Порфирины ( / р ɔːr е ər ɪ п / ПОР -fər-в ) представляет собой группа гетероциклического макроцикл органических соединений , состоящая из четырех модифицированных пиррола субъединиц , соединенных между собой по их & alpha ; углеродных атомы с помощью метиновых мостов (= СН-). Родителем порфирина является порфин , редкое химическое соединение, представляющее исключительно теоретический интерес. Замещенные порфины называются порфиринами. [1] Имея в общей сложности 26 π-электронов, из которых 18 π-электронов образуют плоский непрерывный цикл, порфириновая кольцевая структура часто описывается какароматный . [2] [3] Одним из результатов большой сопряженной системы является то, что порфирины обычно сильно поглощают в видимой области электромагнитного спектра, т. Е. Имеют глубокую окраску. Название «порфирин» происходит от греческого слова πορφύρα ( порфира ), что означает пурпурный . [4]
Комплексы металлов, полученные из порфиринов, встречаются в природе. Одно из самых известных семейств порфириновых комплексов - гем , пигмент красных кровяных телец , кофактор белка гемоглобина .
Порфин - простейший порфирин, редкое соединение, представляющее теоретический интерес.
Производные протопорфирина IX являются обычными в природе предшественниками гема .
Октаэтилпорфирин (H 2 OEP) - синтетический аналог протопорфирина IX. В отличие от природных порфириновых лигандов, OEP 2- обладает высокой симметрией.
Тетрафенилпорфирин (H 2 TPP) - еще один синтетический аналог протопорфирина IX. В отличие от природных порфириновых лигандов, TPP 2- очень симметричен. Другое отличие состоит в том, что его метиновые центры заняты фенильными группами.
Упрощенный вид гема , комплекса протопорфирина IX.
Порфирины представляют собой сопряженные кислоты лигандов, которые связывают металлы с образованием комплексов . Ион металла обычно имеет заряд 2+ или 3+. Схематическое уравнение для этих синтезов показано:
Порфирин без иона металла в полости является свободным основанием . Некоторые железосодержащие порфирины называют гемами. Гемсодержащие белки или гемопротеины широко встречаются в природе. Гемоглобин и миоглобин - это два O 2- связывающих белка, которые содержат порфирины железа. Различные цитохромы также являются гемопротеинами.
Бензопорфирина является порфирином с бензольным кольцом , слитым с одной из пиррола единиц. например, вертепорфин является производным бензопорфирина. [5]
Некоторые другие гетероциклы связаны с порфиринами. К ним относятся коррины , хлорины , бактериохлорофиллы и корфины . Хлорины (2,3-дигидропорфирин) более восстановлены, содержат больше водорода, чем порфирины, т.е. один пиррол превратился в пирролин . Эта структура встречается в хлорофиллах . Замена двух из четырех пирролиновых субъединиц на пирролиновые субъединицы приводит либо к бактериохлорину (как обнаружено у некоторых фотосинтезирующих бактерий), либо к изобактериохлорину, в зависимости от относительного положения восстановленных колец. Некоторые производные порфирина следуют правилу Хюккеля., но большинство этого не делают. [ необходима цитата ]
Геопорфирин, также известный как петропорфирин, представляет собой порфирин геологического происхождения. [6] Они могут встречаться в сырой нефти , горючем сланце , угле или осадочных породах. [6] [7] Абельсонит , возможно, единственный геопорфириновый минерал, поскольку порфирины редко встречаются изолированно и образуют кристаллы. [8]
У нефотосинтезирующих эукариот, таких как животные, насекомые, грибы и простейшие , а также у бактерий группы α-протеобактерий, обязательным этапом биосинтеза порфирина является образование δ-аминолевулиновой кислоты (δ-ALA, 5-ALA или dALA) реакцией аминокислоты глицина с сукцинил-КоА из цикла лимонной кислоты . У растений , водорослей , бактерий (за исключением группы α-протеобактерий) и архей он продуцируется из глутаминовой кислоты через глутамил-тРНК иглутамат-1-полуальдегид . Ферментами, участвующими в этом пути, являются глутамил-тРНК синтетаза , глутамил-тРНК редуктаза и глутамат-1-полуальдегид 2,1-аминомутаза . Этот путь известен как путь С5 или Била.
Две молекулы dALA затем объединяются порфобилиногенсинтазой с образованием порфобилиногена (PBG), который содержит пиррольное кольцо. Затем четыре PBG объединяются посредством дезаминирования в гидроксиметилбилан (HMB), который гидролизуется с образованием кольцевого тетрапиррольного уропорфириногена III . Эта молекула претерпевает ряд дальнейших модификаций. Промежуточные продукты используются у разных видов для образования определенных веществ, но у людей основной конечный продукт протопорфирин IX соединяется с железом с образованием гема. Желчные пигменты - продукты распада гема.
