Porfirina

Les porfirines són un grup de composts heterocíclics, molts dels quals es troben en la naturalesa, per exemple el pigment dels glòbuls vermells. Són macrocomplexos heterocíclics formats per quatre subunitats pirròliques modificades enllaçades per ponts metilènics (= CH-). Les porfirines són aromàtiques i obeeixen la regla de Hückel per aquesta propietat pel fet que tenen 4n + 2 electrons π que es troben deslocalitzats. En total, el macrocicle té 26 electrons π. Per això, els macrocicles són sistemes altament conjugats i conseqüentment tenen una absorció molt intensa en l'espectre visible i, per tant, solen presentar color. De fet, la paraula porfirina prové de la paraula grega que significa púrpura.

Complexos de porfirina i molècules relacionades

Les porfirines són els àcids conjugats dels lligands que uneixen ions metàl·lics (normalment amb una càrrega +2 o +3) per formar complexos. L'equació esquemàtica d'aquesta síntesi és:

H₂porfirina + [ML_n]²⁺ → M(porfirinat)L_n-4 + 4 L + 2 H⁺

estructura de la porfina, la porfirina més simple

A vegades s'anomena base lliure a aquella porfirina que no es troba unida a cap ió metàl·lic. Les porfirines que contenen ferro formen el grup hemo que en unir-se a proteïnes formen hemoproteïnes com l'hemoglobina i la mioglobina (proteïnes transportadores d'oxigen). Hi ha diversos composts heterocíclics relacionats amb les porfirines com les bacterioclorofil·les o les clorines. Aquestes darreres (2,3- dihidroporfirina) estan més reduïdes i contenen una subunitat de pirrolina. La clorofil·la presenta aquesta estructura. La substitució de dues de les quatre subunitats pirròliques per anells de pirrolina dona lloc tant a bacterioclorines com a isobacterioclorines, depenent de la posició relativa dels anells reduïts.

Compostos biològics relacionats amb les porfirines

En la naturalesa, les metaloprofirines es troben conjugades a les proteïnes per a formar molts compostos importants en els processos biològics. Aquests inclouen els següents:

hemoglobines: són ferroporfirines unides a la proteïna globina. Aquestes proteïnes conjugades posseeixen la propietat de combinar-se de manera reversible amb l'oxigen. Serveixen com mitjà de transport de l'oxigen en la sang. La molècula d'hemoglobina és un tetràmer que consisteix en 4 subunitats. Cada mol d'hemoglobina conté 1 gram de ferro en estat ferros (Fe²⁺).

Eritrocruorines: Són porfirinoproteïnes fèrriques que existeixen en la sang i en els lípids tissulars d'alguns invertebrats. La seva funció correspon a la de l'hemoglobina.
mioglobines: són pigments respiratoris que existeixen en les cèl·lules musculars dels vertebrats i dels invertebrats.
Citocroms: són compostos que intervenen en la transferència d'electrons en les reaccions d'oxidoreducció. El més important és el citocrom c, que conté un àtom de ferro per mol.
Catalases: són enzims que contenen ferroporfirines, algunes de les quals s'han pogut cristal·litzar i que contenen 4 grams de ferro per mol. En les plantes, l'activitat de les catalases és mínima, però l'enzim peroxidasa, que també conté una ferroporfirina, porta a terme funcions semblants.
L'enzim triptòfan pirrolasa: aquest enzim catalitza l'oxidació del triptòfan i ho transforma en formilquinurenina. És una porfirinoproteina fèrrica.

Biosíntesi

El següent esquema resumeix la biosíntesi de les porfirines, incloent la nomenclatura EC i la base de dades OMIM: Cal tenir en compte que algunes de les reaccions ocorren al citosol i d'altres a l'interior dels mitocondris

