Porfirina - Porphyrin

Se destacó el ciclo de 18 electrones de la porfina, la estructura madre de la porfirina. (Varias otras opciones de átomos, a través de los nitrógenos de pirrol, por ejemplo, también dan ciclos de 18 electrones).

Las porfirinas ( / p ɔr f ər ɪ n / POR -fər-in ) son un grupo de heterocíclico macrociclo compuestos orgánicos , compuesto de cuatro modificados pirrol subunidades interconectados en sus carbono a átomos a través de metino puentes (= CH-). El padre de la porfirina es la porfina , un compuesto químico poco común de interés exclusivamente teórico. Las porfinas sustituidas se denominan porfirinas. Con un total de 26 electrones π, de los cuales 18 electrones π forman un ciclo continuo y plano, la estructura del anillo de porfirina se describe a menudo como aromática . Un resultado del gran sistema conjugado es que las porfirinas típicamente absorben fuertemente en la región visible del espectro electromagnético, es decir, tienen un color intenso. El nombre "porfirina" deriva de la palabra griega πορφύρα ( porphyra ), que significa púrpura .

Los complejos metálicos derivados de las porfirinas se producen de forma natural. Una de las familias más conocidas de complejos de porfirina es el hemo , el pigmento de los glóbulos rojos , cofactor de la proteína hemoglobina .

Complejos de porfirinas

Las porfirinas son los ácidos conjugados de ligandos que se unen a los metales para formar complejos . El ion metálico suele tener una carga de 2+ o 3+. Se muestra una ecuación esquemática para estas síntesis:

H 2 porfirina + [ML n ] 2+ → M (porfirinato) L n − 4 + 4 L + 2 H + , donde M = ion metálico y L = un ligando

Una porfirina sin un ion metálico en su cavidad es una base libre . Algunas porfirinas que contienen hierro se denominan hemes. Las proteínas que contienen hemo , o hemoproteínas , se encuentran ampliamente en la naturaleza. La hemoglobina y la mioglobina son dos proteínas de unión a O 2 que contienen porfirinas de hierro. Varios citocromos también son hemoproteínas.

Especies relacionadas

Una benzoporfirina es una porfirina con un anillo de benceno fusionado a una de las unidades pirrol. por ejemplo, la verteporfina es un derivado de benzoporfirina.

Varios otros heterociclos están relacionados con las porfirinas. Estos incluyen corrinas , clorinas , bacterioclorofilas y corfinas . Las clorinas (2,3-dihidroporfirina) son más reducidas, contienen más hidrógeno que las porfirinas, es decir, un pirrol se ha convertido en pirrolina . Esta estructura se produce en las clorofilas . El reemplazo de dos de las cuatro subunidades pirrólicas con subunidades pirrolínicas da como resultado una bacterioclorina (como se encuentra en algunas bacterias fotosintéticas ) o una isobacterioclorina, dependiendo de las posiciones relativas de los anillos reducidos. Algunos derivados de la porfirina siguen la regla de Hückel , pero la mayoría no.

Formación natural

Una geoporfirina, también conocida como petroporfirina, es una porfirina de origen geológico. Pueden ocurrir en petróleo crudo , pizarra bituminosa , carbón o rocas sedimentarias. La abelsonita es posiblemente el único mineral de geoporfirina, ya que es raro que las porfirinas se produzcan de forma aislada y formen cristales.

Síntesis

Biosíntesis

En eucariotas no fotosintéticos como animales, insectos, hongos y protozoos , así como en el grupo de bacterias α-proteobacterias, el paso comprometido para la biosíntesis de porfirinas es la formación de ácido δ-aminolevulínico (δ-ALA, 5-ALA o dALA) por la reacción del aminoácido glicina con succinil-CoA del ciclo del ácido cítrico . En plantas , algas , bacterias (excepto el grupo de las α-proteobacterias) y arqueas , se produce a partir del ácido glutámico a través del glutamil-tRNA y el glutamato-1-semialdehído . Las enzimas involucradas en esta vía son glutamil-tRNA sintetasa , glutamil-tRNA reductasa y glutamato-1-semialdehído 2,1-aminomutasa . Esta vía se conoce como la vía C5 o Beale.

