פורפירין

פּוֹרְפִירִינִים הם תרכובות אורגניות הטרוציקליות  (בעלות טבעות עם מספר אטומים רב), המורכבות מארבע תת־יחידות פירול מותמרות, המחוברות באטומי הפחמן אלפא שלהן באמצעות גשרי  (=CH−). בבעלי חוליות, חבר חיוני בקבוצת הפורפירינים הוא ההם, המהווה מרכיב ב, שתפקידיהם כוללים נשיאת חמצן במחזור הדם. בצמחים, נגזרת פורפירין חיונית היא הכלורופיל, המעורב ב ובהעברת אלקטרונים בפוטוסינתזה.

תרכובת האב של הפורפירינים היא , תרכובת כימית נדירה בעלת עניין תאורטי בלבד. פורפינים מותמרים נקראים פורפירינים. עם סך של 26 אלקטרוני פאי, מבנה טבעת הפורפירין הוא מערכת ארומטית קואורדינטיבית. תוצאה אחת של המערכת המצומדת הגדולה היא שפורפירינים בולעים בחוזקה בתחום הנראה של הספקטרום האלקטרומגנטי, כלומר הם בעלי צבע עמוק. השם "פורפירין" נגזר מיוונית πορφύρα (פורפירה), 'סגול'.

מבנה
קומפלקסים של פורפירין מורכבים מליבת MN4 ריבועית מישורית. ההיקף של הפורפירינים, המורכב מפחמנים בהכלאת sp2, מציג בדרך כלל סטיות קטנות ממישוריות. פורפירינים "מרופטים" (ruffled) או בעלי צורת אוכף מיוחסים לאינטראקציות של המערכת עם סביבתה. בנוסף, המתכת אינה ממוקמת לרוב במרכז מישור ה-N4. עבור פורפירינים חופשיים, שני פרוטוני הפירול נמצאים בטראנס הדדי ובולטים מחוץ למישור ה-N4. עיוותים לא-מישוריים אלה מקושרים לתכונות כימיות ופיזיקליות משתנות. טבעות כלורופיל הן באופן מובהק יותר לא-מישוריות, אך הן רוויות יותר מפורפירינים.

קומפלקסים של פורפירינים
במקביל לעקירת שני פרוטוני N-H, פורפירינים קושרים יוני מתכת ב"כיס" ה-N4. ליון המתכת יש בדרך כלל מטען של 2+ או 3+. משוואה סכמטית לסינתזות אלה מוצגת להלן, כאשר M = יון מתכת ו-L = ליגנד:

פורפירינים עתיקים
גאופורפירין, הידוע גם כפטרופורפירין, הוא פורפירין ממקור גאולוגי. הם עשויים להימצא בנפט גולמי, פצלי שמן, פחם או סלעי משקע.  הוא כנראה המינרל הגאופורפיריני היחיד, שכן נדיר שפורפירינים מופיעים בנפרד ויוצרים גבישים.

ראשיתו של תחום ה במיצוי פורפירינים מנפט. ממצאים אלה סייעו לבסס את המקורות הביולוגיים של הנפט. נפט לעיתים "מזוהה" (fingerprinted) על ידי אנליזה של כמויות קורט של פורפיריני ניקל ו. מטלופורפירינים באופן כללי הם תרכובות אורגניות יציבות מאוד, והמבנים המפורטים של הנגזרות שמוצו הבהירו שמקורם בכלורופיל.

ביוסינתזה
באאוקריוטים שאינם מבצעי פוטוסינתזה כגון בעלי חיים, חרקים, פטריות ופרוטוזואה, כמו גם בקבוצת החיידקים ,  ל של פורפירין הוא יצירת  (δ-ALA, 5-ALA או dALA) על ידי התגובה של חומצת האמינו גליצין עם  ממעגל קרבס. בצמחים, אצות, חיידקים (למעט קבוצת האלפא-פרוטאובקטריה) וארכאונים, הוא מיוצר מחומצה גלוטמית דרך גלוטמיל-tRNA ו. האנזימים המעורבים במסלול זה הם , , ו. מסלול זה ידוע כמסלול ה-C5 או מסלול ביל (Beale).

