Rozdział 17

17.
PORFIRYNY I POCHODNE
Iwona śak
Porfiryny są makrocyklicznymi związkami, utworzonymi z czterech pierścieni pirolowych, połączonych jednowęglowymi mostkami metinowymi.
Pirol jest pięcioczłonowym, heterocyklicznym związkiem aromatycznym,
który zawiera sześć elektronów π w cyklicznym sprzęŜonym układzie nakładających się pięciu orbitali p (kaŜdy z czterech atomów C dostarcza 1 elektron π, atom
azotu o hybrydyzacji sp2 dostarcza wolną parę elektronową, czyli dwa). Wolna para elektronowa atomu azotu w pirolu jest mniej reaktywna poniewaŜ jest częścią
sekstetu aromatycznego. W wyniku tego pirol jest znacznie mniej zasadowy i mniej
nukleofilowy niŜ aminy alifatyczne. Atomy węgla pirolu natomiast są „bogatsze”
w elektrony i bardziej nukleofilowe niŜ atomy węgla jedynego wiązania podwójnego jakiegoś związku, dlatego pierścień pirolowy jest reaktywniejszy wobec elektrofili.
Pirol moŜna otrzymać w wyniku działania na furan amoniakiem w obecności
tlenku glinu jako katalizatora i w temperaturze 400°C.
W organizmie pirol powstaje w postaci porfobilinogenu, który jest produktem reakcji kondensacji dwóch cząsteczek kwasu δ-aminolewulinowego (na poniŜszym rysunku pojedyncze cząsteczki δ-aminolewulinianu w obrębie porfobilinogenu, zaznaczono poprzez wykropkowanie). Reakcję katalizuje syntaza porfobilinogenowa.
H
HC
HC
CH
N
H
H
HC
H
I
N
δ
IV NH
CH
H
γ
HC
α
H
HN II
N
III
H
pirol
CH
CH
β
H
H
porfina
porfobilinogen
297
Wszystkie porfiryny zawierają makrocykliczny układ zwany porfiną, który
nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym, lecz analogi porfiny z podstawionymi łańcuchami bocznymi (do pierścieni pirolowych) są związkami bardzo istotnymi dla procesów Ŝyciowych. Typowymi przedstawicielami są hemy i chlorofile.
Rodzaj łańcuchów bocznych w porfirynach moŜe być róŜny, zwykle występują
podstawniki zarówno o krótszym, jak i dłuŜszym łańcuchu alifatycznym.
Typowe podstawniki boczne porfiryn
CH2 COOCH3
CH2 CH2 COOCH CH2
Strukturę porfiryn moŜna przedstawiać za pomocą uproszczonych wzorów
Fischera. Cyfry rzymskie oznaczają numer pierścienia pirolowego, natomiast arabskie numery atomów węgli pierścieni pirolowych, do których przyłączone są podstawniki (łańcuchy alifatyczne).
1
8
7
2
I
IV
III
6
II 34
5
uproszczony wzór Fischera porfiryny
Rozmieszczenie podstawników bocznych jest podstawą istnienia porfiryn
w czterech typach izomerycznych (typ I symetryczny i typy II, III, IV – asymetryczne).
Biologicznie waŜne izomeryczne typy porfiryn
typ I symetryczny
298
typ III asymetryczny
Asymetryczne rozmieszczenie podstawników w typie III porfiryn występuje
we wszystkich biologicznie waŜnych porfirynach. Tego typu porfiryny określane
są teŜ jako porfiryny IX, wynika to z faktu, Ŝe wykryto je jako dziewiątą formę
izomeryczną.
Symetryczne rozmieszczenie podstawników w typie I porfiryn występuje
tylko w tych, które powstają w warunkach patologicznych, np. we wrodzonej porfirii erytropoetycznej.
Asymetryczne typy II i III porfiryn otrzymano jedynie syntetycznie i nie mają Ŝadnego znaczenia biologicznego, dlatego nie zostały przedstawione ich wzory.
Cząsteczki porfiryn są płaskie, bardzo trwałe i silnie zabarwione. Tworzą
kompleksy z jonami metali (Ŝelaza lub magnezu) umiejscowionymi w środku
struktury cząsteczki porfiryny, dzięki temu, Ŝe jony metali przejmują pary elektronowe od atomów azotu piroli. Porfiryny pochłaniają światło i posiadają charakterystyczne widma absorpcyjne zarówno w części widzialnej, jak i nadfioletowej.
