logo

logo

logo

logo

logo

البورفيرينات

بورفيرينات

Porphyrin -

البورفيرينات

رويدة أبو سمرة

 

بنية جزيء البورفيرين

أنواع البورفيرينات

خواص البورفيرينات

آلية تشكل البورفيريا

البورفيرينات المعدنية

 

البورفيرينات Porphyrins مجموعة من المركّبات العضوية يتشكل العديد منها في الطبيعة. وهي مركّبات حلقية غير متجانسة heterocyclic رباعية البيرول pyrrole مكونة من ارتباط أربع حلقات بيرولية عند الكربون ألفا بجسور ميتينية methine bridges . وقد اشتق اسم البورفيرين من كلمة يونانية تعني بنفسجيّاً purple، لذا فإن أصل كلمة البورفيرين هو البورفين porphin، والبورفينات المستبدَلَة هي البورفيرينات (الشكل 1).

من أهم خواص البورفيرينات قابلية ارتباطها بالمعادن التي ترتبط مع ذرة الآزوت في حلقة البيرول، فيتشكل ما يسمى البورفيرين المعدني metalloporphyrin. والمثال عن هذه المركّبات جزيء الهيم (الدمة) heme، الذي يتشكل من جزيء بورفيرين مع الحديد (II)، وكذلك اليخضور chlorophyll؛ وهو صباغ التركيب الضوئي في النباتات، وهو من البورفيرينات التي تحتوي على المغنزيوم؛ إضافة إلى السيتوكروم.

ويبين الجدول (1) أمثلة على أهم البروتينات الهيمية عند الإنسان والحيوان:

الجدول (1) أهم البروتينات الهيمية

الوظيفة

البروتين الهيمي

نقل الأكسجين في الدم.

هيموغلوبين

Hemoglobin

تخزين الأكسجين في العضلات.

الميوغلوبين

Myoglobin

المساهمة في سلسلة نقل الإلكترون.

C السيتوكروم

Cytochrome C

إضافة زمرة الهدروكسيل (هدركسلة) للمركّبات الغريبة عن العضوية.

سيتوكروم P450 Cytochrome P450

تقويض بيروكسيد الهدروجين.

الكاتالازات

Catalases

أكسدة التريبتوفان.

بيرولازات التريبتوفان

بنية جزيء البورفيرين

يتشكل البورفيرين من ارتباط 4 حلقات بيرول بوساطة جسور ميتينية وحلقة بيرول غير متجانسة، فهي تحوي ذرة آزوت في أحد رؤوسها.

تُرَقَّم حلقات البيرول بالأرقام الرومانية I وII وIII
وIV، وتُرَقَّم الجسور الميتينية بالأحرف اليونانية و و و ، ورُقِّمَت رؤوس حلقات البيرول بـ التي هي مواقع الاستبدال بالأرقام 3،2،1 و 7،6،5،4، 8 (الشكل 1).

ولتسهيل الدراسة وضع العالم الألماني هانز فيشر Hans Fischer النموذج المبين في (الشكل 2) لتمثيل البورفيرين، حيث تكون بنية الحلقات البيرولية ثابتة، وما يتغير هو المبادلات؛ إذ إن من أهم صفات البورفيرينات استطاعتها استبدال مبادلات ميتينية-حمضية- بروبيونية - فنيلية بسهولة بذرات الهدروجين في الرؤوس من 1 إلى 8.

الشكل (2) صيغة فيشر.

وبعد الاستبدال يطلق على النواة اسم البورفيرين، وهذه النواة تحتوي سلاسل جانبية عوضاً عن الهدروجين بحسب نوع البورفيرين. ولهذه النواة خاصة تشكيلها معقدات complexes بارتباط الإيونات المعدنية بذرات الآزوت في الحلقات البيرولية. وللتبسيط تستعمل الصيغة التي وصفها فيشر لتمثيل البورفيرينات، وهي الصيغة المبسطة، تكتب فيها الأسماء المختصرة للسلاسل الجانبية، وتحـذف فـيها الجسور والحلقات جميعها.

أنواع البورفيرينات

1- البورفيرينات الهيجاء etioporphyrins: وهي ذات لون أصفر فاتح. فيها نوعـان من السلاسل الجـانبية: متيلوإتيل؛ إذ هـناك أربـعة جـذور متيليـة وأربـعــــة جذور إتـيلـيـة إن وجود هذه المجموعات المختلفة في المواضع يعطي نظرياً إمكاناً لأربعة مماكِبات، أمكن تركيب كل منها في المخبر، وأهمها المماكب I و III (الشكل 3). ولها عدة تطبيقات في الطب والإلكترونيات والكيمياء.

2- البورفيرين البَوْلي uroporphyrin: يعطي نوعاً من التألق الأصفر، وهذا ما يمنح البول لونه الأصفر، وفيه أربع سلاسل جانبية حمضية وأربع بروبيونية، لذا يكون شديد الحموضة. ولهذا البورفيرين- نظرياً- أربعة مماكبات؛ ولكن في الطبيعة تقوم جمل إنزيمية بتشكيل اليوروبورفيرين I وIII فقط.

