9.7. Порфирины

Этот класс соединений имеет достаточно оснований, чтобы рассматриваться рядом (но не вместе) с алкалоидами: они также являются производными азотистых гетероциклов (пиррола), их биосинтез также начинается с a-L-аминокислот. Но в отличие от алкалоидов, этот класс соединений не обладает свойствами оснований в силу того, что они являются производными пиррола, который, как известно, скорее кислота (N-H кислота), чем основание. Во-вторых, порфирины и родственные им тетрапиррольные соединения не так уж разнообразны по указанной выше причине: только один гетероцикл — пиррол участвует в формировании этих веществ. В третьих, по биологической значимости эти соединения, конечно же, превосходят алкалоиды: гемоглобин, хлорофилл, билирубин не нуждаются в рекламе.

При конденсации молекул пиррола через метиновый мостик могут образовываться как линейные, так и циклические тетрапиррольные соединения. Кроме того, линейные соединения такого качественного состава могут содержать и меньшее количество пиррольных фрагментов. Поэтому, в какой

Таблица 9.7.1.

то мере, здесь уместна речь вообще о природных производных пиррола как самостоятельной ветви природных азотистых гетероциклов.

Монопиррольные соединения широко распространены в природных источниках, но обычно содержатся в следовых количествах. Они найдены в микроорганизмах, растениях и высших организмах, многие из них обладают свойствами антибиотиков, некоторые являются феромонами. Например, 2-ацетилпиррол найден в листьях табака и чая, в бобах кофе и какао и т.д. (табл. 9.7.1).

Самым важным природным монопирролом считается порфобилиноген — биосинтетический предшественник класса порфиринов и родственных им соединений. Впервые выделен в 1952 году из мочи больного острой порфирией.

Схема 9.7.1

Значимой является группа соединений под общим названием продигиозинов — соединений оранжево-красной окраски с пиррол-дипиррилметеновым скелетом, обладающих антибактериальной и противогрибковой активностью. Большинство найденных в природе продигиозинов различаются между собой лишь одним радикалом в пиррольном ядре С. Имеются и некоторые

другие вариации с положением и количеством заместителей (схема 9.7.1).

Тетрапирролы с открытой цепью всегда образуются в организме человека, но при этом остаются баластными веществами, тогда как в жизнедеятельности некоторых низших животных, водорослей и растений играют важную роль. Характерным свойством этих соединений является их окраска. По этому признаку (и, соответственно, по структуре) их можно разделить на две группы: соединения с полностью сопряженной системой биливердина и соединения с частично сопряженной системой билирубина (схема 9.7.2).

Схема 9.7.2

Так как биливердин имеет большую, чем билирубин -систему сопряжения, он и окрашен глубже — это сине-зеленый пигмент водорослей, где он участвует в процессе фотосинтеза. В организме здорового человека биливердин не содержится, но при некоторых заболеваниях печени и почек он регулярно сопутствует билирубину. Билирубин имеет вдвое меньшую -сопряженную систему, в связи с чем имеет желто-оранжевую окраску, соответствующую более коротковолновому электронному переходу. Он образуется в организме человека при расщеплении гема гемоглобина и является пигментом желчи — содержится в желчных камнях. При некоторых заболеваниях количество билирубина возрастает и он, накапливаясь, вызывает пожелтение кожи и белков глаз (желтуха).

Венцом тетрапиррольной природной химии является система порфина. Ядро молекулярной структуры этого класса соединений построено из четырех пиррольных циклов связанных между собой метиновыми мостиками, образуя таким образом единую макро-циклическую систему. Порфиновый цикл с различными заместителями (метил-, винил-, карбоксил-) и некоторыми вариациями в строении самого макроцикла (частичное гидрирование пиррольных фрагментов) под общим названием порфирины, комплексуясь с ионами некоторых металлов, лежит в основе таких важных физиологически активных соединений, как гемоглобины и хлорофиллы.

