ポルフィリン
ポルフィリンの親であるポルフィン

ポルフィリン（/ ˈ p ɔːr f ər ɪ n s / POR -fər-ins）は、4つの修飾ピロールサブユニットからなる複素環式、大環状の有機化合物で、 α炭素原子がメチン架橋（=CH− ）を介して相互結合している。脊椎動物において、ポルフィリングループの必須メンバーであるヘムは、ヘムタンパク質の構成要素であり、血流中での酸素運搬などの機能を持つ。植物において、必須のポルフィリン誘導体であるクロロフィルは、光合成における集光と電子伝達に関与する。

ポルフィリンの親化合物はポルフィンであり、理論的な関心のみを抱く希少化合物です。置換ポルフィンはポルフィリンと呼ばれます。[ 1 ]ポルフィリン環構造は合計26個のπ電子を持つ配位芳香族系です。[ 2 ]大きな共役系を持つため、ポルフィリンは電磁スペクトルの可視領域で強い吸収を示し、濃い色をしています。「ポルフィリン」という名称は、ギリシャ語のπορφύρα （porphyra） 「紫」に由来します。[ 3 ]

構造

ポルフィリン錯体は、平面四角形のMN 4核から構成されています。sp 2混成炭素からなるポルフィリンの周縁部は、一般的に平面性からわずかにずれています。「波型」または鞍型ポルフィリンは、系とその周囲の環境との相互作用に起因します。[ 4 ] さらに、金属はN 4平面の中心に位置していないことがよくあります。[ 5 ] 遊離ポルフィリンでは、2つのピロールプロトンは相互にトランスであり、N 4平面から突出しています。[ 6 ]これらの非平面性の歪みは、化学的および物理的性質の変化と関連しています。クロロフィル環はより明確に非平面性を示しますが、ポルフィリンよりも飽和度が高いです。[ 7 ]

ポルフィリンの錯体

2つのN- Hプロトンの置換に伴い、ポルフィリンはN4「ポケット」に金属イオンを結合します。金属イオンは通常2+または3+の電荷を持ちます。これらの合成の模式図を以下に示します。ここで、Mは金属イオン、Lは配位子です。

H 2ポルフィリン + [ML n ] 2+ → M(ポルフィリネート)L n −4 + 4 L + 2 H +

  • 代表的なポルフィリンおよび誘導体
  • プロトポルフィリン IX の誘導体は自然界に広く存在し、ヘムの前駆体です。
    プロトポルフィリン IXの誘導体は自然界に広く存在し、ヘムの前駆体です。
  • オクタエチルポルフィリン（H2OEP）は、プロトポルフィリンIXの合成類似体です。天然のポルフィリン配位子とは異なり、OEP2−は高い対称性を有しています。
    オクタエチルポルフィリン（H 2 OEP）は、プロトポルフィリンIXの合成類似体です。天然のポルフィリン配位子とは異なり、OEP 2−は高い対称性を有しています。
  • テトラフェニルポルフィリン（H2TPP）は、プロトポルフィリンIXのもう一つの合成類似体です。天然のポルフィリン配位子とは異なり、TPP2-は高度に対称性を有しています。もう一つの違いは、メチン中心がフェニル基で占有されていることです。
    テトラフェニルポルフィリン（H 2 TPP）は、プロトポルフィリンIXのもう一つの合成類似体です。天然のポルフィリン配位子とは異なり、TPP 2-は高い対称性を有しています。もう一つの違いは、メチン中心がフェニル基で占有されていることです。
  • プロトポルフィリンIXの複合体であるヘムの簡略図
    プロトポルフィリンIXの複合体であるヘムの簡略図
  • 40個のポルフィリン分子のナノリング、モデル
    40個のポルフィリン分子のナノリング、モデル
  • 40個のポルフィリン分子からなるナノリング、STM画像
    40個のポルフィリン分子からなるナノリング、STM画像

古代のポルフィリン

ジオポルフィリンはペトロポルフィリンとも呼ばれ、地質起源のポルフィリンです。[ 8 ]原油、オイルシェール、石炭、堆積岩などに存在します。 [ 8 ] [ 9 ]アベルソナイトは、ポルフィリンが単独で結晶を形成することは稀であるため、おそらく唯一のジオポルフィリン鉱物です。[ 10 ]

