Epímeros: Definición, mecanismo y ejemplos

¿Qué son los epímeros?

Los estereoisómeros son dos moléculas que tienen la misma fórmula molecular y la misma conectividad entre sus átomos, y se diferencian únicamente en su estructura tridimensional. Estas diferencias en la estructura 3D surgen de diferentes disposiciones relativas de átomos (o grupos de átomos) alrededor de un estereocentro, que se refiere a un átomo unido a cuatro grupos moleculares únicos que pueden producir una de dos posibles disposiciones relativas de estos grupos. Dos moléculas que difieren en su estructura tridimensional en relación con un solo estereocentro son imágenes especulares entre sí y se denominan enantiómeros. Algunas moléculas tienen más de un estereocentro. Estas moléculas tienen pares de enantiómeros. Sin embargo, para moléculas con más de un estereocentro, los pares de enantiómeros deben tener una disposición diferente en cada estereocentro. Los pares que difieren sólo en algunos estereocentros, no en todos, se denominan diastereómeros. Los epímeros son los miembros individuales de un par de diastereómeros. A diferencia de los enantiómeros, los epímeros no son imágenes especulares entre sí. Por lo tanto, los epímeros no tienen las mismas propiedades ópticas que los enantiómeros de desviar la luz polarizada plana en direcciones iguales y opuestas.

Mecanismo de epimerización

La epimerización se refiere a la conversión de un epímero de una molécula a otro. Esto puede ocurrir de forma espontánea (que suele ser un proceso lento) o ser catalizado por un grupo de enzimas conocidas como isomerasas. Las isomerasas suelen catalizar el cambio en la estereoquímica de un estereocentro en una molécula. Por lo tanto, normalmente catalizan el cambio entre epímeros, pero no enantiómeros, de moléculas con más de un estereocentro. Dos ejemplos de epimerización catalizada por isomerasas son el alivio del estrés de torsión en las horquillas de replicación del ADN por la topoisomerasa y la conversión de N-acetilglucosamina en N-acetilmanosamina por la proteína de unión a renina.

Epímeros vs Anómeros

Los anómeros son un tipo específico de epímero que se encuentra en las moléculas de carbohidratos (azúcar). Los anómeros son epímeros que difieren en su estructura tridimensional entre sí en un solo sitio: el carbono hemiacetal/hemicetal, también llamado carbono anomérico. El carbono anomérico se refiere al átomo de carbono en la cadena de carbono cíclica que se puede reducir para formar un aldehído o una cetona. Por tanto, los azúcares que contienen un carbono anomérico se conocen como azúcares reductores. Todos los monosacáridos y algunos polisacáridos son azúcares reductores, pero algunos polisacáridos, como la sacarosa, no son azúcares reductores debido a que los carbonos anoméricos de los monosacáridos adyacentes están unidos entre sí. En las representaciones estructurales de las moléculas de azúcar, el carbono anomérico suele mostrarse como el primer carbono de la cadena de carbonos. Los anómeros también tienen nombres para distinguir sus formas: la designación alfa se le da a la forma donde el grupo OH en el carbono anomérico apunta hacia abajo, y la designación beta se le da a la forma donde el grupo OH en el carbono anomérico apunta hacia arriba.

Es útil explorar los anómeros como un tipo específico de epímero porque la conversión entre carbohidratos cíclicos y azúcares reducidos (y viceversa) ocurre cuando es catalizada por ácidos y bases en solución. Esta flexibilidad entre formas también se conoce como mutarotación, ya que la flexibilidad de estas formas haría que el carbono anomérico rotara entre cada forma. Sin embargo, esto no significa que cada forma sea favorecida por igual en todas las circunstancias. Por ejemplo, se sabe que una muestra de D-glucosa eventualmente se resolverá en un equilibrio compositivo compuesto por aproximadamente un 64 % de beta-D-glucopiranósido y un 36 % de alfa-D-glucopiranósido.

