297
17.
PORFIRYNY I POCHODNE
Iwona śak
Porfiryny są makrocyklicznymi związkami, utworzonymi z czterech pier-
ś
cieni pirolowych, połączonych jednowęglowymi mostkami metinowymi.
Pirol jest pięcioczłonowym, heterocyklicznym związkiem aromatycznym,
który zawiera sześć elektronów
π
w cyklicznym sprzęŜonym układzie nakładają-
cych się pięciu orbitali p (kaŜdy z czterech atomów C dostarcza 1 elektron
π
, atom
azotu o hybrydyzacji sp
2
dostarcza wolną parę elektronową, czyli dwa). Wolna pa-
ra 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 podwój-
nego jakiegoś związku, dlatego pierścień pirolowy jest reaktywniejszy wobec elek-
trofili.
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 produk-
tem reakcji kondensacji dwóch cząsteczek kwasu
δ
-aminolewulinowego (na poniŜ-
szym rysunku pojedyncze cząsteczki
δ
-aminolewulinianu w obrębie porfobilinoge-
nu, zaznaczono poprzez wykropkowanie). Reakcję katalizuje syntaza porfobilino-
genowa.
CH
CH
HC
HC
N
H
IV
III
II
I
δ
γ
β
α
HN
CH
N
NH
HC
H
H
H
H
H
H
N
CH
HC
H
H
pirol
porfina
porfobilinogen
298
Wszystkie porfiryny zawierają makrocykliczny układ zwany porfiną, który
nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym, lecz analogi porfiny z podstawiony-
mi łańcuchami bocznymi (do pierścieni pirolowych) są związkami bardzo istotny-
mi 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
CH
2
COO
-
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
CH CH
2
Strukturę porfiryn moŜna przedstawiać za pomocą uproszczonych wzorów
Fischera. Cyfry rzymskie oznaczają numer pierścienia pirolowego, natomiast arab-
skie numery atomów węgli pierścieni pirolowych, do których przyłączone są pod-
stawniki (łańcuchy alifatyczne).
8
7
6
5
4
3
2
1
IV
III
II
I
uproszczony wzór Fischera porfiryny
Rozmieszczenie podstawników bocznych jest podstawą istnienia porfiryn
w czterech typach izomerycznych (typ I symetryczny i typy II, III, IV – asyme-
tryczne).
Biologicznie waŜne izomeryczne typy porfiryn
typ I symetryczny
typ III asymetryczny
299
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 porfi-
rii erytropoetycznej.
Asymetryczne typy II i III porfiryn otrzymano jedynie syntetycznie i nie ma-
ją 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 elektro-
nowe od atomów azotu piroli. Porfiryny pochłaniają światło i posiadają charaktery-
styczne 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 klinicz-
nej waŜne jest wykrywanie w materiale biologicznym obecności uroporfiryn i ko-
proporfiryn, poniewaŜ związki te w zwiększonych ilościach wydalane są z organi-
zmu w przypadku stanu patologicznego, zwanego porfirią.
Uroporfiryna i koproporfiryna są metabolitami pośrednimi szlaku biosynte-
tycznego hemu. Barwna uroporfiryna III powstaje w cytoplazmie z bezbarwnego
300
uroporfirynogenu III pod wpływem światła w reakcji samoutlenienia, tworzącej
mostki metinowe w tej porfirynie.
IV
III
II
I
HN
CH
N
NH
HC
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
H
2
C
H
2
C
-
OOC
H
2
C
COO
-
CH
2
COO
-
CH
2
COO
-
COO
-
-
OOC
N
CH
HC
CH
2
CH
2
CH
2
COO
-
-
OOC
6H
+
na
ś
wietle
samoutlenienie
H
N
H
C
C
CH
2
CH
2
CH
2
H
H
H
H
COO
-
-
OOC
HN
C
N
NH
C
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
COO
-
H
2
C
H
2
C
CH
2
-
OOC
COO
-
COO
-
H
H
H
H
COO
-
H
2
C
-
OOC
I
II
III
IV
uroporfirynogen III
uroporfiryna III
W podobnej reakcji powstaje barwna koproporfiryna III z bezbarwnego ko-
proporfirynogenu III.