有機地球化学の分野は、石油からポルフィリンを単離することに端を発しています。これらの発見は、石油の生物学的起源を明らかにする上で大きな役割を果たしました。[ 11 ] [ 12 ]石油は、微量のニッケルおよびバナジルポルフィリンの分析によって「指紋」として特定されることがあります。金属ポルフィリンは一般に非常に安定した有機化合物であり、抽出された誘導体の詳細な構造から、クロロフィルに由来することが明らかになりました。

生合成

動物、昆虫、菌類、原生動物などの非光合成性真核生物、およびα-プロテオバクテリア群の細菌では、ポルフィリン生合成の主要ステップは、クエン酸回路のスクシニルCoAとアミノ酸グリシンの反応によるδ-アミノレブリン酸（δ-ALA、5-ALAまたはdALA）の形成である。植物、藻類、細菌（α-プロテオバクテリア群を除く） 、古細菌では、グルタミン酸からグルタミルtRNAとグルタミン酸-1-セミアルデヒドを経由して生成される。この経路に関与する酵素は、グルタミルtRNA合成酵素、グルタミルtRNA還元酵素、およびグルタミン酸-1-セミアルデヒド2,1-アミノムターゼである。この経路はC5経路またはビール経路として知られている。

2分子のdALAはポルフォビリノーゲン合成酵素によって結合し、ピロール環を含むポルフォビリノーゲン（PBG）を生成します。さらに4つのPBGは脱アミノ化によってヒドロキシメチルビラン（HMB）に結合し、これが加水分解されて環状テトラピロールのウロポルフィリノーゲンIIIを生成します。この分子はさらにいくつかの修飾を受けます。中間体は様々な種で特定の物質を形成するために使用されますが、ヒトでは主な最終生成物であるプロトポルフィリンIXが鉄と結合してヘムを形成します。胆汁色素はヘムの分解産物です。

以下の図は、ポルフィリンの生合成をEC番号とOMIMデータベースの参照とともにまとめたものです。また、各酵素の欠損に関連する ポルフィリン症も示されています。

ヘムB生合成経路とその調節因子。主要な酵素欠損も示されている。
酵素位置 基板製品 染色体ECオミム障害
ALA合成酵素ミトコンドリア グリシン、スクシニルCoAδ-アミノレブリン酸 3p21.1 2.3.1.37125290X連鎖優性プロトポルフィリン症、X連鎖鉄芽球性貧血
ALA脱水酵素細胞質 δ-アミノレブリン酸ポルフォビリノーゲン 9q34 4.2.1.24125270アミノレブリン酸脱水酵素欠損症ポルフィリン症
PBGデアミナーゼ細胞質 ポルフォビリノーゲンヒドロキシメチルビラン 11q23.3 2.5.1.61176000急性間欠性ポルフィリン症
ウロポルフィリノーゲンIII合成酵素細胞質 ヒドロキシメチルビランウロポルフィリノーゲンIII 10q25.2-q26.3 4.2.1.75606938先天性赤血球系ポルフィリン症
ウロポルフィリノーゲンIII脱炭酸酵素細胞質 ウロポルフィリノーゲンIIIコプロポルフィリノーゲンIII 1ページ34 4.1.1.37176100晩発性皮膚ポルフィリン症、肝赤血球ポルフィリン症
コプロポルフィリノーゲンIIIオキシダーゼミトコンドリア コプロポルフィリノーゲンIIIプロトポルフィリノーゲンIX 3q12 1.3.3.3121300遺伝性コプロポルフィリン症
プロトポルフィリノーゲンオキシダーゼミトコンドリア プロトポルフィリノーゲンIXプロトポルフィリンIX 1q22 1.3.3.4600923多型性ポルフィリン症
フェロキラターゼミトコンドリア プロトポルフィリンIXヘム 18q21.3 4.99.1.1177000赤血球系プロトポルフィリン症

実験室合成

4-メチルベンズアルデヒドとピロールをプロピオン酸還流下で調製したメソ-テトラトリルポルフィリンの輝く結晶

ポルフィリンの一般的な合成法は、1936年に初めて報告されたロゼムンド反応であり、[ 13 ] [ 14 ]これは、アドラーとロンゴによって記載された最近の方法の基礎にもなっています。[ 15 ]一般的なスキームは、ピロールとアルデヒドから始まる縮合と酸化のプロセスです。

