Порфирины
ПОРФИРИНЫ — пигменты, широко распространенные в природе, представляющие собой производные порфина и выполняющие важные функции в процессах жизнедеятельности животных и растений. П. входят в состав молекул дыхательных пигментов (см.), в т. ч. гемоглобина (см.) и миоглобина (см.), различных ферментов (см.), хлорофиллов (см.) и т. л.
Изучению П. и их хим. структуры были посвящены многие работы М. В. Ненцкого, И. А. Залесского, Л. А. Мархлевского. Значительный вклад в развитие методов синтеза, анализа и определения П. сделали Фишер (Н. Fischer), Вудворд (R. Woodward), Р. П. Евстигнеева и др.
В свободном состоянии и в комплексе с белками П. встречаются в организме человека и животных, в растениях, в микроорганизмах. Обнаруживают П. в нефти, битумахт асфальте, восках, каменном угле.
Основу молекулы П. составляет кольцо порфина, построенное из четырех пиррольных ядер, а-атомы углерода к-рых метиновыми мостиками (=С—) связаны друг с другом, а Р-атомы водорода замещены различными углеводородными радикалами, природа к-рых и относительное расположение, а также присутствие атома металла и др. определяют отличие П. друг от друга.
кольцо порфина; I, II, III и IV—пиррольные ядра
R1 — R8 — углеводородные радикалы; R1=R2= …R8=H — порфирин; R1=R3=R5=R7=CH2COOH, R2=R4=R6=R8=C2H4COOH — ypoпорфирин I;
R1=R3=R5=R8=CH2COOH, R2=R4=R6=R7=C2H4COOH — ypoпорфирин III;
R1=R3=R5—R8—CH3, R2=R4=CH=CH2, R6=R7=C2H4COOH — протопорфирин IX;
R1=R3=R5=R7=CH3, R2=R4=R6=R8=CH2CH3 — этиопорфирин I;
R1=R3=R3=R8=CH3, R2=R4=R6=R7=CH2CH3 — этиопорфирин III;
R1=R3=R5=R7=CH3, R2=R4=R6=R8=C2H4COOH — копропорфирин I;
R1=R3=R5=R8=CH3, R2=R4=R6=R7=C2H4COOH —копропорфирин III.
П., содержащие одинаковое число заместителей двух типов (этиопорфирины, копропорфирины, уропорфирины), в зависимости от расположения боковых цепей относительно порфиринового ядра могут существовать в 4 изомерных формах, а П., содержащие заместители трех типов (мезо- и протопорфирины), могут существовать в 15 изомерных формах.
П. представляют собой амфотер-ные соединения с изоэлектрической точкой при pH ок. 4,0, легко образующие комплексы с металлами, которые также имеют интенсивную окраску.
В зависимости от природы заместителей П. растворяются в щелочных р-рах и минеральных к-тах, эфире, пиридине. Способность П. распределяться между эфиром и р-рами соляной к-ты имеет практическое значение для разделения смеси П. и их индивидуальной характеристики. Концентрацию соляной к-ты в процентах, при к-рой после установления равновесия две трети П. находится в эфирной фазе двухфазной системы, состоящей из равных объемов эфира и р-ра соляной к-ты, называют солянокислым числом порфиринов. Солянокислое число для копропорфирина составляет 0,08, для протопорфирина — ок. 2,5.
П. обладают характерными спектрами поглощения: положение и интенсивность максимумов поглощения определяются электронными переходами в порфириновом макроцикле. Для П. свойственна наиболее интенсивная полоса поглощения в области ок. 400 нм (полоса Соре); П., не содержащие металла, в нейтральных и кислых р-рах характеризуются интенсивной красной флюоресценцией, спектр к-рой зависит от величины pH р-ра. Флюоресценция П. имеет важное биологическое значение и также используется при идентификации П.
В молекулах комплексов П. с металлами ион металла находится в центре порфиринового кольца, причем 4 лигандных места металла заняты атомами азота пирролов. Наиболее важными металлопорфирино-выми комплексами являются: в организме животных и человека — комплекс протопорфирина IX с двухвалентным железом (гем), входящий в состав гемоглобина и миоглобина, а также комплексы П. с железом в составе молекул цитохромов (см.), каталазы (см.), пероксидазы (см.); у растений — комплексы П. с магнием в составе молекул хлорофиллов (ди- и тетрагидромагнийпорфирины). К представителям функциональных металл отетрапирролов биогенетически близок также витамин B12 (см. Цианокобаламин). Описаны комплексы П. с ванадием, цинком, медью. В дыхании животных организмов, в фотосинтезе у растений и в азот-фиксации у микроорганизмов метал-лопорфирины принимают участие в виде белковых комплексов.
