanismo radicalico.

Isomerizzazione della prolina

L’isomerizzazione delle proteine ​​è stata descritta per la prima volta nel 1968 ed è stato dimostrato che influenza notevolmente la conformazione delle proteine ​​distruggendo la struttura secondaria dei polipeptidi.

L’isomerizzazione avviene spontaneamente, ma gli enzimi chiamati prolina isomerasi si sono evoluti per accelerare il passaggio tra diverse conformazioni. L’isomerizzazione della prolina, il processo di interconversione tra le forme cis e trans della prolina, è un’importante e unica modifica post-traduzionale che può influenzare il folding e le conformazioni delle proteine ​​e, in definitiva, regolare le funzioni delle proteine ​​e i percorsi biologici.

Lo studio della prolina affonda le sue radici in una scoperta fondamentale di Richard Willstatter nel 1900 quando sintetizzò la prolina dall’estere malonico di sodio e dal bromuro di trimetilene. Un anno dopo, nel 1901, Emil Fischer isolò la prolina dalla caseina idrolizzata.  Da allora, la caratterizzazione del legame peptidico e la rappresentazione delle strutture atomiche degli amminoacidi, inclusa la prolina, hanno rivelato l’esistenza di conformatori cis e trans .

Fu solo diversi decenni dopo, nel 1975, che Brandts e i suoi colleghi dimostrarono il ruolo dell’isomerizzazione della prolina come fase limitante la velocità nello sviluppo e nel ripiegamento della ribonucleasi A bovina. L’isomerizzazione della prolina è un processo di interconversione costante  da cis a trans e viceversa. Nel tempo, le concentrazioni dell’isomero cis  e di quello trans  diventano costanti e la velocità di isomerizzazione della prolina in entrambe le direzioni diventano uguali e il sistema raggiunge l’equilibrio dinamico