Введение

Гетероциклические органические соединения с четырьмя модифицированными пиррольными субъединицами.

Порфирины (/p//ɔːr//f//ər//ɪ//n/ PORfərin) – это группа гетероциклических макроциклических органических соединений, состоящих из четырех модифицированных пиррольных субъединиц, соединенных через метиновые мосты (=CH−) в α-положениях атомов углерода. У позвоночных важнейшим представителем группы порфиринов является гемоглобин, компонент гемопротеинов, выполняющих, в частности, функцию транспорта кислорода в крови. У растений важным производным порфирина является хлорофилл, участвующий в поглощении света и переносе электронов в процессе фотосинтеза. Порфином является родительское соединение порфиринов – редкое химическое вещество, представляющее исключительно теоретический интерес. Порфирины – это замещенные порфины. Благодаря наличию 26 π-электронов, из которых 18 формируют плоскую непрерывную систему, кольцевая структура порфирина часто описывается как ароматическая. Следствием обширной сопряженной системы является интенсивное поглощение порфиринами в видимой области электромагнитного спектра, что обуславливает их насыщенную окраску. Название "порфирин" происходит от греческого слова πορφύρα (porphyra), означающего пурпурный цвет.

Структура

Порфириновые комплексы состоят из плоского квадратного ядра MN4. Периферия порфиринов, состоящая из sp2-гибридизированных атомов углерода, обычно демонстрирует небольшие отклонения от плоскостности. "Волнистые" или седлообразные порфирины обусловлены взаимодействием системы с ее окружением. Кроме того, металл часто не находится в центре плоскости N4. У свободных порфиринов два пиррольных протона ориентированы транс друг относительно друга и выступают из плоскости N4. Эти непланарные искажения приводят к изменению химических и физических свойств. Хлорофильные кольца имеют более выраженную непланарность, но они более насыщены, чем порфирины.

Древние порфирины

Геопорфирин, также известный как петропорфирин, — это порфирин геологического происхождения. Они могут встречаться в сырой нефти, нефтяных сланцах, угле или осадочных породах. Абельсонит, вероятно, является единственным минералом, относящимся к геопорфиринам, поскольку порфирины редко встречаются в изолированном виде и образуют кристаллы. Органическая геохимия зародилась как наука благодаря выделению порфиринов из нефти. Это открытие способствовало установлению биологического происхождения нефти. Нефть иногда идентифицируют по "отпечаткам пальцев", анализируя следовые количества никелевых и ванадиловых порфиринов.

Биосинтез

В нефотосинтезирующих эукариотах, таких как животные, насекомые, грибы и простейшие, а также в группе бактерий α-протеобактерий, лимитирующей стадией биосинтеза порфиринов является образование δ-аминолевулиновой кислоты (δ-ALA, 5-ALA или dALA) в результате реакции аминокислоты глицина с сукцинил-КоА из цикла лимонной кислоты. У растений, водорослей, бактерий (за исключением α-протеобактерий) и архей она образуется из глутаминовой кислоты через глутамил-тРНК и глутамат-1-полуальдегид. Ферменты, участвующие в этом пути, включают глутамил-тРНК-синтетазу, глутамил-тРНК-редуктазу и глутамат-1-полуальдегид-2,1-аминомутазу. Этот путь известен как C5 или путь Била. Затем две молекулы dALA объединяются под действием порфобилиноген-синтазы с образованием порфобилиногена (PBG), содержащего пиррольное кольцо. Четыре молекулы PBG затем объединяются посредством деаминирования в гидроксиметилбилан (HMB), который гидролизуется с образованием циклического тетрапиррола уропорфириногена III. Эта молекула подвергается ряду дальнейших модификаций. Промежуточные соединения используются у разных видов для образования специфических веществ, но у человека основным конечным продуктом является протопорфирин IX, который соединяется с железом с образованием гема. Желчные пигменты являются продуктами распада гема. Следующая схема обобщает биосинтез порфиринов с указанием номеров EC и базы данных OMIM. Также указаны порфирии, связанные с дефицитом каждого фермента:

| Фермент | Локализация | Субстрат | Продукт | Хромосома | EC | OMIM | Заболевание |
|------------------------------|-------------|------------------------------|-------------------------------|-----------|-------------|-----------|----------------------------------------------|
| ALA-синтаза | Митохондрии | Глицин, сукцинил-КоА | δ-Аминолевулиновая кислота | 3p21.1 | 2.3.1.37 | 125290 | Протопорфирия, связанная с X-хромосомой, X-сцепленная сидеробластическая анемия |
| ALA-дегидратаза | Цитозоль | δ-Аминолевулиновая кислота | Порфобилиноген | 9q34 | 4.2.1.24 | 125270 | Порфирия, вызванная дефицитом ALA-дегидратазы |
| PBG-деаминаза | Цитозоль | Порфобилиноген | Гидроксиметилбилан | 11q23.3 | 2.5.1.61 | 176000 | Острая перемежающаяся порфирия |
| Уропорфириноген III-синтаза | Цитозоль | Гидроксиметилбилан | Уропорфириноген III | 10q25.2/q26.3| 4.2.1.75 | 606938 | Врожденная эритропоэтическая порфирия |
| Уропорфириноген III-декарбоксилаза | Цитозоль | Уропорфириноген III | Копропорфириноген III | 1p34 | 4.1.1.37 | 176100 | Порфирия cutanea tarda, гепатоэритропоэтическая порфирия |
| Копропорфириноген III-оксидаза | Митохондрии | Копропорфириноген III | Протопорфириноген IX | 3q12 | 1.3.3.3 | 121300 | Наследственная копропорфирия |
| Протопорфириноген IX-оксидаза | Митохондрии | Протопорфириноген IX | Протопорфирин IX | 1q22 | 1.3.3.4 | 600923 | Вариегатная порфирия |
| Феррохелатаза | Митохондрии | Протопорфирин IX | Гем | 18q21.3 | 4.99.1.1 | 177000 | Эритропоэтическая протопорфирия |

Лабораторный синтез

Общим синтезом порфиринов является реакция Ротэмунда, впервые сообщенная в 1936 году, которая также лежит в основе более современных методов, описанных Адлером и Лонго. Общая схема представляет собой процесс конденсации и окисления, исходящий из пиррола и альдегида.

Фотодинамическая терапия

Порфирины изучались в контексте фотодинамической терапии (ФДТ) благодаря их сильному поглощению света, который затем преобразуется в тепло в освещенных участках. Эта методика применяется при макулярной дегенерации с использованием вертепорфина. ФДТ рассматривается как неинвазивный метод лечения рака, основанный на взаимодействии света определенной частоты, фотосенсибилизатора и кислорода. Это взаимодействие приводит к образованию высокореактивных форм кислорода (ROS), обычно синглетного кислорода, а также супероксидного аниона, свободного гидроксильного радикала или пероксида водорода. Эти высокореактивные формы кислорода взаимодействуют с чувствительными клеточными органическими биомолекулами, такими как липиды, ароматические аминокислоты и гетероциклические основания нуклеиновых кислот, образуя окислительные радикалы, которые повреждают клетку, потенциально вызывая апоптоз или даже некроз.

Молекулярная электроника и датчики

Соединения на основе порфиринов представляют интерес как потенциальные компоненты молекулярной электроники и фотоники. Синтетические порфириновые красители были использованы в прототипах краситель-сенсибилизированных солнечных элементов.

Биологические применения

Порфирины изучались как потенциальные противовоспалительные средства и оценивались по их противораковой и антиоксидантной активности. Было обнаружено, что несколько конъюгатов порфирина с пептидами проявляют противовирусную активность против ВИЧ в условиях in vitro.

Токсикология

Биосинтез гема используется в качестве биомаркера в исследованиях экологической токсикологии. Избыточное образование порфиринов свидетельствует о воздействии хлорорганических соединений, а свинец ингибирует фермент ДАЛ-дегидратазу.

Синтетические

Бензопорфирин — порфирин, к одному из пиррольных колец которого присоединен бензольный цикл. Например, вертепорфин является производным бензопорфирина.

Изомеры порфирина, не являющиеся природными

Первый синтетический изомер порфирина был сообщен Эмануэлем Фогелем и его коллегами в 1986 году. Этот изомер [18]порфирина (2.0.2.0) называется порфиценом, а центральная N4-полость имеет прямоугольную форму, как показано на рисунке. Порфицены продемонстрировали интересное фотофизическое поведение и оказались перспективным соединением для фотодинамической терапии. Это вдохновило Фогеля и Сесслера на решение задачи синтеза [18]порфирина (2.1.0.1), который они назвали корфиценом или порфицерином. Третий порфирин, [18]порфирин (2.1.1.0), был представлен Калло и Фогелем-Сесслером. Фогель и его коллеги сообщили об успешной изоляции [18]порфирина (3.0.1.0), или изопорфицена. Японский ученый Фурута и польский ученый Латос Гражинский почти одновременно сообщили об N-смещенных порфиринах. Инверсия одного из пиррольных фрагментов в макроциклическом кольце привела к тому, что один из атомов азота оказался направлен наружу от центра макроцикла.