Кіріспе

Төрт өзгертілген пироль кішібірлігі бар гетероциклді органикалық қосылыстар. Порфириндер – метин көпірлері арқылы α-көміртек атомдарымен байланысқан төрт өзгертілген пироль кішібірлігінен тұратын гетероциклді макроциклді органикалық қосылыстар тобы. Омыртқалы жануарларда порфирин тобының маңызды мүшесі – гема, ол гемопротеиндердің құрамына кіреді және қан ағынында оттегі тасымалдау қызметін атқарады. Өсімдіктерде порфириннің маңызды туындысы – хлорофилл, ол фотосинтезде жарық энергиясын жинау және электрон алмасу процесіне қатысады. Порфириндердің бастапқы түрі – порфин, ол тек теориялық қызығушылық тудыратын сирек кездесетін химиялық қосылыс. Порфинге қосымша топтар енгізілген қосылыстар порфириндер деп аталады. Порфирин сақинасының құрамында барлығы 26 π электрон бар, оның 18 π электроны жазық, үздіксіз цикл құрайды. Үлкен конъюгацияланған жүйенің салдарынан порфириндер электромагниттік спектрдің көрінетін аймағында күшті сіңіріледі, яғни олар терең түсті болады. "Порфирин" атауы грек тіліндегі πορφύρα (porphyra) сөзінен шыққан, ол "қызғылт түс" деген мағынаны білдіреді.

Құрылымы

Порфирин кешендері төртбұрышты жазық MN4 өзектен тұрады. Порфириндердің шеткі бөлігі, sp2 гибридтелген көміртектерден құралған, әдетте жазықтықтан шағын ауытқулар көрсетеді. "Толқынды" немесе ерін тәрізді порфириндердің түзілуі жүйенің ортасымен өзара әрекеттесуіне байланысты. Сонымен қатар, металл көбінесе N4 жазықтығының ортасында орналаспайды. Бос порфириндер үшін екі пиррол протоны бір-біріне қарама-қарсы және N4 жазықтығынан сыртқа шығып тұрады. Бұл жазықтықтан бұрғылаулар химиялық және физикалық қасиеттердің өзгеруімен байланысты. Хлорофилл сақиналары одан да анық жазық емес, бірақ порфириндерге қарағанда толыққандырақ.

Көне порфириндер

Геопорфирин, сондай-ақ петропорфирин деп те аталады, геологиялық тектi порфирин. Олар шикі мұнайда, мұнай тақтасында, көмірде немесе шөгінді тау жыныстарында кездесуі мүмкін. Абельсонит – мүмкін, жалғыз геопорфирин минералы, себебі порфириндердің жеке-жеке бөлініп, кристалдар түзуі сирек. Органикалық геохимия саласы мұнайдан порфириндерді бөліп алудан бастау алды. Бұл жайт мұнайдың биологиялық тегін анықтауға көмектесті. Мұнай кейде никель және ванадил порфириндерінің шамалы мөлшерін талдау арқылы "санақпен" анықталады.

Биосинтез

Фотосинтез жасай алмайтын эукариоттарда, мысалы жануарларда, жәндіктерде, саңырауқұлақтарда және протозоаларда, сондай-ақ бактериялардың α-протеобактериялар тобында порфирин биосинтезінің шешуші қадамы – δ-аминолевулин қышқылының (δ ALA, 5 ALA немесе dALA) глицин аминоқышқылының лимон қышқылы циклынан алынған сукцинил CoA-мен реакциясы арқылы түзілуі. Өсімдіктерде, балдырларда, бактерияларда (α-протеобактериялар тобынан басқа) және археяларда ол глютамин қышқылынан глютамил-тРНК және глутамат-1-полуальдегид арқылы өндіріледі. Бұл жолға қатысатын ферменттер: глутамил-тРНК синтетазасы, глутамил-тРНК редуктазасы және глутамат-1-полуальдегид 2,1-аминомутазасы. Бұл жол C5 немесе Бил жолы деп аталады. Содан кейін dALA-ның екі молекуласы порфобилиноген синтетазасымен біріктіріліп, пирроль сақинасы бар порфобилиноген (PBG) пайда болады. Содан кейін төрт PBG деаминация арқылы гидроксиметилбиланға (HMB) біріктіріледі, ол гидролизденіп, дөңгелек тетрапиррол – уропорфироген III құрайды. Бұл молекулада тағы бірнеше өзгерістер болады. Аралық заттар әртүрлі түрлерде белгілі бір заттарды қалыптастыру үшін қолданылады, бірақ адамдарда негізгі түпкі өнім – протопорфирин IX темірмен қосылып, гемді құрайды. Қалқан пигменттері – гемнің ыдырау өнімдері. Келесі схема порфириндердің биосинтезін, EC нөмірі бойынша сілтемелермен және OMIM деректер базасымен көрсетеді. Әр ферменттің жетіспеушілігімен байланысты порфирия да көрсетілген:

| Фермент | Орналасуы | Субстраты | Өнімі | Хромосома | EC | OMIM | Ауруы |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ALA синтетазасы | Митохондрион | Глицин, сукцинил CoA | δ-Аминолевулин қышқылы | 3p21.1 | 2.3.1.37 | 125290 | X-байланысты доминантты протопорфирия, X-байланысты сидеробластикалық анемия |
| ALA дегидратазасы | Цитозоль | δ-Аминолевулин қышқылы | Порфобилиноген | 9q34 | 4.2.1.24 | 125270 | Аминолевулин қышқылы дегидратазасы жетіспеушілігінен туындаған порфирия |
| PBG деаминазасы | Цитозоль | Порфобилиноген | Гидроксиметилбилан | 11q23.3 | 2.5.1.61 | 176000 | Жедел аралық порфирия |
| Уропорфироген III синтетазасы | Цитозоль | Гидроксиметилбилан | Уропорфироген III | 10q25.2-q26.3 | 4.2.1.75 | 606938 | Туа біткен эритропоэтикалық порфирия |
| Уропорфироген III декарбоксилазасы | Цитозоль | Уропорфироген III | Копропорфироген III | 1p34 | 4.1.1.37 | 176100 | Порфирия кутанеа тарда, гепатоэритропоэтикалық порфирия |
| Копропорфироген III оксидазасы | Митохондрион | Копропорфироген III | Протопорфироген IX | 3q12 | 1.3.3.3 | 121300 | Туқым қуалайтын копропорфирия |
| Протопорфироген оксидазасы | Митохондрион | Протопорфироген IX | Протопорфирин IX | 1q22 | 1.3.3.4 | 600923 | Алашартты порфирия |
| Феррохелаза | Митохондрион | Протопорфирин IX | Гем | 18q21.3 | 4.99.1.1 | 177000 | Эритропоэтикалық протопорфирия |

Зертханалық синтез

Порфириндерді синтездеудің кең таралған әдісі – 1936 жылы алғаш рет хабарланған Ротэмунд реакциясы, сонымен қатар Адлер мен Лонго сипаттаған жаңа әдістердің де негізі болып табылады. Жалпы схемасы – пиррол мен альдегидтен басталатын конденсация және тотығу процесі.

Фотодинамикалық терапия

Порфириндер фотодинамикалық терапия (ФДТ) контекстінде бағаланды, себебі олар жарықты күшті сіңіреді, ол жарық түскен аймақтарда жылуға айналады. Бұл техника вертепорфин қолданылып, макулярлық дегенерацияны емдеуде қолданылған. ФДТ – белгілі бір жиілікті жарық, фотосенсибилизатор және оттегінің өзара әрекеттесуін қамтитын инвазивті емес қатерлі ісікке қарсы емдеу. Осы өзара әрекеттесу нәтижесінде жоғары реактивті оттегі түрлері (ROS) пайда болады, әдетте синглет оттегі, сондай-ақ супероксид анионы, бос гидроксил радикалдары немесе сутек пероксиді. Бұл жоғары реактивті оттегі түрлері липидтер, ароматты аминқышқылы және нуклеин қышқылының гетероциклді негіздері сияқты жасушалық органикалық биомолекулалармен реакцияласып, жасушаға зақым келтіретін тотығу радикалдарын тудырады, бұл апоптозға немесе тіпті некрозға әкелуі мүмкін.

Молекулалық электроника және сенсорлар

Порфирин негізіндегі қосылыстар молекулалық электроника мен фотониканың ықтимал құрамдас бөліктері ретінде қызығушылық тудырады. Синтетикалық порфирин бояулары прототиптік бояумен сезімталданған күн жасушаларына енгізілген.

Биологиялық қолдану

Порфириндер қабынуға қарсы агенттер ретінде зерттелді және олардың қатерлі ісікке қарсы және антиоксиданттық активтілігі бағаланды. Көптеген порфирин-пептид конъюгаттарының ВИЧ-қа қарсы in vitro жағдайында вирустық активтілігі анықталды.

Токсикология

Гема биосинтезі қоршаған орта токсикологиясы зерттеулерінде биомаркер ретінде пайдаланылады. Порфириндердің шамадан тыс өндірілуі органохлорлы қосылыстарға ұшырауды көрсетеді, ал қорғасын ALA дегидратаза ферментінің қызметін тежейді.

Синтетикалық

Бензопорфир — пирроль бірліктерінің біріне бензол сақинасы қосылған порфир. Мысалы, вертепорфин — бензопорфирдің туындысы.

Табиғи емес порфирин изомерлері

Бірінші синтетикалық порфирин изомерін Эммануэль Фогель және оның әріптестері 1986 жылы жариялады. Бұл изомер [18]порфирин (2.0.2.0) порфицен деп аталады, ал орталық N4 қуысы суретте көрсетілгендей тікбұрышты пішінде болады. Порфицендер қызықты фотофизикалық қасиеттер көрсетті және фотодинамикалық терапия үшін пайдалы қосылыс екені анықталды. Бұл Фогель мен Сесслерді [18]порфирин (2.1.0.1) дайындауға және оны корфицен немесе порфицерин деп атауға түрткі болды. Үшінші порфирин – [18]порфирин (2.1.1.0), Каллот пен Фогель Сесслер жариялады. Фогель және оның әріптестері [18]порфирин (3.0.1.0) немесе изопорфиценді сәтті оқшаулау туралы хабарлады. Жапон ғалымы Фурута және поляк ғалымы Латос Гражиньский шамамен бір уақытта N-араласқан порфириндерді жариялады. Макроциклдік сақинадағы пирроль бірлігінің бірі инверсияға ұшырағанда, азот атомдарының бірі макроциклдің ортасынан сыртқа қарай бағытталды.