Каталитическую активность ме-таллопорфирины проявляют также в виде комплексов с белками.
Свободные П., не входящие в состав ферментных или пигментных комплексов, обнаружены в организмах многих представителей животного и растительного мира. Некоторые микроорганизмы способны накапливать П. в процессе своей жизнедеятельности. П. найдены в покровах морских ежей и звезд, скорлупе яиц нек-рых птиц, в гардеровых железах грызунов. В организме человека важнейшим представителем П. является протопорфир ин IX — предшественник гема гемоглобина, присутствуют уропорфирины I и III, копропорфирины I и III, мезопор-фирин IX и дейтеропорфирин IX. Свободные П., обнаруживаемые в организме человека в незначительных количествах, являются гл. обр. продуктами синтеза гема и практически полностью связываются специфическими белками организма. Так, Р-гликопротеид сыворотки крови — гемопексин специфически связывает гем.
В костях, особенно быстро растущих, с активным процессом кальцификации, а также в костном мозге обнаружено нек-рое количество свободных уропорфиринов и копропор-фиринов. Эндогенные П. найдены в белом веществе головного и спинного мозга. Свободные П. определяются в амниотической жидкости, сыворотке крови эмбрионов, меконии. По нек-рым данным, в эмбриональных и опухолевых тканях происходит накопление П. В эритроцитах обнаружены протопорфир ин (10— 50 мкг на 100 мл взвеси клеток), уропорфирин (до 4 мкг на 100 мл взвеси клеток) и копропорфирин (до 5 мкг на 100 мл взвеси клеток). В сыворотке крови также содержится небольшое количество П. Лейкоциты в норме не содержат П., но при нек-рых заболеваниях способны их синтезировать. В печени содержится протопорфир ин IX, а также набор ферментов, участвующих в синтезе П. В составе желчи за 24 часа секретируется 280—600 мкг порфиринов. За сутки из организма здорового человека выводится до 500 мкг порфиринов. Копропорфирины I и III выделяются с мочой (30—80 мкг!суш,) и калом (100—400 мкг/сут). В норме величина соотношения копропорфи-ринов в моче и в кале составляет 0,1—0,6, а при заболеваниях, связанных с патологией порфиринового обмена, этот показатель повышается. С мочой в сутки выделяется 5— 20 мкг уропорфирина I и III. В моче обнаруживают также бесцветные порфирии огены — восстановленные формы П. На количество и характер экскретируемых П. влияет пищевой рацион. Жиры и алкоголь повышают уровень выведения П.
Значительная часть П. в организме человека имеет экзогенное происхождение и попадает в организм с пищей. Из кишечника П. пищи, превращающиеся гл. обр. в копропорфирин, поступают с током крови в печень, оттуда в составе желчи вновь попадают в кишечник, а затем выводятся из организма с калом или в небольшом количестве переходят в кровь и выделяются с мочой. В кишечнике П. могут образовываться в результате действия микроорганизмов кишечной микрофлоры на гемсодержащие компоненты пищи, а также в результате микробного синтеза из простых метаболитов. Образование П. происходит в тонкой кишке и верхней трети толстой кишки. Т. о., П. кала имеют как экзогенное (алиментарное), так и эндогенное происхождение.
В биосинтезе порфиринов, происходящем гл. обр. в кроветворных органах и печени, принимает участие система ферментов различной внутриклеточной локализации. На первом этапе биосинтеза порфиринов происходит образование первичного пиррола порфобилиногена. Под действием фермента синтазы 6-аминолевулиновой к-ты (КФ 2.3.1.37) осуществляется реакция взаимодействия аминокислоты глицина с активной формой янтарной к-ты — сукцинил-КоА. При этом образуется CO2 и 6-аминолевулиновая к-та, две молекулы к-рой в присутствии специфической аминолевулинат-дегидратазы (КФ 4.2.1.24) конденсируются с образованием порфобилиногена. На втором этапе биосинтеза П. образуются первичные тетрапир-рольные соединения — порфирино-тены. Этот процесс происходит под действием уропорфириноген 1-син-тазы (КФ 4.3.1.8), катализирующей образование уропорфириногена I, и уропорфириноген Ш-косинтазы, способствующей образованию уропорфириногена III. На третьем этапе осуществляется декарбоксилирование остатков уксусной к-ты в молекулах уропорфириногенов I и III с образованием копропорфириноге-нов I и III соответственно. В присутствии копропорфириноген-декар-боксилазы остатки пропионовой к-ты в молекуле копропорфириногена III декарбоксилируются и образуется протопорфириноген IX, который затем окисляется до протопорфирина IX. Дальнейшие превращения связаны с образованием гема при включении железа в протопорфирин IX, катализируемом протогем — ферролиазой (КФ 4.99.1.1). При распаде эритроцитов П. гема не используются для его ресинтеза, а распадаются с образованием тетрапирролов с открытой цепью — желчных пигментов (см.). Начальный и конечный этапы биосинтеза П. (образование δ-аминолевулиновой к-ты, протопорфирина IX и гема) проршходят в митохондриях, а другие реакции (образование уропорфириногена, копропорфириногена, уропорфирина и копропорфирина) — в цитозоле.