A continuación, la porfobilinógeno sintasa combina dos moléculas de dALA para dar porfobilinógeno (PBG), que contiene un anillo pirrol. A continuación, se combinan cuatro PBG mediante desaminación en hidroximetil bilano (HMB), que se hidroliza para formar el tetrapirrol uroporfirinógeno III circular . Esta molécula sufre una serie de modificaciones adicionales. Los intermedios se utilizan en diferentes especies para formar sustancias particulares, pero, en los seres humanos, el principal producto final, la protoporfirina IX, se combina con hierro para formar hemo. Los pigmentos biliares son los productos de degradación del hemo.

El siguiente esquema resume la biosíntesis de porfirinas, con referencias por número CE y la base de datos OMIM . La porfiria asociado con la deficiencia de cada enzima también se muestra:

Vía de biosíntesis del hemo B y sus moduladores. También se muestran importantes deficiencias enzimáticas.
Enzima Localización Sustrato Producto Cromosoma CE OMIM Trastorno
ALA sintasa Mitocondria Glicina , succinil CoA ácido δ-aminolevulínico 3p21.1 2.3.1.37 125290 Protoporfiria dominante ligada al cromosoma X, anemia sideroblástica ligada al cromosoma X
ALA deshidratasa Citosol ácido δ-aminolevulínico Porfobilinógeno 9q34 4.2.1.24 125270 porfiria por deficiencia de ácido aminolevulínico deshidratasa
PBG desaminasa Citosol Porfobilinógeno Hidroximetil bilano 11q23.3 2.5.1.61 176000 porfiria aguda intermitente
Uroporfirinógeno III sintasa Citosol Hidroximetil bilano Uroporfirinógeno III 10q25.2-q26.3 4.2.1.75 606938 porfiria eritropoyética congénita
Uroporfirinógeno III descarboxilasa Citosol Uroporfirinógeno III Coproporfirinógeno III 1p34 4.1.1.37 176100 porfiria cutánea tarda , porfiria hepatoeritropoyética
Coproporfirinógeno III oxidasa Mitocondria Coproporfirinógeno III Protoporfirinógeno IX 3q12 1.3.3.3 121300 coproporfiria hereditaria
Protoporfirinógeno oxidasa Mitocondria Protoporfirinógeno IX Protoporfirina IX 1q22 1.3.3.4 600923 porfiria variegada
Ferroquelatasa Mitocondria Protoporfirina IX Hemo 18q21.3 4.99.1.1 177000 protoporfiria eritropoyética

Síntesis de laboratorio

Cristales brillantes de meso- tetratolilporfirina, preparados a partir de 4-metilbenzaldehído y pirrol en ácido propiónico a reflujo

Una de las síntesis más comunes de porfirinas es la reacción de Rothemund , reportada por primera vez en 1936, que también es la base de los métodos más recientes descritos por Adler y Longo. El esquema general es un proceso de condensación y oxidación que comienza con pirrol y un aldehído .

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Porfirinas isoméricas

La primera porfirina sintético isómero fue reportado por Emanual Vogel y colaboradores en 1986. Este isómero [18] porphyrin- (2.0.2.0) es nombrado como porficeno , y el centro de N 4 cavidad forma un rectángulo forma como se muestra en la figura. Los porphycenos mostraron un comportamiento fotofísico interesante y encontraron compuestos versátiles hacia la terapia fotodinámica . Esto inspiró a Vogel y Sessler a aceptar el desafío de preparar [18] porfirina- (2.1.0.1) y la denominó Corrphycene o Porphycerin . La tercera porfirina que es [18] porfirina- (2.1.1.0), fue informada por Callot y Vogel-Sessler. Vogel y colaboradores informaron sobre el aislamiento exitoso de [18] porfirina- (3.0.1.0) o isoporficeno . El científico japonés Furuta y el científico polaco Latos-Grażyński reportaron casi simultáneamente las porfirinas N-Confused . La inversión de una de las subunidades pirrólicas en el anillo macrocíclico resultó en enfrentarse a uno de los átomos de nitrógeno fuera del núcleo del macrociclo.

