卟啉的生物合成途径与化学合成方法的比较

　第27卷第6期2012年12月 大学化学

UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.27No.6

Dec.2012　

卟啉的生物合成途径与化学合成方法的比较*

苏优拉1　张逸2　李嘉宾3**　陆军农3

(1中国药科大学2010届基地班本科生;2中国药科大学2010届制药工程专业本科生;3中国药科大学

无机化学教研室药学基础化学实验中心　江苏南京211198)

摘要　对卟啉的生物合成途径和化学合成方法进行简要介绍,并尝试通过比较分析,寻找它们之间的联系,以期对卟啉化学合成方法的改进提供一些有益的信息㊂

关键词　卟啉　化学合成　生物合成

在自然界的生命体中,有一些化合物发挥着非常重要的作用,比如:叶绿素,其介导的光合作用将光能转化为化学能储存于植物体中,是地球上有机体生存和发展的源泉;细胞色素C,能促进氢与氧的结合,加强体内的氧化供能反应,是细胞呼吸过程中电子传递体的主要组成部分;血红素,作为血红蛋白和肌红蛋白的核心结构域,负责氧气和二氧化碳的转运,在生物体的新陈代谢中起着举足轻重的作用㊂令人惊奇的是,这些化合物虽然在生物体中所处部位不同㊁所起作用迥异,但是,它们都含有一个共同的核心结构 卟啉㊂

卟啉是在卟吩环上拥有取代基的一类大环化合物的总称㊂卟吩是由4个吡咯环和4个次甲基桥联起来的大π共轭体系,其结构如图1所示㊂天然卟啉类化合物一般是卟吩的吡咯环上的氢被不同基团取代所形成的,例如图1中的血红素㊁叶绿素和细胞色素C㊂卟啉的化学合成方法虽然早在1935年就被首次报道,近年来也进行了一系列的改进,但仍存在产率低㊁产物分离困难㊁能合成的卟啉种类有限等缺点㊂本文介绍卟啉的生物合成途径以及近年来的一系列文献报道的化学合成方法,并尝试通过比较分析,找寻它们之间存在的联系㊂

图1摇重要的卟啉类化合物

1　卟啉的生物合成途径

卟啉的生物合成几乎存在于所有真核细胞中,可分为6步(图2),即:①δ⁃氨基⁃γ⁃酮戊酸(ALA)的

* **基金资助:2009年国家大学生创新训练计划项目通讯联系人,E⁃mail:jbli@

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形成;②吡咯单元(PBG)的形成;③尿卟啉原Ⅲ(含HMB中间体)的形成;④尿卟啉原Ⅲ的氧化;⑤粪卟啉原Ⅲ的氧化;⑥原卟啉原Ⅸ的氧化㊂其中,第②步缩合㊁第③步环合和第⑥步氧化涉及卟啉环骨架的构建,而第④步和第⑤步只是对卟啉环上侧链的修饰㊂

图2　卟啉类化合物的生物合成途径[1⁃2]

1.1　ALA的形成

ALA的形成是卟啉生物合成中的第一步,也是限速步骤[2]㊂在生物体中,ALA可由两条途径形成(图3)㊂Shemin途径[4]由David Shemin于1945年首次发现并逐步完善,主要存在于不进行光合作用的真核生物中,如动物和真菌[5]㊂ALA合成酶末端含一个赖氨酸(Lys)残基,当没有底物时,辅基磷酸吡哆醛(pyridoxal⁃5′⁃phosphate,PLP)与其形成Schiff碱,存在底物甘氨酸(Gly)时,Gly与PLP形成Schiff 碱再和琥珀酰CoA缩合形成ALA的同时释放CO2[3]㊂Beale等于20世纪70年代中期发现了以谷氨酸(Glu)为起始原料的C5途径[6]㊂它存在于植物㊁大多数细菌和所有古细菌中㊂C5途径主要依赖3种酶,连接酶通过形成谷氨酰基⁃1⁃t RNA激活1位羧基,还原酶将羧基还原为醛基,再经转氨酶的作用形成ALA[3]㊂在少数几种生物中也发现两条途径都存在[5]㊂

图3　ALA形成的两种途径[3]

1.2　PBG 的形成 两分子ALA 之间不对称缩合产生第一个吡咯衍生物 PBG(porphobilinogen)[5](图4)㊂反应机制与Knorr 吡咯缩合反应相似,首先,2个ALA 分子与酶活性部位的保守Lys 残基形成Schiff 碱,P 位ALA 分子的C 4和A 位ALA 分子的C 3进行Aldol 缩合形成C C 键,接着P 位ALA 分子的氨基进攻羰基碳原子形成C N 键[7]㊂