Регуляция биосинтеза П. осуществляется на различных уровнях. Количество 6-аминолевулиновой к-ты регулируется по принципу обратной связи конечным продуктом — гемом. Гормональная регуляция синтеза П. может быть как непосредственной, так и опосредованной (на генетическом уровне). Установлено, что в обмене П. определенную роль играет гипофиз, особенно нейрогипофиз. Выявлен также нервно-рефлек-торный механизм контроля синтеза П. Витамины (В2, В12, С, пантотеновая и фолиевая к-ты) оказывают влияние на обмен П. Прослеживаются отчетливые взаимоотношения между белково-липидным и минеральным обменами и обменом П. Значительная стимуляция синтеза порфиринов вызывается кровопотерей.
В организме здорового человека промежуточные продукты синтеза П. содержатся в небольших количествах. Клин, формы нарушения обмена П.— порфирии (см.) — сопровождаются изменением содержания П. в тканях и увеличением экскреции свободных П. Генетически обусловленные порфирии характеризуются с биохим, точки зрения недостаточностью фермента, катализирующего одну из реакций обмена П. Определение содержания П. в крови и моче и активности ферментов обмена П. является надежным диагностическим тестом при порфириях. Нарушение обмена П. и порфиринурию наблюдают при заболеваниях печени (напр., циррозе), нек-рых отравлениях (в т. ч. при отравлении свинцом), а также у больных со злокачественными опухолями.
Природные и синтетические П., введенные в организм, способны избирательно локализоваться в тканях злокачественных опухолей и других пролиферирующих тканях и изменять их радиочувствительность. Радиозащитные (радиопротек-торные) свойства нек-рых П. (в т. ч. этиопорфирина) продемонстрированы экспериментально. Полагают, что радиозащитное действие П. связано с их участием в метаболических процессах в клетке. При лучевой терапии П. оказывают потенцирующий эффект.
Определение П. производится флюорометрическими и спектрофотометрическими методами, а разделение П.— экстрагированием диэтиловый эфиром из кислых р-ров и хроматографическим разделением экстракта на бумаге или с помощью колоночной и тонкослойной хроматографии (см.), а также методом электрофореза (см.). Качественное обнаружение порфобилиногена в моче основано на его реакции с реактивом Эрлиха. В лаб. практике используются полуколичественные методы определения копропорфирина по интенсивности красной флюоресценции в УФ-лучах. Одним из наиболее распространенных является определение содержания копропорфирина в моче по методу Каскело, основанное на способности П. экстрагироваться диэтиловым эфиром из р-ров, подкисленных уксусной к-той, а из эфира — водными р-рами соляной к-ты. Расчет содержания копропорфирина производят на основании результатов измерения оптической плотности р-ров при 380 и 430 нм. Содержание протопорфирина в эритроцитах определяют по Гринштейну и Уинтробу спектрофотометрически после извлечения протопорфирина последовательно этилацетатом и соляной к-той.
Библиография: Биохимические методы исследования в клинике, под ред. А. А. Покровского, М., 1989; Б ы х о в с к и й В. Я. Биогенез тетрапиррольных соединений (порфиринов и корриноидов) и его регуляция, М., 1979; Гулиева С. А. и Кубатиев А. А. Рак и порфирины, Вопр, онкол., т. 17, Jsfi 7, с. 86, 1971; Кубатиев А. А. Порфирины, витамин В12 и рак, Тула, 1973; The biological role of porphyrins and related structures, ed. by A. D. Adler, N. Y., 1975; Fischer H. u. a. Die Chemie des Pyrrols, Bd 1—2, Lpz., 1934 —1940; Goldberg A. a. Rimington С1.Diseases of porphyrin metabolism, Springfield, 1962; International conference on porphyrin metabolism, Biochemical and clinical aspects, ed. by P. Koskelo a. R. Tenhunen, Helsinki, 1976.
H. В. Гуляева.
Источник: https://xn--90aw5c.xn--c1avg/index.php/%D0%9F%D0%9E%D0%A0%D0%A4%D0%98%D0%A0%D0%98%D0%9D%D0%AB