IV
III
II
I
HN
CH
N
NH
HC
CH
3
CH
2
CH
3
CH
2
H
2
C
H
3
C
H
2
C
CH
2
COO
-
CH
2
COO
-
-
OOC
N
CH
HC
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
6H
+
na
ś
wietle
samoutlenienie
H
N
H
CH
2
CH
2
CH
3
H
H
H
H
COO
-
HN
N
NH
CH
3
CH
2
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
H
3
C
H
2
C
CH
2
COO
-
H
H
H
H
H
2
C
-
OOC
I
II
III
IV
koproporfirynogen III
koproporfiryna III
Uroporfirynogen III jest wspólnym prekursorem dla wszystkich hemów,
chlorofili oraz witaminy B
12
.
301
Uroporfirynę III wykryto pierwotnie w moczu, lecz nie jest to jedyne miej-
sce jej występowania w organizmie. Koproporfirynę III stwierdzono pierwotnie
w kale, obecna jest równieŜ w moczu.
Koproporfirynogen III powstaje z uroporfirynogenu III w cytoplazmie ko-
mórki w reakcji dekarboksylacji, która przekształca wszystkie boczne podstawniki
acetylowe uroporfirynogenu w podstawniki metylowe koproporfirynogenu. W sta-
nach 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 protoporfi-
rynogen 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 proto-
porfirynogenu III w enzymatycznej reakcji utlenienia, tworzącej mostki metinowe
w tej porfirynie.
IV
III
II
I
HN
N
NH
CH
3
CH
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
H
3
C
H
2
C
CH
2
H
H
H
H
H
2
C
-
OOC
N
H
CH
CH
3
CH
3
H
H
H
H
H
6H
+
HN
CH
N
NH
HC
CH
3
CH
CH
3
CH
2
H
2
C
H
3
C
H
2
C
CH
2
CH
2
COO
-
-
OOC
N
CH
HC
CH
3
CH
CH
2
I
II
III
IV
utlenienie
oksydaza
protoporfirynogenowa
protoporfirynogen III
protoporfiryna III (lub IX)
Wstawienie do cząsteczki protoporfiryny IX centralnego jonu metalu, mia-
nowicie Ŝelaza lub magnezu, determinuje dalsze przekształcenie porfiryny albo
w kierunku hemu, albo chlorofili. Dalsze modyfikacje prowadzące do chlorofili po-
legają na dołączeniu piątego pierścienia pirolowego, połączeniu jednego podstaw-
nika bocznego z długim hydrofobowym izoprenoidem, cząsteczką fitolu oraz
usunięciu pewnych wiązań podwójnych w niektórych pierścieniach pirolowych.
302
N
CH
N
N
HC
Fe
N
CH
HC
CH
CH
2
CH
3
CH
3
CH
CH
2
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
H
3
C
H
2
C
H
2
C
-
OOC
I
II
III
IV
+2
Ŝ
elazoprotoporfiryna (hem)
ś
elazoprotoporfiryna, czyli hem to grupa prostetyczna wszystkich hemopro-
tein, do których naleŜą hemoglobiny, mioglobina, cytochromy i niektóre enzymy,
mianowicie katalaza oraz peroksydaza. We wszystkich tych białkach ogólna struk-
tura hemu jest podobna, natomiast róŜnią się strukturą łańcucha polipeptydowego,
który jest specyficzny dla kaŜdego typu białka. Poza tym, białka te róŜnią się war-
tościowością atomu Ŝelaza w ich hemie. Atom Ŝelaza występuje w postaci jonu
Ŝ
elazawego (+2) w hemach funkcjonalnej hemoglobiny, oksyhemoglobiny, mio-
globiny 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, mia-
nowicie po przyjęciu elektronu lub jego oddaniu.
Atom Ŝelaza wiąŜe się z 4 atomami azotu piroli poprzez dwa wiązania kowa-
lencyjne 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 zaj-
muje 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.
303
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-O
2
-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-O
2
-hem. W przypadku hemoglo-
biny, 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 c
1
wiąŜe się kowalencyjnie z dwoma bocznymi łańcu-
chami reszt cysteinowych białka poprzez wiązanie tioeterowe, powstające w wyni-
ku reakcji między grupami winylowymi hemu a grupami -SH dwóch reszt cyste-
inowych.
Hem A oksydazy cytochromowej nie jest natomiast związany kowalencyjnie
z białkiem, róŜni się teŜ innymi cechami od hemów cytochromów c i c
1
, posiada
bowiem długi, piętnastowęglowy łańcuch węglowodorowy, zamiast jednej grupy
winylowej, oraz grupę formylową, zamiast grupy metylowej.
