stringtranslate.com

Порфирин

Порфин , родительский порфирин

Порфирины ( / ˈ p ɔːr f ər ɪ n s / POR -fər-ины ) представляют собой группу гетероциклических , макроциклических , органических соединений , состоящих из четырех модифицированных пиррольных субъединиц , соединенных между собой на их α - атомах углерода через метиновые мостики ( =CH− ). У позвоночных существенным членом группы порфиринов является гем , который является компонентом гемопротеинов , функции которых включают перенос кислорода в кровотоке . У растений существенным производным порфирина является хлорофилл , который участвует в сборе света и переносе электронов при фотосинтезе .

Родителем порфиринов является порфин , редкое химическое соединение, представляющее исключительно теоретический интерес. Замещенные порфины называются порфиринами. [1] С общим количеством 26 π-электронов, из которых 18 π-электронов образуют плоский непрерывный цикл, структура порфиринового кольца часто описывается как ароматическая . [2] [3] Одним из результатов большой сопряженной системы является то, что порфирины обычно сильно поглощают в видимой области электромагнитного спектра, т. е. они имеют интенсивную окраску. Название «порфирин» происходит от греческого πορφύρα (porphyra)  «фиолетовый». [4]

Структура

Порфириновые комплексы состоят из квадратного плоского ядра MN 4. Периферия порфиринов, состоящая из sp 2 -гибридизованных углеродов, обычно демонстрирует небольшие отклонения от планарности. «Рофированные» или седловидные порфирины приписываются взаимодействиям системы с ее окружением. [5] Кроме того, металл часто не центрирован в плоскости N 4. [6] Для свободных порфиринов два пиррольных протона взаимно транс и выступают из плоскости N 4. [7] Эти неплоские искажения связаны с измененными химическими и физическими свойствами. Хлорофилловые -кольца более отчетливо неплоские, но они более насыщены, чем порфирины. [8]

Комплексы порфиринов

Сопутствуя смещению двух протонов N- H , порфирины связывают ионы металла в "кармане" N4. Ион металла обычно имеет заряд 2+ или 3+. Показано схематическое уравнение для этих синтезов, где M = ион металла и L = лиганд :

H 2 порфирин + [ML n ] 2+ → M(порфиринат)L n −4 + ​​4 L + 2 H +


Древние порфирины

Геопорфирин, также известный как петропорфирин, является порфирином геологического происхождения. [9] Они могут встречаться в сырой нефти , горючем сланце , угле или осадочных породах. [9] [10] Абельсонит , возможно, единственный минерал геопорфирина, так как порфирины редко встречаются изолированно и образуют кристаллы. [11]

Область органической геохимии берет свое начало в выделении порфиринов из нефти. [ требуется цитата ] Это открытие помогло установить биологическое происхождение нефти. Нефть иногда «отпечатывается» с помощью анализа следовых количеств никеля и ванадилпорфиринов . [ требуется цитата ]

Биосинтез

У нефотосинтезирующих эукариот , таких как животные, насекомые, грибы и простейшие , а также у группы бактерий α-протеобактерий, обязательным этапом биосинтеза порфирина является образование δ-аминолевулиновой кислоты (δ-АЛК, 5-АЛК или dALA) в результате реакции аминокислоты глицина с сукцинил -КоА из цикла лимонной кислоты . У растений , водорослей , бактерий (за исключением группы α-протеобактерий) и архей она образуется из глутаминовой кислоты с помощью глутамил-тРНК и глутамат-1-полуальдегида . Ферментами, участвующими в этом пути, являются глутамил-тРНК-синтетаза , глутамил-тРНК-редуктаза и глутамат-1-полуальдегид 2,1-аминомутаза . Этот путь известен как путь C5 или путь Биля.

Две молекулы dALA затем объединяются порфобилиногенсинтазой , образуя порфобилиноген (PBG), содержащий пиррольное кольцо. Затем четыре PBG объединяются посредством дезаминирования в гидроксиметилбилан (HMB), который гидролизуется с образованием циклического тетрапиррола уропорфириногена III . Эта молекула претерпевает ряд дальнейших модификаций. Промежуточные продукты используются у разных видов для образования определенных веществ, но у людей основной конечный продукт протопорфирин IX соединяется с железом, образуя гем. Желчные пигменты являются продуктами распада гема.

Следующая схема суммирует биосинтез порфиринов, со ссылками по номеру EC и базе данных OMIM . Также показана порфирия , связанная с дефицитом каждого фермента:

Путь биосинтеза гема B и его модуляторы. Показаны также основные дефициты ферментов.