يوضح الشكل (3) الفارق بين النمطين I وIII، حيث إنهما مماكبان تغير موقع الأسيتات والبروبيونات في الموقعين 7 و8 لأحدهما عن المماكب الآخر. ويتمتع البورفيرين البَوْلي بميله الواضح إلى تشكيل معقدات، سواء مع الكلسيوم (في العظام)، أم مع الزنك (في البول)، أم مع النحاس (في بعض أعضاء المصابين بالبورفيريا). كما اعتُقِد لزمن طويل أن البورفيرين البَوْلي هو صباغ مَرَضي عند الإنسان فقط، أما الآن فقد حُدِّدَ وجوده -وعلى نحو قاطع لكن بكميات قليلة- في بول الطيور.

الشكل (3) المماكبان I وIII للبورفيرينات الهيجاء.

أ- المماكب I: هو صباغ نادر نسبياً، يظهر عند الإنسان في بعض أنواع أمراض البورفيرينات (البورفيريا) في السوائل والأعضاء جميعها؛ ولاسيّما المصابين منهم بمرض البورفيرينات الوراثية gunther.

ب- المماكب IV: اكتشفه العالم السويدي يان غوستا والدنستروم Jan Gosta Waldenstrom في بول المصابين بنوع من البورفيريا الحاد. ولكن هناك شك في أن يكون هذا النوع خليطاً من I وIII؛ لكن فيه سيادة للنوع III (الشكل 4).

الشكل (4) المماكبان I و III للبورفيرينات البَوْلية.

3-البورفيرين البِرازي coproporphyrin: وهو المسؤول عن لون البراز المميز، وتوجد فيه أربع سلاسل متيلية وأربع بروبيونية وله مماكبان مهمّان من الأربعة المعروفة، وهما I
وIII. يوجد في الحالة الطبيعية في البول والبراز ومفرزات الصفراء والنخاع الشوكي والمخ (الشكل5).

الشكل (5) المماكب I وIII للبورفيرين البرازي.

4-البورفيرين الأولي protoporphyrin: هو الأكثر تعقيداً؛ إذ يحتوي على ثلاثة أنواع من السلاسل الجانبية: متيلية (M)، وبروبيونية (P)، وفنيلية (V) (vinyl أو الخمري). وتُعدّ الزمرة V المسؤولة عن لون الدم الأحمر. إن وجود ثلاثة أنواع من السلاسل الجانبية يعطي إمكان وجود 15 مماكباً؛ لكن الطبيعة لم تأخذ إلا المماكب التاسع الذي يشبه المماكب III من البورفيرين الهيجائي؛ مما يدل على نوعية الإنزيم المشرف على العملية الحيوية لتشكيل هذا المركّب وخاصته. إن هذه النوعية هي فقط التي تعطي الحياة للمماكب التاسع في الأوساط الحيوية (الشكل6).

الشكل (6) المماكب III (IX) للبورفيرين الأولي (طليعة الهيم).

إن هذا المركّب هو أحد الأصبغة البورفيرية الأكثر أهمية، ويوجد عند الإنسان في الحالة الحرة في مفرزات الصفراء والبراز والكريات الحمر والكبد والطحال والنخاع العظمي، لكنه لا يُطْرَح عن طريق الكلية، لذا لا يوجد في البول.

إن تحديد كميات هذا البورفيرين في الكريات الحمر والكبد والبراز من أهم الطرائق لتشخيص كثير من الأمراض. كما تأتي أهميته من كونه طليعة الهيم (الدِّمَّة)، وذلك عندما تتوسط نواته ذرة من الحديد ثنائي التكافؤ (II).

5- إضافة إلى الأنواع المذكورة يوجد في مفرزات الصفراء والبراز -وبكميات قليلة جداً- نوعان آخران من البورفيرينات تحوي ثلاثة أنواع من السلاسل، هي: الدوتيروبورفيرين deuteroporphyrin IX والميزوبورفيرين mesoporphyrin IX ينتميان إلى المماكب IX من البورفيرين الأولي: حيث لم تُستبدَل في الأول ذرتا الهدروجين في الرؤوس 2-4 من البورفيرين الأولي، وفي الثاني استُبْدِل بالهدروجينين في الرؤوس 2-4 من البورفيرين الأولي زمرتان من الإِتيل ethyl. وهناك نوع هو الهيماتوبورفيرين hematoporphyrin IX استبدل فيه هدروكسي إِتيل (HE) بـ E من الميزوبورفرين (الشكل 7).

الشكل (7) أنواع البورفيرينات الأخرى.