Varios isómeros reportados de porfirina


Aplicaciones

Terapia fotodinámica

Las porfirinas se han evaluado en el contexto de la terapia fotodinámica (TFD) ya que absorben fuertemente la luz, que luego se convierte en energía y calor en las áreas iluminadas. Esta técnica se ha aplicado en la degeneración macular utilizando verteporfina .

La TFD se considera un tratamiento contra el cáncer no invasivo, que implica la interacción entre la luz de una frecuencia determinada, un fotosensibilizador y el oxígeno. Esta interacción produce la formación de una especie de oxígeno altamente reactivo (ROS), generalmente oxígeno singlete, así como anión superóxido, radical hidroxilo libre o peróxido de hidrógeno. Estas especies de oxígeno altamente reactivas reaccionan con biomoléculas orgánicas celulares susceptibles tales como; lípidos, aminoácidos aromáticos y bases heterocíclicas de ácidos nucleicos, para producir radicales oxidativos que dañan la célula, posiblemente induciendo apoptosis o incluso necrosis.

Geoquímica orgánica

El campo de la geoquímica orgánica tiene sus orígenes en el aislamiento de porfirinas del petróleo. Este hallazgo ayudó a establecer los orígenes biológicos del petróleo. En ocasiones, se toman las huellas dactilares del petróleo mediante el análisis de trazas de porfirinas de níquel y vanadilo .

Toxicología

La biosíntesis de hemo se utiliza como biomarcador en estudios de toxicología ambiental. Mientras que la producción excesiva de porfirinas indica exposición a organoclorados , el plomo inhibe la enzima ALA deshidratasa .

Aplicaciones potenciales

Catálisis biomimética

Aunque no se comercializan, los complejos de metaloporfirinas se estudian ampliamente como catalizadores para la oxidación de compuestos orgánicos. Particularmente populares para tales investigaciones de laboratorio son los complejos de meso - tetrafenilporfirina y octaetilporfirina . Los complejos con Mn, Fe y Co catalizan una variedad de reacciones de interés potencial en la síntesis orgánica . Algunos complejos emulan la acción de varias enzimas hemo como el citocromo P450 , lignina peroxidasa . Las metaloporfirinas también se estudian como catalizadores para la disociación del agua, con el fin de generar hidrógeno molecular y oxígeno para pilas de combustible.

Sensores y electrónica molecular

Los compuestos a base de porfirina son de interés como posibles componentes de la electrónica molecular y la fotónica. Se han incorporado colorantes sintéticos de porfirina en prototipos de células solares sensibilizadas con colorante .

Se han investigado las metaloporfirinas como sensores.

Las ftalocianinas , que están relacionadas estructuralmente con las porfirinas, se utilizan en el comercio como colorantes y catalizadores, pero las porfirinas no.

Química supramolecular

En una superficie de oro, las moléculas de derivados de porfirina (a) forman cadenas y grupos (b). Cada grupo en (c, d) contiene 4 o 5 moléculas en el núcleo y 8 o 10 moléculas en las capas externas ( imágenes STM ).
Un ejemplo de porfirinas involucradas en la química huésped-huésped . Aquí, un complejo de cuatro porfirinas y zinc alberga un huésped de porfirina.

Las porfirinas se utilizan a menudo para construir estructuras en química supramolecular . Estos sistemas aprovechan la acidez de Lewis del metal, típicamente zinc. Un ejemplo de un complejo huésped-huésped que se construyó a partir de un macrociclo compuesto por cuatro porfirinas. Una porfirina base libre de huéspedes está unida al centro por coordinación con sus cuatro sustituyentes piridina.

Interés teórico por la aromaticidad

Los macrociclos de porfirinoides pueden mostrar una aromaticidad variable. Una porfirina aromática de Hückel es porphycene. Se conocen macrociclos de porfirinoides antiaromáticos , aromáticos de Mobius y no aromáticos.

Ver también

Galería

Referencias

enlaces externos