Porfirin

Porfirin ialah sekumpulan sebatian organik kitaran makro heterosiklik, terdiri daripada empat subunit pirol diubah suai yang saling bersambung di atom karbon α-nya melalui jambatan metina (=CH−). Dalam vertebrat, ahli penting kumpulan porfirin ialah hem yang merupakan komponen hemoprotein, dengan fungsinya termasuk membawa oksigen dalam aliran darah. Dalam tumbuhan, terbitan porfirin penting ialah klorofil yang terlibat dalam penuaian cahaya dan pemindahan elektron dalam fotosintesis.

Induk porfirin ialah porfina, sebatian kimia langka yang mempunyai kepentingan teori secara khusus. Porfina yang terganti dipanggil sebagai porfirin.^[1] Dengan sejumlah 26 π-elektron, di mana 18 π-elektron membentuk kitaran satah berterusan, struktur cincin porfirin sering digambarkan sebagai aromatik.^[2][3] Satu hasil daripada sistem konjugasi besar ialah porfirin lazimnya menyerap dengan kuat di kawasan spektrum elektromagnet tampak, yakni berwarna gelap. Nama "porphyrin" berasal daripada perkataan Yunani πορφύρα (porphyra), bermaksud "ungu".^[4]

Struktur

Kompleks porfirin terdiri daripada teras MN₄ segi empat sama rata. Pinggiran porfirin yang terdiri daripada karbon terhibrid sp² secara amnya memaparkan sisihan kecil daripada kerataan. Porfirin "Ruffled" atau berbentuk pelana dikaitkan dengan interaksi sistem dengan persekitarannya.^[5] Selain itu, logam selalunya tidak berpusat pada satah N₄.^[6] Bagi porfirin bebas, kedua-dua proton pirol adalah saling trans dan mengunjur keluar dari satah N₄.^[7] Herotan bukan rata ini dikaitkan dengan sifat kimia dan fizikal yang diubah. Cincin klorofil tidak rata secara jelas, tetapi lebih tepu daripada porfirin.^[8]

Kompleks porfirin

Seiring dengan anjakan dua proton N-H, porfirin mengikat ion logam dalam "poket" N4. Ion logam biasanya mempunyai cas 2+ atau 3+. Persamaan skematik untuk sintesis ini diwakili seperti berikut:

H₂-porfirin + [ML_n]²⁺ → M(porfirinat)L_n−4 + 4 L + 2H⁺, di mana M = ion logam dan L = ligan

• Porfirin dan terbitan contoh
• 
  Terbitan protoporfirin IXadalah biasa dalam alam semula jadi, termasuk pelopor hem.
• 
  Oktaetilporfirin (H₂OEP) ialah analog sintetik protoporfirin IX. Tidak seperti ligan porfirin semula jadi, OEP²⁻ sangat simetri.
• 
  Tetrafenilporfirin (H₂TPP) ialah satu lagi analog sintetik protoporfirin IX. Tidak seperti ligan porfirin semulajadi, TPP²⁻ sangat simetri. Perbezaan lain ialah pusat metinanya diduduki oleh kumpulan fenil.
• 
  Pandangan ringkas hem, kompleks protoporfirin IX.
• 
  Kitaran makro 40 molekul porfirin, model
• 
  Kitaran makro 40 molekul porfirin, imej STM

Porfirin purba

Geoporfirin, juga dikenali sebagai petroporfirin, ialah porfirin asal geologi.^[9] Ia boleh berlaku dalam minyak mentah, syal minyak, arang batu atau batu enapan.^[9][10] Abelsonit mungkin satu-satunya mineral geoporfirin kerana porfirin jarang wujud secara terasing dan membentuk kristal.^[11]

Bidang geokimia organik berasal dari pengasingan porfirin daripada petroleum.^{[perlu rujukan]} Penemuan ini membantu menubuhkan asal-usul biologi petroleum. Petroleum kadangkala "dicap jari" melalui analisis jumlah surih nikel dan porfirin vanadil.^{[perlu rujukan]}

Biosintesis

Dalam eukariot bukan fotosintesis seperti haiwan, serangga, kulat, dan protozoa serta kumpulan bakteria α-proteobakteria, langkah komited biosintesis porfirin ialah pembentukan asid δ-aminolevulinik (δ-ALA, 5-ALA atau dALA) melalui tindak balas asid amino glisina dengan suksinil-KoA daripada kitaran asid sitrik. Dalam tumbuhan, alga, bakteria (kecuali kumpulan α-proteobakteria) dan arkea, ia dihasilkan daripada asid glutamik melalui glutamil-tRNA dan glutamat-1-semialdehid. Enzim yang terlibat dalam laluan ini ialah glutamil-tRNA sintetase, glutamil-tRNA reduktase, dan glutamat-1-semialdehid 2,1-aminomutase. Laluan ini dikenali sebagai laluan C5 atau Beale.