H
H
H
N
HC
HC
NH
C
CH
2
His-93
proksymalna
His-64
dystalna
2
+
2
+
304
N
CH
N
N
HC
Fe
N
CH
HC
CH
CH
3
CH
3
CH
3
CH S
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
H
3
C
H
2
C
H
2
C
-
OOC
S CH
2
CH
2
CH
3
B
I
A
Ł
K
O
I
II
III
IV
+2
hem cytochromów c i c
1
N
CH
N
N
HC
Fe
N
CH
HC
C
CH
2
CH
3
CH
3
CH
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
C
H
2
C
H
2
C
-
OOC
OH
H
O
H
(CH
2
CH
2
CH
CH
2
)
3
H
CH
3
CH
2
IV
III
II
I
+2
hem A oksydazy cytochromowej
BARWNIKI śÓŁCIOWE
Barwniki Ŝółciowe powstają w wyniku rozerwania makrocyklicznej struktu-
ry hemu i stanowią formę związków wydalniczych, w której usuwany jest z orga-
nizmu hem, głównie starych, eliminowanych z obiegu erytrocytów, ale równieŜ
hem pochodzący z wszystkich innych hemoprotein. W reakcji oksydacyjnego roz-
szczepienia pierścienia Ŝelazoporfirynowego, która zachodzi w układzie siatecz-
kowo-śródbłonkowym, powstaje liniowy tetrapirol, zwany biliwerdyną, który jest
305
zielonym barwnikiem Ŝółciowym. Ten rozpuszczalny w wodzie barwnik jest koń-
cowym produktem rozkładu hemu u ptaków, gadów i płazów. U ludzi i innych ssa-
ków biliwerdyna ulega redukcji do bilirubiny, czerwonopomarańczowego barwni-
ka Ŝółciowego. Widocznym dowodem tych reakcji rozkładu hemu są zmiany kolo-
ru siniaka w róŜnym czasie od wynaczynienia krwi do tkanek. Cząsteczki bilirubi-
ny są lipofilne, dlatego we krwi transportowane są w połączeniu z albuminą. Bili-
rubina jest bardzo skutecznym przeciwutleniaczem, w przeciwieństwie do biliwer-
dyny. 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 rywali-
zuje z witaminą E.
IV
III
II
I
N
H
O
CH
3
CH
CH
2
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
N
C
H
N
H
CH
2
CH
2
COO
-
CH
3
C
H
N
H
C
H
O
CH
3
CH
CH
2
biliwerdyna
N
H
C
H
O
CH
3
CH
CH
2
N
H
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
C
H
N
H
CH
2
CH
2
COO
-
CH
3
C
H
N
H
O
CH
3
CH
CH
2
I
II
III
IV
H
bilirubina
W wątrobie bilirubina sprzęgana jest z dwoma cząsteczkami kwasu glukuro-
nowego. W wyniku tej reakcji powstaje diglukuronid bilirubiny, który charaktery-
zuje się zwiększoną polarnością i rozpuszczalnością w wodzie. W tej formie biliru-
bina wydzielana jest do Ŝółci, a następnie do jelit.
306
H
IV
III
II
I
N
H
O
CH
3
CH
CH
2
N
H
C
H
O
CH
3
CH
CH
2
O O
H
OH
OH
OH
C
O
-
O
O
O
H
OH
HO
OH
C
O
-
O
N
H
CH
3
H
2
C
H
2
C
C
C
H
N
H
CH
2
CH
2
C
CH
3
C
H
O
O
O
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.
IV
III
II
I
N
H
OH
CH
3
CH
2
CH
3
N
H
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
C
H
N
H
CH
2
CH
2
COO
-
CH
3
C
H
N
H
C
H
HO
CH
3
CH
2
CH
3
H
H
urobilina
W kale i moczu obecne są równieŜ dipirolowe barwniki, tzw. mezobilifuscyny.
III
II
N
H
CH
3
CH
2
CH
2
COO
-
OH
N
H
C
H
O
CH
3
CH
2
CH
3
IV
I
N
H
O
CH
3
CH
2
CH
3
HO
N
H
CH
2
CH
2
COO
-
CH
3
C
H
mezobilifuscyny