Wszystkie porfiryny, niezaleŜnie od rodzaju posiadanych podstawników
bocznych, wykazują maksimum absorpcji przy długości fali około 400 nm, pasmo
to określane jest mianem pasma Soreta.
widmo absorpcyjne porfiryn
Roztwory porfiryn po naświetleniu światłem nadfioletowym wykazują silną,
charakterystyczną czerwoną fluorescencję, którą wykorzystuje się do wykrywania
nawet śladowych ilości wolnych porfiryn. Z punktu widzenia diagnostyki klinicznej waŜne jest wykrywanie w materiale biologicznym obecności uroporfiryn i koproporfiryn, poniewaŜ związki te w zwiększonych ilościach wydalane są z organizmu w przypadku stanu patologicznego, zwanego porfirią.
Uroporfiryna i koproporfiryna są metabolitami pośrednimi szlaku biosyntetycznego hemu. Barwna uroporfiryna III powstaje w cytoplazmie z bezbarwnego
299
uroporfirynogenu III pod wpływem światła w reakcji samoutlenienia, tworzącej
mostki metinowe w tej porfirynie.
COO
COO
CH 2
OOC CH 2 CH 2
H
H
I
C
N
H H H
HN II
IV NH
H
H N H
C
C
III
H
H
C
OOC H 2C
H 2C
H 2C
-
OOC
CH 2
OOC CH 2 CH 2
COO
CH2
CH2
-
OOC
6H+
H 2C
na świetle
IV NH
H 2C
samoutlenienie
H 2C
CH2
-
COO
CH
COO
CH 2
HN II
CH 2
N
III
HC
CH
CH 2
COO
OOC
CH 2 CH 2
CH 2
I
N
HC
CH2 CH 2
COO
CH2 COO
COO
COO
uroporfirynogen III
uroporfiryna III
W podobnej reakcji powstaje barwna koproporfiryna III z bezbarwnego koproporfirynogenu III.
COO
COO
CH 2
CH2
CH3 CH 2
CH3 CH2
H
H3C
H2C
H2C
-
OOC
H
I
N
H H H
CH3
NH
HN
II
IV
H
CH2
H N H
CH2
III
H
H
COO
CH2 CH 3
I
N
HC
+
6H
H3C
na świetle
IV NH
H2C
samoutlenienie
H2C
-
HC
CH
CH 3
HN II
N
III
CH
OOC
CH 2
COO
CH2 CH3
CH2
CH2
COO
COO
koproporfirynogen III
CH 2
koproporfiryna III
Uroporfirynogen III jest wspólnym prekursorem dla wszystkich hemów,
chlorofili oraz witaminy B12.
300
Uroporfirynę III wykryto pierwotnie w moczu, lecz nie jest to jedyne miejsce jej występowania w organizmie. Koproporfirynę III stwierdzono pierwotnie
w kale, obecna jest równieŜ w moczu.
Koproporfirynogen III powstaje z uroporfirynogenu III w cytoplazmie komórki w reakcji dekarboksylacji, która przekształca wszystkie boczne podstawniki
acetylowe uroporfirynogenu w podstawniki metylowe koproporfirynogenu. W stanach patologicznych pojawiają się uroporfiryna I i koproporfiryna I, które powstają
na tych samych zasadach, jak ich fizjologiczne izomery typu III.
Koproporfirynogen III w mitochondriach przekształcany jest w protoporfirynogen III w reakcji oksydacyjnej dekarboksylacji, przekształcającej dwie grupy
propylowe pierścieni pirolowych (I i II) w grupy winylowe. Reakcję katalizuje
oksydaza koproporfirynowa, która moŜe działać wyłącznie na koproporfirynogen
III, fakt ten wyjaśnia zupełny brak w materiale biologicznym protoporfirynogenu I
i protoporfiryny I.
Barwna protoporfiryna III powstaje w mitochondriach z bezbarwnego protoporfirynogenu III w enzymatycznej reakcji utlenienia, tworzącej mostki metinowe
w tej porfirynie.
CH3
CH 2
CH3 CH
H
H3C
H2C
H2C
-
OOC
H
I
N
H H H
CH 3
NH
HN
IV
II
H
CH
H N H
CH 2
III
H
H
CH3 CH
I
N
HC
+
6H
H 3C
utlenienie
IV NH
oksydaza
protoporfirynogenowa
H 2C
H 2C
-
CH
CH3
HN II
CH
HC
N
III
CH
OOC
CH2 CH3
CH2 CH3
CH2
CH2
COO
COO
protoporfirynogen III
CH2
protoporfiryna III (lub IX)
Wstawienie do cząsteczki protoporfiryny IX centralnego jonu metalu, mianowicie Ŝelaza lub magnezu, determinuje dalsze przekształcenie porfiryny albo
w kierunku hemu, albo chlorofili. Dalsze modyfikacje prowadzące do chlorofili polegają na dołączeniu piątego pierścienia pirolowego, połączeniu jednego podstawnika bocznego z długim hydrofobowym izoprenoidem, cząsteczką fitolu oraz
usunięciu pewnych wiązań podwójnych w niektórych pierścieniach pirolowych.