Tant la clorofil·la com el grup hemo que forma part de l'hemoglobina són sintetitzats per una via comuna. En primer lloc, reacciona el succinil-CoA amb la glicina, que necessita ser activada pel piridoxal fosfat, de manera que es forma l'àcid α-amino-β-cetoadípic, que en ser ràpidament descarboxilat es converteix en δ-aminolevulinat. Aquesta reacció ocorre en el mitocondri i està catalitzada per l'enzim δ-aminolevulinat sintasa, que sembla l'enzim que controla la biosíntesi de porfirines en el fetge dels mamífers. Llavors, l'enzim δ-aminolevulinat deshidratasa condensa dues molècules de δ-aminolevulinat en porfobilinogen, que conté un anell de pirrole. Aquest procés es produeix en el citosol. A continuació, quatre porfobilinogens es combinen gràcies al porfobilinogen desaminasa en una molècula de tetrapirrole lineal, i així s'alliberen quatre ions amoni. El carboni aminat (derivat originalment del carboni de la glicina) serveix com a font de carbonis metilènics, que són els que connecten els pirroles entre si en aquesta estructura tetrapirròlica lineal anomenada hidroximetilbilà. L'enzim uroporfirinogen III sintasa és l'encarregat de la ciclació, de l'hidroximetilbilà a uroporfirinogen III. Aquest és convertit a coproporfirinogen III mitjançant la descarboxilació dels grups actil en metils; aquesta reacció és catalitzada per l'uroporfirinogen descarboxilasa. El coproporfirinogen III torna als mitocondris, on es converteix en protoporfirinogen III i llavors en protoporfirina IX. L'enzim coproporfirinogen oxidasa catalitza la descarboxilació i oxidació de dues cadenes laterals propiòniques a grups vinil. L'oxidació del protoporfirinogen a protoporfirina la duu a terme l'enzim protoporfirinogen oxidasa, de manera que es genera finalment protoporfirina IX. La finalitat principal en els éssers humans de la protoporfirina IX és formar el grup hemo mitjançant la incorporació de Fe²⁺ al centre de la molècula a través d'una reacció catalitzada per l'enzim ferroquelatasa.

Enzim	Substrat	Producte	Cromosoma	EC	OMIM	Porfíria
ALA sintasa	Glicina, succinil CoA	àcid D-Aminolevulínic	3p21.1	2.3.1.37 Arxivat 2011-06-21 a Wayback Machine.	125290	cap
ALA deshidratasa	àcid D-Aminolevulínic	Porfobilinogen	9q34	4.2.1.24 Arxivat 2011-06-21 a Wayback Machine.	125270	Porfíria de Doss^[1]
Porfobilinogen desaminasa	Porfobilinogen	Hidroximetilbilà	11q23.3	2.5.1.61 Arxivat 2011-06-21 a Wayback Machine.	176000	Porfíria intermitent aguda
Uroporfirinogen III sintasa	Hidroximetilbilà	Uroporfirinogen III	10q25.2-q26.3	4.2.1.75 Arxivat 2011-06-21 a Wayback Machine.	606938	Porfíria eritropoiètica congènita
Uroporfirinogen III descarboxilasa	Uroporfirinogen III	Coproporfirinogen III	1p34	4.1.1.37 Arxivat 2011-06-21 a Wayback Machine.	176100	Porfíria cutània
Coproporfirinogen III oxidasa	Coproporfirinogen III	Protoporfirinogen IX	3q12	1.3.3.3 Arxivat 2011-06-21 a Wayback Machine.	121300	Coproporfíria Hereditària
Protoporfirinogen oxidasa	Protoporfirinogen IX	Protoporfirina IX	1q22	1.3.3.4 Arxivat 2011-06-21 a Wayback Machine.	600923	Porfíria variegata
Ferroquelatasa	Protoporfirina IX	Hem	18q21.3	4.99.1.1 Arxivat 2011-06-21 a Wayback Machine.	177000	Protoporfíria eritropoiètica

Síntesi en el laboratori

Un dels mètodes comuns per a la síntesi de porfirines es basa en el treball de Paul Rothemund.^[2]^[3] Les seves tècniques són més modernes, com les descrites per Adler i Longo.^[4] La síntesi de porfirines simples com meso-tetrapenilporfirina (H 2 TPP) es fa sovint en laboratoris universitaris.^[5] Es pot dur a terme encalentint una mescla equimolar de pirrole i benzaldehid en àcid propanoic durant aproximadament una hora.

En aquest mètode, les porfirines són acoblades a partir del pirrole i aldehids. És essencial que es produeixi en condicions àcides; l'àcid fòrmic, àcid acètic i àcid propanoic són solvents típics, mentre que l'àcid p-toluensulfònic es pot utilitzar com un dissolvent no àcid. Àcids de Lewis com el trifluorur de bor i el triflat d'iterbi també s'han utilitzat per catalitzar la formació de porfirines. Una gran quantitat de productes secundaris es formen i s'eliminen, normalment per recristal·lització o cromatografia.