Лабораторный синтез

Блестящие кристаллы мезо -тетратолилпорфирина, полученные из 4-метилбензальдегида и пиррола в кипящей пропионовой кислоте.

Распространенным синтезом порфиринов является реакция Ротемунда , впервые описанная в 1936 году [12] [13], которая также является основой для более поздних методов, описанных Адлером и Лонго. [14] Общая схема представляет собой процесс конденсации и окисления , начинающийся с пиррола и альдегида .

Потенциальные приложения

Фотодинамическая терапия

Порфирины были оценены в контексте фотодинамической терапии (ФДТ), поскольку они сильно поглощают свет, который затем преобразуется в тепло в освещенных областях. [15] Этот метод был применен при дегенерации желтого пятна с использованием вертепорфина . [16]

ФДТ считается неинвазивным методом лечения рака, включающим взаимодействие 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 перекиси водорода. [17] Эти высокореактивные формы кислорода реагируют с восприимчивыми клеточными органическими биомолекулами, такими как липиды, ароматические аминокислоты и гетероциклические основания нуклеиновых кислот, с образованием окислительных радикалов, которые повреждают клетку, возможно, вызывая апоптоз или даже некроз. [18]

Молекулярная электроника и сенсоры

Соединения на основе порфирина представляют интерес как возможные компоненты молекулярной электроники и фотоники. [19] Синтетические порфириновые красители были включены в прототипы сенсибилизированных красителем солнечных элементов . [20] [21]

Биологическое применение

Порфирины были исследованы как возможные противовоспалительные агенты [22] и оценены на предмет их противораковой и антиоксидантной активности. [23] Было обнаружено, что несколько конъюгатов порфирина и пептида обладают противовирусной активностью против ВИЧ in vitro . [24]

Токсикология

Биосинтез гема используется как биомаркер в исследованиях экологической токсикологии. В то время как избыточное производство порфиринов указывает на воздействие хлорорганических соединений , свинец ингибирует фермент ALA-дегидратазу . [25]

Галерея

Родственные виды

В природе

Несколько гетероциклов, родственных порфиринам, встречаются в природе, почти всегда связанных с ионами металлов. К ним относятся

Синтетический

Бензопорфирин – это порфирин с бензольным кольцом, слитым с одним из пиррольных фрагментов. Например, вертепорфин – это производное бензопорфирина. [26]

Неприродные изомеры порфирина

Порфицен, первый изомер порфирина, синтезированный из диальдегида бипиррола посредством реакции сочетания Мак-Мерри

Первый синтетический изомер порфирина был описан Эмануэлем Фогелем и его коллегами в 1986 году. [27] Этот изомер [18]порфирин-(2.0.2.0) назван порфиценом , а центральная полость N 4 образует прямоугольную форму, как показано на рисунке. [28] Порфицены показали интересное фотофизическое поведение и нашли универсальное соединение для фотодинамической терапии . [29] Это вдохновило Фогеля и Сесслера заняться задачей получения [18]порфирина-(2.1.0.1) и назвать его корфиценом или порфициром . [30] Третий порфирин, который является [18]порфирином-(2.1.1.0), был описан Калло и Фогелем-Сесслером. Фогель и его коллеги сообщили об успешном выделении [18]порфирина-(3.0.1.0) или изопорфицена . [31] Японский ученый Фурута [32] и польский ученый Латос-Гражинский [33] почти одновременно сообщили о порфиринах с N-запутанным атомом. Инверсия одной из пиррольных субъединиц в макроциклическом кольце привела к тому, что один из атомов азота оказался обращенным наружу от ядра макроцикла.

