Lexikon der Biologie: Porphyrine
Porphyrine [von *porphyr- ], zyklische Tetrapyrrole, die sich von der Stammsubstanz Porphin ableiten, in der die 8 Wasserstoffatome teilweise oder vollständig durch Seitenketten, z.B. die Alkyl-, Hydroxyalkyl-, Vinyl-, Carbonyl- oder Carboxylgruppen, substituiert sind. Die einzelnen Prophyrine werden nach Art und Anzahl der Substituenten durch Präfixe unterschieden. Die Verteilung der Substituenten auf die Pyrrolringe wird durch eine nachgestellte römische Ziffer gekennzeichnet. Protoporphyrin IX ( vgl. Abb. 1 ) ist in der Natur besonders weit verbreitet und kommt als korrespondierende Hämgruppe in Hämoglobin, Myoglobin und den meisten Cytochromen vor. Viele Metall-Kationen werden durch Porphyrine unter Bildung von Metalloporphyrinen komplexiert. Der Chelatkomplex von Protoporphyrin IX mit Fe(II) wird als Protohäm bzw. Häm bezeichnet. Mit Fe(III) heißt der Komplex Hämin bzw. Hämatin. Chlorophylle sind Magnesiumkomplexe verschiedener Porphyrine. Im Cobalamin ist das Kobalt durch eine Corrinringstruktur komplexiert, die strukturell und biosynthetisch mit den Porphyrinen verwandt ist. – Die Biosynthese der Porphyrine verläuft für die biologisch wichtigen Metalloporphyrine vom 5-Aminolävulinat bis zur Stufe von Protoporphyrin IX gleich. Der Biosyntheseweg läuft in 5 Teilschritten ( vgl. Abb. 2 ) ab. Zunächst reagiert Succinyl-CoA (Succinyl-Coenzym A) mit Glycin unter Abspaltung von CO2 und CoA-SH zu δ-Aminolävulinsäure. Dann werden 2 Moleküle δ-Aminolävulinsäure durch die δ-Aminolävulinsäure-Dehydrogenase zum ringförmigen Porphobilinogen verknüpft. Anschließend kondensieren 4 Porphobilinogene zu einem linearen Tetrapyrrol, das in einem weiteren Reaktionsschritt zum Uroporphyrinogen III cyclisiert wird. Dieses wird zu Koproporphyrinogen III decarboxyliert. Weitere Decarboxylierung und Dehydrierung führen zur Bildung der Schlüsselsubstanz der Porphyrinsynthese, des Protoporphyrinogens IX. – Für die Pyrrole, welche die 5gliedrigen Bausteine der Porphyrine darstellen, ist eine ganze Reihe alternativer Biosynthesewege bekannt. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß aus Glycerin und Leucin ein Pyrrolring synthetisiert werden kann ( vgl. Abb. 3 ). Der genaue Ablauf dieser Reaktion ist jedoch noch nicht bekannt. Der Abbau der Porphyrine erfolgt in der Leber ( vgl. Abb. 4 ). Eine Oxygenase bewirkt die Öffnung des Porphyrinringsystems. Durch diese Reaktion entsteht Biliverdin, das durch die Biliverdin-Reductase in Bilirubin umgewandelt wird (Gallenfarbstoffe). Im Blut transportiertes Bilirubin ist an Albumin gekoppelt. Der weitere Abbau des Bilirubins in der Leber erfolgt nach Entkopplung des Bilirubins von Albumin durch Konjugation mit Glucuronsäure. Das so entstehende Diglucuronid gelangt über die Gallenwege in den Darmtrakt, wo es von den Darmbakterien zu Urobilinogen reduziert und weiter zu Urobilin und Stercobilin (Sterkobilin) abgebaut und schließlich mit den Faeces ausgeschieden wird. Etwa 75% des Urobilinogens werden allerdings aus dem Darm rückresorbiert. Porphyrine nehmen in biologischen Systemen eine Vielzahl von Funktionen wahr ( vgl. Tab. ). Man kennt Defekte fast aller Enzyme der Häm-Synthese, die daraus resultierenden Krankheiten werden als Porphyrien (Hämatoporphyrie, Porphyrinurie) bezeichnet. Porphyrien (Hämsynthesestörungen) manifestieren sich durch erhöhte Ausscheidung von Porphyrinen wie Koproporphyrin I und/oder III (Koproporphyrine) sowie Uroporphyrin I und III und anderen Vorstufen im Harn. Der Harn verfärbt sich nach mehreren Stunden dunkel oder rot. Sie sind entweder durch genetische Defekte einzelner Stufen des Porphyrin-Abbauwegs (genetisch bedingte Porphyrie) oder durch Vergiftungen, wie z.B. Hexachlorbenzol- oder chronische Bleivergiftungen (erworbene oder sekundäre Porphyrie), bedingt. Unterformen genetisch bedingter Porphyrie sind: a) Porphyria erythropoietica: autosomal rezessiv vererbte seltene Porphyrie; chemischer Befund: Konzentrationen von Uroporphyrinogen I und anderer symmetrischer Zwischenprodukte der Porphyrinbiosynthese wie Uroporphyrin I und Koproporphyrinogen I im Urin stark erhöht; Symptome: frühzeitiger Abbau der Erythrocyten, hohe Lichtempfindlichkeit der Haut, durch Uroporphyrinogen I rot gefärbter Harn und durch Porphyrinablagerung unter UV-Einwirkung rot fluoreszierende Zähne; Ursache: Funktionsstörung der Uroporphyrinogen-III-Cosynthase. b) Porphyria hepatica: autosomal dominant vererbte Porphyrie; chemischer Befund: Konzentrationen von Porphyrinobilinogen und δ-Aminolävulinsäure im Harn erhöht; durch Hemmung der Porphyrindecarboxylierung hervorgerufen, führt zu Störungen der Leberfunktion, besonders Überempfindlichkeit gegen Medikamente und Alkohol; eine Sonderform ist die akute Porphyrie, die durch anfallsweise kolikartige Bauchschmerzen und intermittierende Lähmungen gekennzeichnet ist. c) Porphyria erythrohepatica: autosomal dominant vererbte Porphyrie; chemischer Befund: Protoporphyrinkonzentration in Erythrocyten und im Stuhl stark erhöht; Symptome: leichte Lichtdermatose; Ursache: Funktionsstörung der Ferrochelatase. d) Porphyria cutanea tarda: häufigste, vererbte oder erworbene Porphyrie; chemischer Befund: Konzentrationen von Uroporphyrin und Koproporphyrin im Urin erhöht; auffallend durch Blasen und Krustenbildung auf lichtexponierten Stellen des Körpers (Gesicht, Handrücken). Mischformen sind beschrieben worden.. – In der Geologie dienen Porphyrine aus Chlorophyll- oder Hämmolekülen als Biomarker. Im Laufe der Diagenese werden die zentralen Magnesium- und Eisenionen entfernt (Demetallierung) und später meist durch Nickel- oder Vanadyl-Ionen (Chelatisierung) ersetzt. Das Vanadium-Porphyrin/Nickel-Porphyrin-Verhältnis, das hauptsächlich durch unterschiedliche Bildungsbedingungen im Sediment bestimmt wird, dient als Biomarker-Verhältnis, z.B. bei der Untersuchung von Erdölen zur Verursacherbestimmung bei Ölschadensfällen (Ölpest). Atmungspigmente, Bakteriochlorophylle, Brugsch (T.), Eisen-Protoporphyrin, Fischer (H.), Koproporphyrine, Uroporphyrinogen I, Uroporphyrinogen-III-Cosynthase, Uroporphyrinogen-III-Synthase.
S.G./S.Kl.
Porphyrine
Abb. 1:
1 Porphin, das Grundgerüst der Porphyrine.
2 Protoporphyrin IX, die gemeinsame Vorstufe der natürlichen Porphyrine. Bei den Metalloporphyrinen sind die beiden H-Atome im Zentrum durch Metallionen ersetzt, wodurch sich eine teils ionische, teils komplexartige Bindung mit allen vier N-Atomen des Zentrums ausbildet.
Chlorophylle (Abb.), Cytochrome (Abb.).