Структура порфиринов характеризуется двумя основными особенностями. Во-первых, это макро-ароматическая система, т.е. это плоская циклическая сопряженная -система с количеством -электронов, соответствующем правилу Хюккеля — 26 -электронов при Квантово-химическими и фотоэлектронными исследованиями показано, что электроны верхних занятых уровней (два вырожденных) располагаются по “внутреннему" циклу порфириновой системы (схема 9.7.3). Кстати, если учитывать делокализацию электронов только по этому “внутреннему" циклу, то

Схема 9.7.3

обнаруживается его независимая ароматичность по Хюккелю (этот цикл имеет 18 -электронов), что особенно важно для частично гидрированных порфириновых систем некоторых хлорофиллов. Развитая -система и наличие в ней гетероатомов делает молекулы порфиринов склонными к различным по энергии электронным переходам они поглощают ультрафиолетовый и видимый свет, другими словами — это окрашенные вещества. Свободные порфирины обычно имеют ярко-красный цвет, их электронный спектр поглощения содержит наибольшее по интенсивности поглощение на границе видимого и ультрафиолетового излучения нм) — так называемая полоса Сорета и серию более слабых полос в видимой области спектра нм) — сателлитные полосы.

Вторая структурная особенность порфиринов обусловлена характером расположения атомов азота гетероциклоических фрагментов: четыре атома азота расположены в одной плоскости (внутри макроцикла), образуя как бы полость, внутри которой могут осуществляться химические реакции. А реакции, которые могут проходить в этой полости, определяются валентным состоянием атомов азота, два из которых образуют N-H-кислотные фрагменты, а два других имеют пиридиновую конфигурацию, т.е. центры оснований. В связи с этим, кислые пиррольные атомы водорода могут замещаться на атомы металлов, что особенно выгодно в случае металлов-комплексообразователей, образующих в дополнение к ионным связям донорно-акцепторные за счет взаимодествия своих вакантных орбиталей с неподеленными электронными парами пиридиновых азотов. Такие комплексы под названием металлопорфиринов входят в состав гемоглобина,

Схема 9.7.4

миоглобина и цитохромов (железо-пор-фирины), а также образуют хлорофиллы (магний-порфирины), как это показано на схеме 9.7.4.

Гемоглобин и миоглобин — комплексы железопорфиринов с белками, выполняющие функцию фиксации и транспорта молекулярного кислорода в организмах животных. Цитохромы, имеющие аналогичную принципиальную структуру, выполняющие роль переносчика электрона в схемах фотосинтеза, дыхания, окислительного фосфорилирования и др. окислительновосстановительных реакциях, найдены у всех животных, растений и микроорганизмов. Хлорофиллы — главные участники процессов фотосинтеза — содержатся в высших растениях, водорослях и фотосинтезирующих бактериях.

Если гемоглобин и миоглобин — это единоличные представители, участвующие в процессе -поглощения, то цитохромы и хлорофиллы представлены несколькими десятками соединений каждой группы. Цитохромы варьируются в незначительной степени от строения порфиринового цикла и в большей степени — от полипептидного окружения (от их количества, строения и способа связывания с гемом — ковалентное или нековалентное). Хлорофиллы различаются между собой степенью гидрирования порфиринового цикла и набором заместителей при нем.

Важной химической особенностью металло-порфириновых комплексов является их способность к дополнительному комплексообразованию, т.е. к повышению координационного числа атома металла: в основном, это относится к железо-порфиринам. Богатая электронно-орбитальными вакансиями валентная оболочка атома железа позволяет ему, в дополнение к четырем связям с атомами азота плоско-квадратной конфигурации, образовать еще две в направлении оси, перпендикулярной к плоскости порфири-новой системы, образуя таким образом бипирамидальный комплекс. Этими дополнительными лигандами обычно бывают фрагменты полипептидных цепочек (чаще — имидазольный цикл гистидина, иногда — сульфидная сера метионина) с одной стороны и малые молекулы нуклеофильного характера СО, и др.) с другой стороны плоско-квадратного фрагмента.

Очень близки к порфиринам по структуре гетероцикла природные соединения коррины (корриноиды). В отличие от порфирина, корриновый цикл имеет на одно метиновое звено меньше, что довольно существенно отражается на его -электронной структуре: в молекуле отсутствует циклическая делокализация — следовательно, она уже не ароматична. Но корриновый цикл сохраняет способность атомов азота образовывать хелатные комплексы металлов (с -элементами), очень сходные с металло-порфиринами, которые также способны переходить из плоско-квадратных

Схема 9.7.5

Схема 9.7.6

в бипирамидальные. Ярким примером последних является витамин в молекуле которого катион внедрен внутрь корринового цикла, а по вершинам бипирамиды он координирован на атом азота бензимидазольного фрагмента и нуклеофильную подвижную группу (схема 9.7.6), которая достаточно подвижна и легко обменивается на другие, ей подобные.