图4　两分子ALA 缩合形成PBG

1.3　HMB 的形成及其转化为尿卟啉原Ⅲ 4分子PBG 缩合形成尿卟啉原Ⅲ(uroporphyrinogen Ⅲ)是卟啉环生成的一个关键步骤,很多人对其具体过程提出了不同的猜想[8⁃10]㊂1980年Battersby A.R.等通过同位素标记证明了HMB(1⁃hydroxym⁃ethylbilane,羟甲基胆色烷)是尿卟啉原Ⅲ合成过程中的中间体;1987年他们又发现了新型辅基 二吡咯甲烷(dipyrromethane,DPM)[11],为阐明具体步骤奠定了基础㊂尿卟啉原Ⅲ

的形成由两种酶共同完图5　尿卟啉原的形成(HMB 中间体)[3,10,13]

成(图5)㊂首先,脱氨酶将4个PBG 组装形成开链HMB;在此过程中,先合成出二吡咯甲烷辅助因子,与脱氨酶末端的半胱氨酸巯基以硫醚键相结合,DPM 再和4分子底物相连接;当DPM 上连有4个吡咯单体时,a 环和DPM 之间的键断裂形成HMB㊂第二步,HMB 被转运到尿卟啉原Ⅲ合成酶上,在环合的同时,d 环重排生成尿卟啉原Ⅲ[12]㊂在无尿卟啉原Ⅲ合成酶时,HMB 在酸催化下迅速形成有毒性的不被代谢的尿卟啉原Ⅰ㊂值得注意的是,编码两种酶的基因位于同一操纵子内,两个基因协同表达[5],但

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尿卟啉原Ⅲ合成酶的表达量远远超过脱氨酶,以保证在生理条件下总是生成尿卟啉原Ⅲ[8]㊂

1.4　尿卟啉原Ⅲ 粪卟啉原Ⅲ 原卟啉原Ⅸ 尿卟啉原脱羧酶(uroporphyrinogen Ⅲdecarboxylase,UROD)和粪卟啉原氧化酶(coproporphyrinogen Ⅲoxidase,CPOs)催化卟啉环侧链的修饰(图6)㊂在生理底物浓度下,4个环的脱羧作用是按d →a →b →c 的顺序发生;当底物浓度超过生理浓度时,脱羧作用以随机方式发生[5]㊂脱羧后生成的粪卟啉原Ⅲ(coproporphyrinogen Ⅲ)在哺乳动物中,经过位于线粒体外膜的依赖O 2的CPOs 催化,最终把电子传递给O 2㊂此过程不需要金属和辅助因子辅助[2],CPOs 的催化机理至今仍不清楚[5],详细过程见文献

[14]㊂

图6　卟啉环侧链的修饰[2]

1.5　原卟啉原Ⅸ的氧化[15]

原卟啉原氧化酶(protoporphyrinogen Ⅸoxidase,PPOs)位于线粒体内膜的外表面,以O 2作为最终的电子受体,以FAD 为辅助因子,催化原卟啉原Ⅸ(protoporphyrinogen Ⅸ)的氧化,最终形成完全共轭的大环体系(图7)㊂生成的原卟啉Ⅸ(protoporphyrin Ⅸ)被直接转运到亚铁螯合酶上,以避免其对细胞的损害(原卟啉Ⅸ对光高度敏感,在O 2存在下,经光照射会产生自由基)㊂

图7　原卟啉原Ⅸ的氧化

2　卟啉的化学合成方法总结 目前,卟啉的化学合成方法主要有两种:①4个吡咯单体直接缩合环化生成卟啉(简称四吡咯合成法);②模块法㊂合成方法和路线的选择取决于目标卟啉分子的结构特点,中位对称取代的卟啉主要用四吡咯合成法,而不对称卟啉㊁天然卟啉及其类似物主要采用模块法合成㊂

2.1　四吡咯合成法2.1.1　Rothemund 法 卟啉类化合物最早由Rothemund 合成[16]㊂Rothemund 法以醛类化合物(甲醛㊁乙醛㊁苯甲醛等)和吡咯为原料,以吡啶和甲醇为溶剂在封管中反应,90~95℃下反应24~48h(图8)㊂该法反应时间长,所需反应条件苛刻,而且后处理非常麻烦,产率很低;在此条件下,能用来作反应物的取代苯甲醛极少[17]㊂

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