301
CH2
CH3 CH
I
N
HC
H3C
-
CH
CH3
+2
IV N
Fe N II
HC
N
III
OOC H 2C H2C
CH CH2
CH
CH2 CH3
CH2
COO
Ŝelazoprotoporfiryna (hem)
śelazoprotoporfiryna, czyli hem to grupa prostetyczna wszystkich hemoprotein, do których naleŜą hemoglobiny, mioglobina, cytochromy i niektóre enzymy,
mianowicie katalaza oraz peroksydaza. We wszystkich tych białkach ogólna struktura hemu jest podobna, natomiast róŜnią się strukturą łańcucha polipeptydowego,
który jest specyficzny dla kaŜdego typu białka. Poza tym, białka te róŜnią się wartościowością atomu Ŝelaza w ich hemie. Atom Ŝelaza występuje w postaci jonu
Ŝelazawego (+2) w hemach funkcjonalnej hemoglobiny, oksyhemoglobiny, mioglobiny i oksymioglobiny i tylko w tej postaci transportuje tlen. Atom Ŝelaza
przyjmuje postać jonu Ŝelazowego (+3) w hemach methemoglobiny, w katalazie
i peroksydazie. śelazo w postaci jonu zmieniającego wartościowość (+2 lub +3)
występuje w cytochromach, zaleŜnie od ich aktualnego stanu funkcjonalnego, mianowicie po przyjęciu elektronu lub jego oddaniu.
Atom Ŝelaza wiąŜe się z 4 atomami azotu piroli poprzez dwa wiązania kowalencyjne i dwa wiązania koordynacyjne. Poza tym, moŜe tworzyć dwa dodatkowe
wiązania, mianowicie kaŜde po innej stronie płaskiej płaszczyzny hemu, które
określa się jako piątą i szóstą pozycję koordynacyjną jonu Ŝelaza Fe+2.
Piątą pozycję koordynacyjną Ŝelaza w hemie hemoglobiny i mioglobiny zajmuje reszta histydyny proksymalnej łańcucha polipeptydowego globiny, związana
z nim kowalencyjnie.
W szóstej pozycji koordynacyjnej Ŝelaza znajduje się miejsce dla cząsteczki
tlenu lub tlenku węgla, a w nieutlenowanej hemoglobinie pozycja koordynacyjna 6
nie jest obsadzona.
302
2
+
H
2
+
HC
H
His-93
proksymalna
H
N
HC
NH His-64
dystalna
C
CH2
W hemie methemoglobiny, atom Ŝelaza jest utleniony, a jego szósta pozycja
koordynacyjna obsadzona jest cząsteczką wody.
Wolny hem z jonem Ŝelazawym okazuje się zdolny do wiązania tlenu, lecz
tylko na bardzo krótki czas, poniewaŜ prawie równocześnie tworzą się struktury
„kanapkowe” hem-O2-hem i następuje utlenienie Ŝelaza do jonu Ŝelazowego, który
nie moŜe juŜ wiązać tlenu.
W hemoproteinach łańcuch polipeptydowy globiny właśnie zabezpiecza
przed tworzeniem struktur „kanapkowych” hem-O2-hem. W przypadku hemoglobiny, szczególną rolę w tym zakresie spełniają dwie reszty histydynowe globiny,
zarówno związana kowalencyjnie z Ŝelazem histydyna proksymalna, jak i dystalna,
która nie jest bezpośrednio związana z Ŝelazem.
Hem cytochromów c i c1 wiąŜe się kowalencyjnie z dwoma bocznymi łańcuchami reszt cysteinowych białka poprzez wiązanie tioeterowe, powstające w wyniku reakcji między grupami winylowymi hemu a grupami -SH dwóch reszt cysteinowych.
Hem A oksydazy cytochromowej nie jest natomiast związany kowalencyjnie
z białkiem, róŜni się teŜ innymi cechami od hemów cytochromów c i c1, posiada
bowiem długi, piętnastowęglowy łańcuch węglowodorowy, zamiast jednej grupy
winylowej, oraz grupę formylową, zamiast grupy metylowej.