Dua molekul dALA kemudiannya digabungkan oleh porfobilinogen synthase untuk memberikan porfobilinogen (PBG) yang mengandungi cincin pirol. Empat PBG kemudiannya digabungkan melalui deaminasi menjadi hidroksimetil bilana (HMB) yang dihidrolisiskan untuk membentuk gelang tetrapirol, uroporfirinogen III. Molekul ini mengalami beberapa pengubahsuaian selanjutnya. Perantaraan digunakan dalam spesies yang berbeza untuk membentuk bahan tertentu, tetapi pada manusia, protoporfirin IX selaku produk akhir utama digabungkan dengan ion besi untuk membentuk hem. Pigmen hempedu ialah produk pecahan hem.

Skim berikut meringkaskan biosintesis porfirin, dengan rujukan mengikut nombor EC dan pangkalan data OMIM. Porfiria yang dikaitkan dengan kekurangan setiap enzim juga ditunjukkan:

Sintesis makmal

Sintesis biasa untuk porfirin ialah tindak balas Rothemund yang dilaporkan pertama kali pada 1936,^[12][13] dan merupakan asas untuk kaedah lebih terkini oleh Adler dan Longo.^[14] Huraian umum ialah proses pemeluwapan dan pengoksidaan bermula dengan pirol dan aldehid.

Kegunaanberpotensi

Terapi fotodinamik

Porfirin telah dinilai dalam konteks terapi fotodinamik (PDT) kerana ia menyerap cahaya dengan kuat lalu ditukar kepada haba di kawasan yang diterangi.^[15] Teknik ini telah digunakan dalam pereputan makular menggunakan verteporfin.^[16]

PDT dianggap sebagai rawatan kanser tak invasif yang melibatkan interaksi antara cahaya dengan frekuensi yang ditentukan, pemeka cahaya dan oksigen. Interaksi ini menghasilkan pembentukan spesies oksigen yang sangat reaktif (ROS), biasanya oksigen singlet serta anion superoksida, radikal hidroksil bebas atau hidrogen peroksida.^[17] Spesies oksigen reaktif tinggi ini bertindak balas dengan biomolekul organik sel yang mudah terdedah seperti lipid, asid amino aromatik dan bes heterosiklik asid nukleik untuk menghasilkan radikal oksidatif yang merosakkan sel, dan mungkin mendorong apoptosis atau nekrosis.^[18]

Elektronik dan penderia molekul

Sebatian berasaskan porfirin adalah menarik sebagai komponen berpotensi dalam elektronik molekul dan fotonik.^[19] Pewarna porfirin sintetik telah digabungkan dalam prototaip sel suria peka pewarna.^[20][21]

Aplikasi biologi

Porfirin telah disiasat sebagai agen antiradang berpotensi^[22] dan dinilai daripada aspek aktiviti antikanser dan antioksidannya.^[23] Beberapa konjugat porfirin-peptida didapati mempunyai aktiviti antivirus terhadap HIV secara in vitro.^[24]

Toksikologi

Biosintesis hem digunakan sebagai biopenanda dalam kajian toksikologi alam sekitar. Ketika pengeluaran porfirin berlebihan menunjukkan pendedahan organoklorin, plumbum pula merencatkan enzim ALA dehidratase.^[25]

• 
  Struktur Lewis meso-tetrafenilporfirin
• 
  Bacaan UV-tampak meso-tetrafenilporfirin
• 
  Porfirin diaktifkan cahaya, oksigen monoatomik dalam penuaan sel

Spesies berkaitan

Semula jadi

Beberapa sebatian heterosiklik berkaitan dengan porfirin ditemui dalam alam semula jadi, dan hampir selalu terikat dengan ion logam.

Sintetik

Benzoporfirin ialah porfirin dengan cincin benzena yang bercantum kepada salah satu unit pirol. Satu contoh ialah verteporfin, satu terbitan benzoporfirin.^[26]

Isomer porfirin sintetik pertama telah dilaporkan oleh Emanual Vogel dan rakan sekerjanya pada 1986.^[27] Isomer [18]porfirin-(2.0.2.0) ini dinamakan sebagai porfisena, dan rongga N₄ tengah membentuk bentuk segi empat tepat seperti yang ditunjukkan dalam rajah.^[28] Porfisena menunjukkan tingkah laku fotofizik yang menarik dan mendapati sebatian serba boleh terhadap terapi fotodinamik.^[29] Ini memberi inspirasi kepada Vogel dan Sessler untuk menyahut cabaran menyediakan [18]porfirin-(2.1.0.1) dan menamakannya sebagai korfisena atau porfiserin.^[30] Porfirin ketiga iaitu [18]porfirin-(2.1.1.0), telah dilaporkan oleh Callot dan Vogel-Sessler. Vogel dan rakan sekerja melaporkan kejayaan pengasingan [18]porphyrin-(3.0.1.0) atau isoporfisena.^[31] Saintis Jepun Furuta^[32] dan saintis Poland Latos-Grażyński^[33] hampir serentak melaporkan porfirin terkeliru N. Penyongsangan salah satu subunit pirolik dalam cincin makrosiklik menghasilkan salah satu atom nitrogen yang menghadap ke luar dari teras kitaran makro.

Rujukan

Pautan luar

• Jurnal Porfirin dan Phthalocyanines
• Buku Panduan Sains Porphyrin
• Porphynet – tapak bermaklumat tentang porfirin dan struktur berkaitan