Следующая схема суммирует биосинтез порфиринов со ссылками по номеру ЕС и базе данных OMIM . Порфирии , связанное с дефицитом каждого фермента также показано:
Фермент | Расположение | Субстрат | Товар | Хромосома | EC | OMIM | Беспорядок |
---|---|---|---|---|---|---|---|
АЛК-синтаза | Митохондрия | Глицин , сукцинил-КоА | δ-аминолевулиновая кислота | 3п21.1 | 2.3.1.37 | 125290 | Х-сцепленная доминантная протопорфирия, Х-сцепленная сидеробластная анемия |
ALA дегидратаза | Цитозоль | δ-аминолевулиновая кислота | Порфобилиноген | 9q34 | 4.2.1.24 | 125270 | порфирия с дефицитом дегидратазы аминолевулиновой кислоты |
ПБГ дезаминаза | Цитозоль | Порфобилиноген | Гидроксиметил билан | 11q23.3 | 2.5.1.61 | 176000 | острая перемежающаяся порфирия |
Синтаза уропорфириноген III | Цитозоль | Гидроксиметил билан | Уропорфириноген III | 10q25.2-q26.3 | 4.2.1.75 | 606938 | врожденная эритропоэтическая порфирия |
Уропорфириноген III декарбоксилаза | Цитозоль | Уропорфириноген III | Копропорфириноген III | 1п34 | 4.1.1.37 | 176100 | поздняя кожная порфирия , гепатоэритропоэтическая порфирия |
Копропорфириноген III оксидаза | Митохондрия | Копропорфириноген III | Протопорфириноген IX | 3q12 | 1.3.3.3 | 121300 | наследственная копропорфирия |
Протопорфириногеноксидаза | Митохондрия | Протопорфириноген IX | Протопорфирин IX | 1q22 | 1.3.3.4 | 600923 | пестрая порфирия |
Феррохелатаза | Митохондрия | Протопорфирин IX | Гем | 18q21.3 | 4.99.1.1 | 177000 | эритропоэтическая протопорфирия |
Одним из наиболее распространенных синтезов порфиринов является реакция Ротемунда , впервые описанная в 1936 г. [9] [10], которая также является основой для более поздних методов, описанных Адлером и Лонго. [11] Общая схема представляет собой процесс конденсации и окисления, начиная с пиррола и альдегида .
О первом синтетическом изомере порфирина сообщили Emanual Vogel и соавторы в 1986 году. Этот изомер [18] порфирин- (2.0.2.0) назван порфиценом , а центральная полость N 4 образует прямоугольную форму, как показано на рисунке. [12] Порфицены показали интересное фотофизическое поведение и нашли универсальное соединение для фотодинамической терапии . [13] Это вдохновило Фогеля и Сесслера на то, чтобы заняться приготовлением [18] порфирина (2.1.0.1) и назвать его коррфиценом или порфицерином . [14]О третьем порфире, который представляет собой [18] порфирин- (2.1.1.0), сообщили Калло и Фогель-Сесслер. Фогель и соавторы сообщили об успешном выделении [18] порфирин- (3.0.1.0) или изопорфицена . [15] Японский ученый Фурута [16] и польский ученый Латос-Гражинский [17] почти одновременно сообщили о N-смешанных порфиринах . Инверсия одной из пиррольных субъединиц в макроциклическом кольце привела к тому, что один из атомов азота оказался лицом к лицу за пределами ядра макроцикла.
Порфирины оценивались в контексте фотодинамической терапии (ФДТ), поскольку они сильно поглощают свет, который затем преобразуется в энергию и тепло в освещенных областях. [18] Этот метод применялся при дегенерации желтого пятна с использованием вертепорфина . [19]
ФДТ считается неинвазивным лечением рака, включающим взаимодействие между светом определенной частоты, фотосенсибилизатором и кислородом. Это взаимодействие приводит к образованию высокореактивных форм кислорода (АФК), обычно синглетного кислорода, а также супероксид-аниона, свободного гидроксильного радикала или перекиси водорода. [20] Эти высокоактивные формы кислорода реагируют с чувствительными клеточными органическими биомолекулами, такими как; липиды, ароматические аминокислоты и гетероциклические основания нуклеиновых кислот для образования окислительных радикалов, которые повреждают клетку, возможно, вызывая апоптоз или даже некроз. [21]
Область органической геохимии началась с выделения порфиринов из нефти. [ необходима цитата ] Это открытие помогло установить биологическое происхождение нефти. Нефть иногда «снимают отпечатки пальцев», анализируя следовые количества никеля и ванадилпорфиринов . [ необходима цитата ]
Биосинтез гема используется в качестве биомаркера в токсикологических исследованиях окружающей среды. В то время как избыточное производство порфиринов указывает на воздействие хлорорганических соединений , свинец ингибирует фермент дегидратазу ALA . [22]
Комплексы металлопорфиринов, хотя и не поступают в продажу, широко изучаются как катализаторы окисления органических соединений. Особенно популярно для таких лабораторных исследований являются комплексами мезо - тетрафенилпорфирина и октаэтилпорфирина . Комплексы с Mn, Fe и Co катализируют множество реакций, представляющих потенциальный интерес для органического синтеза . Некоторые комплексы имитируют действие различных гемовых ферментов, таких как цитохром Р450 , лигнинпероксидаза . [23] [24] Металлопорфирины также изучаются как катализаторы расщепления воды с целью производства молекулярного водорода и кислорода для топливных элементов. [25]
Соединения на основе порфиринов представляют интерес как возможные компоненты молекулярной электроники и фотоники. [26] Синтетические порфириновые красители были включены в прототип сенсибилизированных красителем солнечных элементов . [27] [28]
Металлопорфирины исследовались как сенсоры. [29]
Фталоцианины , которые структурно родственны порфиринам, используются в торговле в качестве красителей и катализаторов, но порфирины - нет.
Порфирины часто используются для создания структур в супрамолекулярной химии . Эти системы используют кислотность металла по Льюису, обычно цинка. Пример комплекса хозяин-гость, который был построен из макроцикла, состоящего из четырех порфиринов. [31] Свободный от гостей основной порфирин связан с центром за счет координации с его четырьмя пиридиновыми заместителями.
Макроциклы порфириноидов могут проявлять переменную ароматичность. [32] Ароматический порфирин Хюккеля - это порфицен. [33] известны антиароматические , ароматические и неароматические порфириноидные макроциклы Мебиуса . [34]
Структура Льюиса для мезо- тетрафенилпорфирина
УФ – видимое считывание для мезо- тетрафенилпорфирина
Светоактивированный порфирин. Одноатомный кислород. Клеточное старение
Викискладе есть медиафайлы по теме порфиринов . |