303
CH 3
CH 3 CH S CH 2
I
N
HC
H 3C
OOC H 2C H 2C
CH
CH3
+2
IV N
Fe N II
HC
N
III
CH S CH 2
CH
B
I
A
Ł
K
O
CH3
CH 2 CH 3
CH 2
COO
hem cytochromów c i c1
CH3
(CH2
CH2
CH CH2)3
H
CH3 CH2
H C OH
H
-
I
N
HC
O
C
CH
CH 3
+2
IV N
Fe N II
HC
N
III
OOC H2C H2C
CH CH2
CH
CH2 CH3
CH2
COO
hem A oksydazy cytochromowej
BARWNIKI śÓŁCIOWE
Barwniki Ŝółciowe powstają w wyniku rozerwania makrocyklicznej struktury hemu i stanowią formę związków wydalniczych, w której usuwany jest z organizmu hem, głównie starych, eliminowanych z obiegu erytrocytów, ale równieŜ
hem pochodzący z wszystkich innych hemoprotein. W reakcji oksydacyjnego rozszczepienia pierścienia Ŝelazoporfirynowego, która zachodzi w układzie siateczkowo-śródbłonkowym, powstaje liniowy tetrapirol, zwany biliwerdyną, który jest
304
zielonym barwnikiem Ŝółciowym. Ten rozpuszczalny w wodzie barwnik jest końcowym produktem rozkładu hemu u ptaków, gadów i płazów. U ludzi i innych ssaków biliwerdyna ulega redukcji do bilirubiny, czerwonopomarańczowego barwnika Ŝółciowego. Widocznym dowodem tych reakcji rozkładu hemu są zmiany koloru siniaka w róŜnym czasie od wynaczynienia krwi do tkanek. Cząsteczki bilirubiny są lipofilne, dlatego we krwi transportowane są w połączeniu z albuminą. Bilirubina jest bardzo skutecznym przeciwutleniaczem, w przeciwieństwie do biliwerdyny. Bilirubina unieszkodliwiając dwa rodniki hydroksylowe jest utleniana do
biliwerdyny. Następnie biliwerdyna szybko ponownie ulega redukcji do bilirubiny.
Bilirubina związana z albuminą wykazuje około 1/10 efektywności witaminy C
w ochronie przed nadtlenkami rozpuszczalnymi w wodzie. Bilirubina to równieŜ
szczególnie silny przeciwutleniacz w błonach białkowo-lipidowych, gdzie rywalizuje z witaminą E.
COO COO
CH2
CH 3 CH
O
CH2
CH3 CH2
CH2 CH 3
III
II
N
H
C
H
N
CH2
CH2
IV
N
H
C
H
C
H
CH 3 CH
I
N
H
O
biliwerdyna
COO COO
CH2
CH 3 CH
O
II
N
H
CH2
CH3 CH2
C
H
III
N
H
CH2
CH2
CH2 CH 3
H
C
H
IV
N
H
C
H
CH 3 CH
I
N
H
O
bilirubina
W wątrobie bilirubina sprzęgana jest z dwoma cząsteczkami kwasu glukuronowego. W wyniku tej reakcji powstaje diglukuronid bilirubiny, który charakteryzuje się zwiększoną polarnością i rozpuszczalnością w wodzie. W tej formie bilirubina wydzielana jest do Ŝółci, a następnie do jelit.
305
O
O
O
C
O O
OH
OH
H
OH
O
O
C
C
O
C
O O
HO
H2C
CH2
H2C
CH2
H
OH
OH
CH2
CH 3 CH
II
N
H
O
CH2
CH3
III
N
H
C
H
CH 3 CH
CH 3
IV
N
H
H
C
H
I
N
H
C
H
O
diglukuronid bilirubiny
W jelicie odłączany jest kwas glukuronowy, a bilirubina redukowana pod
wpływem enzymów bakteryjnych do bezbarwnego liniowego tetrapirolu, zwanego
urobilinogenem, który utlenia się do Ŝółto zabarwionej urobiliny lub przekształca
się do innych barwników pojawiających się w moczu i kale. W moczu stwierdza
się urobilinę.
COO COO
CH3
CH2
CH3 CH2
CH 3 CH2
II
N
H
HO
III
N
H
H
C
H
CH3
CH2
CH3 CH2
CH2 CH 3
C
H
IV
N
H
I
N
H
H
C
H
OH
urobilina
W kale i moczu obecne są równieŜ dipirolowe barwniki, tzw. mezobilifuscyny.
O
COO
COO
CH 3
CH 2
CH 2
CH 3 CH 2
CH 3 CH 2
II
N
H
C
H
III
N
H
CH 2 CH3
OH
HO
mezobilifuscyny
306
CH3
IV
N
H
C
H
CH 3 CH2
I
N
H
O