Otra forma de pensar en la flexibilidad entre anómeros es considerar la designación del carbono anomérico como si estuviera en un enlace hemiacetal o hemicetal. El prefijo “hemi-” significa parcial, lo que significa que un azúcar reductor tiene dobles enlaces parciales con cada uno de los oxígenos unidos al carbono anomérico (o un enlace que se encuentra entre un enlace simple y un enlace doble). Este enlace parcial es más exactamente un promedio, que representa el favoritismo relativo que tiene la molécula hacia cada anómero.

Ejemplo de epímeros

Dado su tamaño y complejidad, las moléculas biológicas incluyen muchos ejemplos diferentes de epímeros. A continuación se muestran algunos ejemplos de cada una de las cuatro clases principales de moléculas biológicas: carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos:

• Carbohidratos: la D-glucosa y la D-galactosa son dos epímeros de carbohidratos. Muchos pares de azúcares son epímeros (fuera de los anómeros), ya que la orientación opuesta en cualquier carbono de la cadena de carbono dará como resultado epímeros de azúcar.

• Proteínas: Los aminoácidos isoleucina y treonina tienen cada uno dos estereocentros y, por lo tanto, pueden formar epímeros. Los otros aminoácidos tienen un estereocentro (o cero para la glicina), lo que significa que no tienen epímeros. Cuando los aminoácidos se unen para formar una proteína, el número de estereocentros aumenta rápidamente. Esto significa que una proteína de mamífero de tamaño medio de unos 500 aminoácidos puede tener muchos estereoisómeros posibles.

• Lípidos: dado que los lípidos están compuestos de largas cadenas de carbono, los epímeros se ven más en los lípidos que se sintetizan para formar hormonas, que tienen estructuras químicas significativamente más complejas y es más probable que tengan estereocentros. Un ejemplo es el colesterol.

• Ácidos nucleicos: dado que los enlaces de fosfato y las bases nitrogenadas que se encuentran en los nucleótidos no contienen estereocentros, los epímeros de ácidos nucleicos resultan del cambio de orientación de los carbonos en la columna vertebral de azúcar de la molécula. Un ejemplo es el ácido arabinonucleico (ANA), un epímero del ARN que tiene la estereoquímica opuesta en el segundo carbono de la cadena principal de ribosa.

Los epímeros también son muy comunes entre las moléculas de fármacos, ya que también tienden a ser moléculas de mayor tamaño. Ejemplos de epímeros de moléculas de fármacos son los fármacos doxorrubicina y epirrubicina, ambos fármacos de quimioterapia.

Resumen de la lección

Los estereoisómeros son moléculas que tienen la misma fórmula química y conexiones entre sus átomos pero tienen diferentes estructuras 3D. Para que una molécula sea un estereoisómero, al menos un átomo debe estar conectado a cuatro grupos moleculares diferentes, lo que se conoce como estereocentro. Los epímeros son estereoisómeros con dos o más estereocentros que difieren en la estructura 3D en algunos, pero no en todos, sus estereocentros. Los epímeros están emparejados en un par de diastereómeros. Los epímeros se diferencian de los enantiómeros porque los epímeros, a diferencia de los enantiómeros, no son imágenes especulares entre sí.

El proceso de cambio de un epímero a otro se llama epimerización. Esto puede ocurrir de forma espontánea o ser causado por enzimas conocidas como isomerasas. Los anómeros son un tipo específico de epímero que se encuentra en las moléculas de azúcar. Los anómeros difieren en la disposición tridimensional del carbono anomérico, que es un átomo de carbono que se encuentra en la cadena de carbono de los azúcares reductores. El carbono anomérico tiene enlaces hemiacetal o hemiketal con ambos átomos de oxígeno unidos. Los anómeros cambian regularmente entre formas anoméricas en un proceso conocido como mutarotación, que eventualmente dará como resultado un equilibrio de mezcla de anómeros específicos de cada azúcar. Se pueden encontrar muchos ejemplos de epímeros, especialmente en moléculas biológicas y en moléculas de fármacos. Esto se debe a que las moléculas biológicas y las moléculas de fármacos tienden a ser grandes y complejas.