Различные зарегистрированные изомеры порфирина

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Rayati S, Malekmohammadi S (2016). "Каталитическая активность многослойной углеродной нанотрубки, поддерживаемой марганцевым (III) порфирином: эффективный, селективный и многоразовый катализатор для окисления алкенов и алканов с мочевиной–перекисью водорода". Journal of Experimental Nanoscience . 11 (11): 872. Bibcode :2016JENan..11..872R. doi : 10.1080/17458080.2016.1179802 .
  2. ^ Иванов АС, Болдырев АИ (август 2014). «Расшифровка ароматичности порфириноидов с помощью адаптивного естественного распределения плотности». Органическая и биомолекулярная химия . 12 (32): 6145–6150. doi :10.1039/C4OB01018C. PMID  25002069.
  3. ^ Lash TD (2011). «Происхождение ароматического характера в порфириноидных системах». Журнал порфиринов и фталоцианинов . 15 (11n12): 1093–1115. doi :10.1142/S1088424611004063.
  4. ^ Harper D, Buglione DC. "porphyria (n.)". Онлайн-словарь этимологии . Получено 14 сентября 2014 г.
  5. ^ Senge MO, MacGowan SA, O'Brien JM (декабрь 2015 г.). «Конформационный контроль кофакторов в природе — влияние вызванного белком искажения макроцикла на биологическую функцию тетрапирролов». Chemical Communications . 51 (96): 17031–17063. doi :10.1039/C5CC06254C. hdl : 2262/75305 . PMID  26482230.
  6. ^ Walker FA, Simonis U (2011). "Химия порфиринов железа". Энциклопедия неорганической и бионеорганической химии . doi :10.1002/9781119951438.eibc0104. ISBN 9781119951438.
  7. ^ Jentzen W, Ma JG, Shelnutt JA (февраль 1998). "Сохранение конформации макроцикла порфирина в гемопротеинах". Biophysical Journal . 74 (2 Pt 1): 753–763. Bibcode :1998BpJ....74..753J. doi :10.1016/S0006-3495(98)74000-7. PMC 1302556 . PMID  9533688.  
  8. ^ Senge MO, Ryan AA, Letchford KA, MacGowan SA, Mielke T (2014). «Хлорофиллы, симметрия, хиральность и фотосинтез». Симметрия . 6 (3): 781–843. Bibcode : 2014Symm....6..781S. doi : 10.3390/sym6030781 . hdl : 2262/73843 .
  9. ^ ab Kadish KM, ред. (1999). Справочник по порфиринам. Elsevier . стр. 381. ISBN 9780123932006.
  10. ^ Zhang B, Lash TD (сентябрь 2003 г.). «Полный синтез порфиринового минерала абельсонита и родственных петропорфиринов с пятичленными экзоциклическими кольцами». Tetrahedron Letters . 44 (39): 7253. doi :10.1016/j.tetlet.2003.08.007.
  11. ^ Мейсон ГМ, Труделл ЛГ, Брантавер ДжФ (1989). «Обзор стратиграфического распределения и диагенетической истории абельсонита». Органическая геохимия . 14 (6): 585. Bibcode : 1989OrGeo..14..585M. doi : 10.1016/0146-6380(89)90038-7.
  12. ^ Ротемунд П. (1936). «Новый синтез порфирина. Синтез порфина». J. Am. Chem. Soc. 58 (4): 625–627. doi :10.1021/ja01295a027.
  13. ^ Ротемунд П. (1935). «Образование порфиринов из пиррола и альдегидов». J. Am. Chem. Soc . 57 (10): 2010–2011. doi :10.1021/ja01313a510.
  14. ^ Adler AD, Longo FR, Finarelli JD, Goldmacher J, Assour J, Korsakoff L (1967). "Упрощенный синтез мезо -тетрафенилпорфина". J. Org. Chem. 32 (2): 476. doi :10.1021/jo01288a053.
  15. ^ Giuntini F, Boyle R, Sibrian-Vazquez M, Vicente MG (2014). «Порфириновые конъюгаты для терапии рака». В Kadish KM, Smith KM, Guilard R (ред.). Handbook of Porphyrin Science . Том 27. С. 303–416.
  16. ^ Wormald R, Evans J, Smeeth L, Henshaw K (июль 2007 г.). "Фотодинамическая терапия неоваскулярной возрастной макулярной дегенерации" (PDF) . База данных систематических обзоров Cochrane (3): CD002030. doi :10.1002/14651858.CD002030.pub3. PMID  17636693.
  17. ^ Прайс М., Терлецкий С.Р., Кессель Д. (2009). «Роль перекиси водорода в проапоптотических эффектах фотодинамической терапии». Фотохимия и фотобиология . 85 (6): 1491–1496. doi :10.1111/j.1751-1097.2009.00589.x. PMC 2783742. PMID  19659920 . 