Aplicacions

Tot i que els complexos naturals de porfirina són essencials per a la vida, les porfirines sintètiques i els seus complexos tenen una utilitat bastant limitada. Complexos de la meso-tetrafenilporfirina, com el complex TPPFeCL, catalitzen diverses reaccions en la síntesi orgànica, però cap amb un valor pràctic. Components bàsics de les porfirines són d'interès en l'electrònica molecular i supramolecular de blocs de construcció. Les ftalocianines, que estan relacionades estructuralment a les porfirines, tenen interès comercial com a colorants i catalitzadors. Actualment, s'està investigant en porfirines sintètiques colorants que s'incorporen en el disseny de cèl·lules solars. L'any 2008 la corporació Destiny Pharma va informar de resultats exitosos en assajos clínics després d'aplicar intranasalment la porfirina XF-73 contra Staphylococcus aureus resistents a la meticilina^[6]

Química supramolecular

Les porfirines són sovint utilitzades per construir estructures supramoleculars. Aquests sistemes s'aprofiten de l'acidesa metàl·lica de Lewis, generalment del zinc. Un exemple és el que mostra la figura, que es construeix a partir de quatre complexos zinc-porfirina que acullen una altra molècula (en vermell).^[7]

Geoquímica orgànica

En el camp de la geoquímica orgànica, l'estudi dels impactes i els processos que els organismes han tingut sobre la terra té els seus orígens en l'aïllament de les porfirines del petroli. Aquest descobriment va ajudar a establir els orígens biològics del petroli. Aquest és a vegades identificat per l'anàlisi de traces de níquel i de porfirines de vanadi.

Referències

↑ Doss M.; von Tiepermann, R.; Schneider J.; Schmid H. New type of hepatic porphyria with porphobilinogen synthase defect and intermittent acute clinical manifestation. Klin. Wschr. 57, 20:1123-1127 (1979).
↑ P. Rothemund «A New Porphyrin Synthesis. The Synthesis of Porphin». J. Am. Chem. Soc., 58, 4, 1936, pàg. 625–627. DOI: 10.1021/ja01295a027.
↑ P. Rothemund «Formation of Porphyrins from Pyrrole and Aldehydes». J. Am. Chem. Soc., 57, 10, 1935, pàg. 2010–2011. DOI: 10.1021/ja01313a510.
↑ A. D. Adler, F. R. Longo, J. D. Finarelli, J. Goldmacher, J. Assour and L. Korsakoff «A simplified synthesis for meso-tetraphenylporphine». J. Org. Chem., 32, 2, 1967, pàg. 476–476. DOI: 10.1021/jo01288a053.
↑ Falvo, RaeAnne E.; Mink, Larry M.; Marsh, Diane F. «Microscale Synthesis and ¹H NMR Analysis of Tetraphenylporphyrins». J. Chem. Educ., 1999, 76, pàg. 237.
↑ BBC NEWS Hope for new way to destroy MRSA
↑ «Assembly and Crystal Structure of a Photoactive Array of Five Porphyrins». Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 34, 1995, pàg. 1096–1099. DOI: 10.1002/anie.199510961.

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Porfirina

HANDBOOK OF PORPHYRIN SCIENCE Arxivat 2010-03-31 a Wayback Machine.(anglès)
Porphyrin.net Arxivat 2018-07-09 a Wayback Machine.(anglès)
El grup hemo(anglès)

[1] Doss M.; von Tiepermann, R.; Schneider J.; Schmid H. New type of hepatic porphyria with porphobilinogen synthase defect and intermittent acute clinical manifestation. Klin. Wschr. 57, 20:1123-1127 (1979).

[2] P. Rothemund «A New Porphyrin Synthesis. The Synthesis of Porphin». J. Am. Chem. Soc., 58, 4, 1936, pàg. 625–627. DOI: 10.1021/ja01295a027.

[3] P. Rothemund «Formation of Porphyrins from Pyrrole and Aldehydes». J. Am. Chem. Soc., 57, 10, 1935, pàg. 2010–2011. DOI: 10.1021/ja01313a510.

[4] A. D. Adler, F. R. Longo, J. D. Finarelli, J. Goldmacher, J. Assour and L. Korsakoff «A simplified synthesis for meso-tetraphenylporphine». J. Org. Chem., 32, 2, 1967, pàg. 476–476. DOI: 10.1021/jo01288a053.

[5] Falvo, RaeAnne E.; Mink, Larry M.; Marsh, Diane F. «Microscale Synthesis and ¹H NMR Analysis of Tetraphenylporphyrins». J. Chem. Educ., 1999, 76, pàg. 237.

[6] BBC NEWS Hope for new way to destroy MRSA

[sanders-7] «Assembly and Crystal Structure of a Photoactive Array of Five Porphyrins». Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 34, 1995, pàg. 1096–1099. DOI: 10.1002/anie.199510961.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]