לאחר מכן, שתי מולקולות של dALA משולבות על ידי  לקבלת פורפובילינוגן (PBG), המכיל טבעת פירול. ארבע מולקולות PBG משולבות לאחר מכן באמצעות דיאמינציה ל (HMB), שעובר הידרוליזה ליצירת הטטרה-פירול הטבעתי . מולקולה זו עוברת מספר שינויים נוספים. תוצרי ביניים משמשים במינים שונים ליצירת חומרים מסוימים, אך בבני אדם, התוצר הסופי העיקרי  משולב עם ברזל ליצירת הם.  הם תוצרי הפירוק של ההם.

הסכמה שלהלן מסכמת את הביוסינתזה של פורפירינים, עם הפניות לפי  ומסד הנתונים OMIM. הפורפיריה המקושרת למחסור בכל אנזים מוצגת גם היא:

מרכז|ממוזער|600px|מסלול הביוסינתזה של הם B והמווסתים שלו. כמו כן מוצגים חסרים אנזימטיים עיקריים
 אנזים מיקום סובסטרט תוצר כרומוזום  OMIM מחלה  מיטוכונדריה גליצין,  חומצה דלתא-אמינו-לבולינית 3p21.1 2.3.1.37 125290 פרוטופורפיריה בתאחיזה ל-X דומיננטית,  בתאחיזה ל-X  ציטוזול  פורפובילינוגן 9q34 4.2.1.24 125270   ציטוזול  הידרוקסי-מתיל-בילן 11q23.3 2.5.1.61 176000   ציטוזול  אורופורפירינוגן III 10q25.2-q26.3 4.2.1.75 606938   ציטוזול  קופרופורפירינוגן III 1p34 4.1.1.37 176100 ,   מיטוכונדריה  פרוטופורפירינוגן IX 3q12 1.3.3.3 121300   מיטוכונדריה  פרוטופורפירין IX 1q22 1.3.3.4 600923   מיטוכונדריה  הם 18q21.3 4.99.1.1 177000 

סינתזה במעבדה
שמאל|ממוזער|250px|גבישים בוהקים של מסו-טטרה-טוליל-פורפירין, שהוכנו מ- ופירול בחומצה פרופנואית ב
סינתזה נפוצה לפורפירינים היא , שדווחה לראשונה ב-1936, שהיא גם הבסיס לשיטות חדשות יותר שתוארו על ידי אדלר ולונגו (Adler and Longo). הסכמה הכללית היא תהליך של תגובת דחיסה וחמצון המתחיל מפירול ואלדהיד.
מרכז|ממוזער|400px

יישומים פוטנציאליים
טיפול פוטודינמי
פורפירינים הוערכו בהקשר של טיפול פוטודינמי (PDT) מכיוון שהם בולעים אור בחוזקה, אשר מומר לאחר מכן לחום באזורים המוארים. טכניקה זו יושמה בניוון מקולרי באמצעות .

PDT נחשב לטיפול לא פולשני בסרטן, המערב אינטראקציה בין אור בתדירות מסוימת, פוטו-סנסיטייזר (חומר מעורר רגישות לאור), וחמצן. אינטראקציה זו מביאה ליצירת  (ROS) בעלי תגובתיות גבוהה, בדרך כלל , כמו גם אניון סופראוקסיד, רדיקל הידרוקסיל חופשי, או מי חמצן. צורוני חמצן פעילים אלו מגיבים עם ביומולקולות אורגניות תאיות רגישות כגון ליפידים, חומצות אמינו ארומטיות, ובסיסים הטרוציקליים של חומצת גרעין, כדי לייצר רדיקלים מחמצנים הפוגעים בתא, ועשויים להשרות אפופטוזיס או אפילו נמק.