潜在的な用途

光線力学療法

ポルフィリンは光を強く吸収し、照射された部位で熱に変換されるため、光線力学療法（PDT）の分野で評価されてきました。 [ 16 ]この技術は、ベルテポルフィンを用いた黄斑変性症の治療に応用されています。[ 17 ]

PDTは、特定の周波数の光、光感受性物質、そして酸素の相互作用を利用する非侵襲性の癌治療法と考えられています。この相互作用により、通常は一重項酸素である高反応性酸素種（ROS）に加え、スーパーオキシドアニオン、遊離ヒドロキシルラジカル、あるいは過酸化水素が生成されます。[ 18 ]これらの高反応性酸素種は、脂質、芳香族アミノ酸、核酸複素環塩基などの感受性の高い細胞内有機生体分子と反応し、細胞に損傷を与える酸化ラジカルを生成し、アポトーシスや壊死を引き起こす可能性があります。[ 19 ]

分子エレクトロニクスとセンサー

ポルフィリン系化合物は分子エレクトロニクスやフォトニクスの部品として注目されている。[ 20 ]合成ポルフィリン色素はプロトタイプの色素増感太陽電池に組み込まれている。[ 21 ] [ 22 ]

生物学的応用

ポルフィリンは抗炎症剤としての可能性が研究されており[ 23 ]、抗癌作用や抗酸化作用についても評価されている。[ 24 ]いくつかのポルフィリンペプチド複合体は、試験管内でHIVに対する抗ウイルス活性を有することがわかった。[ 25 ]

毒物学

ヘムの生合成は環境毒性研究におけるバイオマーカーとして用いられています。ポルフィリンの過剰産生は有機塩素化合物への曝露を示唆しますが、鉛はALA脱水酵素を阻害します。[ 26 ]

  • メソ-テトラフェニルポルフィリンのルイス構造
    メソ-テトラフェニルポルフィリンのルイス構造
  • メソテトラフェニルポルフィリンのUV-vis読み取り
    メソ-テトラフェニルポルフィリンのUV-vis読み取り
  • 光活性化ポルフィリン。単原子酸素。細胞の老化。
    光活性化ポルフィリン。単原子酸素。細胞の老化。

自然の中で

ポルフィリンに関連するいくつかの複素環化合物が自然界に存在し、ほとんどの場合金属イオンと結合している。これらには以下が含まれる。

N4マクロサイクル補因子名金属コメント
クロリンクロロフィルマグネシウムクロロフィルにはいくつかのバージョンが存在する（側鎖、クロロフィル cは例外）
バクテリオクロリンバクテリオクロロフィル（一部）マグネシウムバクテリオクロロフィルにはいくつかのバージョンが存在する（側鎖；通常のクロリン環を使用するものもある）
シロヒドロクロリン（イソバクテリオクロリン）シロヘム鉄硫黄同化における重要な補因子
補因子F430およびビタミンB12への生合成中間体
コリンビタミンB12コバルトB12にはいくつかの変種が存在する（側鎖）
コルフィン補因子F430ニッケル高度に還元されたマクロサイクル

合成

ベンゾポルフィリンは、ピロールユニットの1つにベンゼン環が縮合したポルフィリンである。例えば、ベルテポルフィンはベンゾポルフィリン誘導体である。[ 27 ]

非天然ポルフィリン異性体

マクマリーカップリング反応によりビピロールジアルデヒドから合成された最初のポルフィリン異性体であるポルフィセン

最初の合成ポルフィリン異性体は、1986年にエマヌエル・フォーゲルと同僚らによって報告された。[ 28 ]この異性体 [18]ポルフィリン-(2.0.2.0) はポルフィセン と命名され、中央の N 4空洞は図に示すように長方形を形成する。 [ 29 ]ポルフィセンは興味深い光物理的挙動を示し、光線力学療法に向けて多用途の化合物が見出された。[ 30 ]この結果に続いて [18]ポルフィリン-(2.1.0.1) が調製され、コルフィセンまたはポルフィセリンと名付けられた。[ 31 ]その他の非天然ポルフィリンには [18]ポルフィリン-(2.1.1.0) や [18]ポルフィリン-(3.0.1.0) またはイソポルフィセンがある。[ 32 ] N-混乱ポルフィリンは、ピロールサブユニットの1つに窒素原子がマクロ環の中心から外側を向いていることを特徴とする。[ 33 ] [ 34 ]

ポルフィリンの様々な異性体

参照

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