  18. ^ Singh S, Aggarwal A, Bhupathiraju NV, Arianna G, Tiwari K, Drain CM (сентябрь 2015 г.). «Гликозилированные порфирины, фталоцианины и другие порфириноиды для диагностики и терапии». Chemical Reviews . 115 (18): 10261–10306. doi :10.1021/acs.chemrev.5b00244. PMC 6011754 . PMID  26317756. 
  19. ^ Lewtak JP, Gryko DT (октябрь 2012 г.). «Синтез π-расширенных порфиринов посредством внутримолекулярного окислительного сопряжения». Chemical Communications . 48 (81): 10069–10086. doi :10.1039/c2cc31279d. PMID  22649792.
  20. ^ Walter MG, Rudine AB, Wamser CC (2010). «Порфирины и фталоцианины в солнечных фотоэлектрических элементах». Журнал порфиринов и фталоцианинов . 14 (9): 759–792. doi :10.1142/S1088424610002689.
  21. ^ Yella A, Lee HW, Tsao HN, Yi C, Chandiran AK, Nazeeruddin MK и др. (ноябрь 2011 г.). «Сенсибилизированные порфирином солнечные элементы с окислительно-восстановительным электролитом на основе кобальта (II/III) превышают 12-процентную эффективность». Science . 334 (6056): 629–634. Bibcode :2011Sci...334..629Y. doi :10.1126/science.1209688. PMID  22053043. S2CID  28058582.
  22. ^ Алонсо-Кастро AJ, Сапата-Моралес JR, Эрнандес-Муниве А, Кампос-Ксолальпа Н, Перес-Гутьеррес С, Перес-Гонсалес С (май 2015 г.). «Синтез, антиноцицептивное и противовоспалительное действие порфиринов». Биоорганическая и медицинская химия . 23 (10): 2529–2537. doi : 10.1016/j.bmc.2015.03.043. ПМИД  25863493.
  23. ^ Bajju GD, Ahmed A, Devi G (декабрь 2019 г.). «Синтез и биоактивность оксованадиевых (IV) тетра (4-метоксифенил) порфиринсалицилатов». BMC Chemistry . 13 (1): 15. doi : 10.1186/s13065-019-0523-9 . PMC 6661832 . PMID  31384764. 
  24. ^ Mendonça DA, Bakker M, Cruz-Oliveira C, Neves V, Jiménez MA, Defaus S и др. (июнь 2021 г.). «Проникновение через гематоэнцефалический барьер с помощью новых конъюгатов пептид-порфирин, обладающих анти-ВИЧ-активностью». Bioconjugate Chemistry . 32 (6): 1067–1077. doi :10.1021/acs.bioconjchem.1c00123. PMC 8485325. PMID 34033716  . 
  25. ^ Walker CH, Silby RM, Hopkin SP, Peakall DB (2012). Принципы экотоксикологии . Boca Raton, FL: CRC Press. стр. 182. ISBN 978-1-4665-0260-4.
  26. ^ Скотт Л. Дж., Гоа КЛ (февраль 2000 г.). «Вертепорфин». Лекарства и старение . 16 (2): 139–146, обсуждение 146–8. doi :10.2165/00002512-200016020-00005. PMID  10755329. S2CID  260491296.
  27. ^ Фогель Э, Кехер М (март 1986 г.). «Порфицен — новый изомер порфина». Ангеванде Хеми . 25 (3): 257. doi :10.1002/anie.198602571.
  28. ^ Nagamaiah J, Dutta A, Pati NN, Sahoo S, Soman R, Panda PK (март 2022 г.). «3,6,13,16-тетрапропилпорфицен: рациональный синтез, комплексообразование и галогенирование». Журнал органической химии . 87 (5): 2721–2729. doi :10.1021/acs.joc.1c02652. PMID  35061396. S2CID  246165814.
  29. ^ Догерти Т.Дж. (2001). «Основные принципы фотодинамической терапии». Журнал порфиринов и фталоцианинов . 5 (2): 105. doi :10.1002/jpp.328.
  30. ^ Vogel E, Guilard R (ноябрь 1993 г.). «Новые порфиценовые лиганды: октаэтил- и этиопорфицен (OEPc и EtioPc) — тетра- и пентакоординированные цинковые комплексы OEPc». Angewandte Chemie International Edition . 32 (11): 1600. doi :10.1002/anie.199316001.
  31. ^ Vogel E, Scholz P, Demuth R, Erben C, Bröring M, Schmickler H, et al. (октябрь 1999 г.). "Isoporphycene: The Fourth Constitutional Isomer of Porphyrin with an N(4) Core-Occurrence of E/Z Isomerism". Angewandte Chemie . 38 (19): 2919–2923. doi :10.1002/(SICI)1521-3773(19991004)38:19<2919::AID-ANIE2919>3.0.CO;2-W. PMID  10540393.
  32. ^ Хироюки Ф. (1994).«N-запутанный порфирин»: новый изомер тетрафенилпорфирина. J. Am. Chem. Soc . 116 (2): 767. doi :10.1021/ja00081a047.
  33. ^ Chmielewski PJ, Latos-Grażyński L, Rachlewicz K, Glowiak T (18 апреля 1994 г.). «Тетра-п-толилпорфирин с инвертированным пиррольным кольцом: новый изомер порфирина». Angewandte Chemie International Edition . 33 (7): 779. doi :10.1002/anie.199407791.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Порфирины .