אלקטרוניקה מולקולרית וחיישנים
תרכובות מבוססות-פורפירין מעוררות עניין כרכיבים אפשריים של  ופוטוניקה. צבעני פורפירין סינתטיים שולבו באבות-טיפוס של תאים סולאריים מרוגשי צבע (DSSC).

יישומים ביולוגיים
פורפירינים נחקרו כתכשירים נוגדי דלקת אפשריים והוערכו על פעילותם האנטי-סרטנית והנוגדת החמצון. נמצא כי מספר מצומדי פורפירין-פפטיד הם בעלי פעילות אנטי-ויראלית נגד HIV בתנאי מעבדה (in vitro).

טוקסיקולוגיה
הביוסינתזה של הם משמשת כסמן ביולוגי  במחקרי טוקסיקולוגיה סביבתית. בעוד שייצור עודף של פורפירינים מצביע על חשיפה ל, עופרת מעכבת את האנזים .

גלריה

תרכובות קשורות
בטבע
מספר תרכובות הטרוציקליות הקשורות לפורפירינים נמצאות בטבע, כמעט תמיד קשורות ליוני מתכת. אלה כוללות:

 מאקרוציקלוס N4  שם הקופקטור  מתכת  הערה כלורופיל  מגנזיום  קיימות מספר גרסאות של כלורופיל (שייר צדדי; היוצא מן הכלל הוא )בקטריוכלורין  (בחלקו)  מגנזיום  קיימות מספר גרסאות של בקטריוכלורופיל (שייר צדדי; חלקן משתמשות בטבעת כלורין רגילה)  (איזובקטריוכלורין)  Y  ברזל  קופקטור חשוב בהטמעת גופרית תוצר ביניים ביוסינתטי בדרך לקופקטור F430 ו-B12   ויטמין B12  קובלט  קיימות מספר גרסאות של B12 (שייר צדדי) קורפין    ניקל   מחוזר מאוד

סינתטיים
בנזופורפירין הוא פורפירין בעל טבעת בנזן מאוחה לאחת מיחידות הפירול. לדוגמה,  הוא נגזרת של בנזופורפירין.

איזומרים לא-טבעיים של פורפירין
שמאל|ממוזער|250px|פורפיצן, איזומר הפורפירין הראשון, שסונתז מביפירול דיאלדהיד באמצעות תגובת מקמרי
איזומר הפורפירין הסינתטי הראשון דווח על ידי עמנואל פוגל (Emanuel Vogel) ועמיתיו ב-1986. איזומר זה, [18]פורפירין-(2.0.2.0), מכונה פורפיצן, וחלל ה-N4 המרכזי יוצר צורת מלבן כפי שמוצג באיור. פורפיצנים הראו התנהגות פוטופיזיקלית מעניינת ונמצאו כתרכובות רב-גוניות עבור טיפול פוטודינמי. תוצאה זו לוותה בהכנת [18]פורפירין-(2.1.0.1), שנקרא קורפיצן (corrphycene) או פורפיצרין (porphycerin). פורפירינים לא-טבעיים אחרים כוללים [18]פורפירין-(2.1.1.0) ו-[18]פורפירין-(3.0.1.0) או איזופורפיצן (isoporphycene). פורפירינים N-confused ("פורפירינים מבולבלים") מתאפיינים באחת מתת-יחידות הפירול כאשר אטומי החנקן פונים החוצה מליבת המאקרוציקלוס.

מרכז|ממוזער|500px|איזומרים שונים של פורפירין שדווחו
קישורים חיצוניים


 Journal of Porphyrins and Phthalocyanines
 Handbook of Porphyrin Science
 Porphynet – an informative site about porphyrins and related structures

הערות שוליים

קטגוריה:תרכובות ביוכימיות
קטגוריה:מטבוליזם