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Porphyrine
Abb. 2: Klassischer Biosyntheseweg (in 5 Schritten)
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Porphyrine
Abb. 3: Alternativer Biosyntheseweg: Synthese eines Pyrrolrings aus Glycerin (unten) und Leucin (oben)
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Porphyrine
Abb. 4: Abbau der Porphyrine
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Porphyrine
Einige biologisch wichtige Porphyrine
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| Carboxyhämoglobin | Hämoglobin mit 4 Molekülen CO | wird im Organismus rasch beim Einatmen von CO gebildet (Affinität für CO über 100fach höher als für 02) → Blockade des O2-Transports | |
| Häm | Eisen-(II)-Komplex des Protoporphyrin IX | prosthetische Gruppe des Hämoglobins | |
| Hämatin (Ferrihäm) | Eisen-(III)-Komplex des Protoporphyrin IX | Bestandteil des Plasmodiumpigments, Oxidationsprodukt des Häm | |
| Hämiglobin (Methämoglobin) | Struktur wie Hämoglobin, aber mit dreiwertigem Eisen | entsteht durch reversible Oxidation aus Hämoglobin; bei einigen pathologischen Zuständen in größerer Menge im Blut vorhanden | |
| Hämoglobin | besteht aus 4 an Globin gebundenen Häm-Molekülen mit zweiwertigem Eisen, Globin besteht aus 2 Paaren identischer Untereinheiten | Sauerstoffträger bei allen Wirbeltieren | |
| Oxyhämoglobin | Hämoglobin mit 4 Äquivalenten Sauerstoff | im Blut aller Wirbeltiere | |
| Sulfhämoglobin (Verdoglobin S) | Struktur unbekannt | entsteht durch irreversible Reaktion des Hämoglobins mit H2S (z.B. nach Aufnahme von Sulfonamiden, aromatischen Aminen) | |
| Myoglobin | Häm-Molekül mit zweiwertigem Eisen, an 1 Polypeptidkette von 153 Aminosäuren gekoppelt | in Muskeln Höherer Wirbeltiere, von Fadenwürmern und Weichtieren, dient der Sauerstoffspeicherung | |
| Cytochromperoxidase | 1 Hämmolekül pro Enzymmolekül | in Hefe | |
| Katalase | 4 Hämatinmoleküle je Enzymmolekül | in atmenden Zellen, u.a. in Leber, Erythrocyten; katalytische Aktivität hemmbar u.a durch Cyanid, H2S, Azide | |
| Peroxidase | Hämatinanaloga als prosthetische Gruppe | in Pflanzen, Myelocyten, Milch | |
| Cytochrome a | Häm a (formyliertes Häm) als prosthetische Gruppe | z.B. Cytochrom aa3: identisch mit Cytochrom-c-Oxidase (pro Molekül eine Häm-a- und eine Häm-a3-Gruppe), Cytochrom a1: vermutlich Endoxidase-Funktion in einigen Bakterien | |
| Cytochrome b | Protohäm oder dessen Derivate als prosthetische Gruppe ohne kovalente Bindung an Trägerprotein | Cytochrom b: in Mitochondrien und Chloroplasten, Cytochrom b1: in einigen Bakterien, Cytochrom b2: Teil der Lactat-Dehydrogenase der Hefe, Cytochrom b3: in Mikrosomen nicht photosynthetisch aktiver pflanzlicher Gewebe, Cytochrom b5: in tierischen Mikrosomen, Cytochrom b7: in Blütenkolben von Aronstab-Arten, Cytochrom o: bakterielle Endoxidase, P-450: Monooxygenase in Pro- und Eukaryoten | |
| Cytochrome c | kovalent mit Trägerprotein verknüpftes Häm als prosthetische Gruppe | Cytochrom c: in Mitochondrien, Substrat bei oxidativer Phosphorylierung, Cytochrom c1: in Mitochondrien, Elektronendonator in Atmungskette, c2: in Bakterien, c3: in Bakterien und Algen, c5: in einigen Bakterien zur Nitratassimilation | |
| Cytochrome d | Eisen-Tetrapyrrol-Komplex als prosthetische Gruppe | in vielen Bakterien |
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