خواص البورفيرينات

1- جميعها ملونة، وتتمتع بامتصاص مميز للطيف الضوئي سواء في مجال الأشعة المرئية أم الأشعة فوق البنفسجية. ومثال ذلك المنحني البياني لِطَيْف الامتصاص لمحلول هيماتو بورفيرين في 5% من حمض كلور الماء (الشكل 8)، حيث لوحظ على نحو خاص شريط امتصاص بالقرب من الطول الموجي 400 نانومتر، وهذه هي الميزة المهمّة لحلقة البورفيرين. وقد سُمِّيَ هذا الشريط بعد اكتشافه «شريط سوريه Soret band»؛ نسبة إلى مكتشفه. ولا يوجد أي تأثير للسلاسل الجانبية الموجودة في الحلقات في الامتصاص.

الشكل (8) طيف الامتصاص للهيماتوبورفيرين (البورفيرين الدموي)
(لمحلول تركيزه 0.01 % في حمض كلور الماء 5 %).

2- هي أسس ضعيفة بسبب ذرتي الآزوت ثلاثي التكافؤ في نواتي البيرولين.

3- هي حامضية أيضاً باستثناء الهيجاء؛ نظراً لوجود زمر الكربوكسيل الموجودة في السلاسل الجانبية. لذا فإنها ذات صفات مذبذبة ضعيفة (حمض على المحيط: السلاسل الجانبية، وأساس في المركز: ذرات الآزوت).

4- قليلة الانحلال بالماء؛ لكنها تنحل بالأغوال والإتر.

5- يسهل ترسيبها من محاليلها المائية في نقاط تساوٍ كهربائي isoelectric point بين PI:3- 4.5 وهو الباهاء pH الذي يكون فيه الجزيء معتدلاً كهربائياً من الناحية الإحصائية.

6- تضيء بتأثير الأشعة فوق البنفسجية UV عندما تنحل في محلات عضوية أو حموض معدنية قوية، وتصدر تألقاً (وَمَضاناً) fluorescence أحمر قوياً. ويمكن استخدام هذه الخاصة في الكشف عن كميات قليلة من البورفيرينات الحرة. وتُعدّ الروابط المضاعفة التي تربط الحلقات البيرولية بعضها ببعض في البورفيرينات هي المسؤولة عن الإشعاع والامتصاص.

7- يؤدي زوال الروابط المضاعفة في الجسور الميثانية -أي إرجاع رابطة أو عدة روابط- إلى تشكيل مركّب جديد يدعى مولد البورفيرين porphyrinogen، وهو بلا لون وعديم التألق، ولإعادة التألق تلزم أكسدة المركّب وإعادة الرابطة المضاعفة.

8- التطبيق المهمّ والمفيد للخواص الضوئية الحركية للبورفيرينات هو احتمال استخدامها في معالجة بعض أنماط السرطان بطريقة يطلق عليها المداواة الضوئية للسرطان cancer phototherapy.

البيلات البورفيرينية أو ضروب البورفيريا Porphyrias

لا تمثل البورفيرينات الحرة في النسج أكثر من 1% من مجمل البورفيرينات في الإنسان الصحيح غير المريض. والموجود منها في الحالات الطبيعية- في البول والبراز بكميات قليلة- ليس إلا نواتج جانبية للتركيب الحيوي للبورفيرين الأولي التاسع.

إن البيلات البورفيرية (البورفيريا) هي اضطرابات نادرة لاستقلاب البورفيرين، نجمت عن تراكم طلائع البورفيرينات أو إفراز متزايد لها أو كليهما معاً. كما يُعَبِّر هذا المصطلح عن خلل في مسلك التشكل (التخليق) الحيوي للهيم، يعود سببه إلى عوز أو فشل إنزيمي، ويمكن أن يكون ذا أصل وراثي أو مكتسب. فالوراثي منها ينتقل من الآباء إلى الأبناء، وهو صفة متنحية تحدث غالباً في الذكور. وتتميز هذه البيلات بوجود البورفيرينات في البول، وهذا ما يعوق تشكل (تخليق) الهيم؛ ما يؤدي إلى نقص تركيب الهيموغلوبين، وبالتالي يحصل نقص الأكسجة.

قد تكون هذه البيلات باكرة في السنوات الأولى من العمر، فيعيش المصاب من 6 إلى 7 سنوات كحد أقصى. وهناك البيلات الشبابية (المُكتَسبَة) التي تظهر في سن العشرين أو الخامسة والعشرين، تصبح البيلة سوداء لدى تماسها مع الهواء، كما ترافق هذه الحالة فاقة دموية، يُقضَى فيها على المريض. ويؤدي التعرض للشمس إلى آفات جلدية (تصبغات والتهابات)، وتصبح الأسنان متألقة والبول أحمر يَسْوَدّ بعد تعرضه للشمس. تنجم هذه الاضطرابات عن خلل في المسالك الاستقلابية بسبب عوز بعض الإنزيمات؛ مؤدية إلى نقص في المركّبات بعد الخلل الإنزيمي أو تراكم للمركّبات قبله.

آلية تشكل البورفيريا

تبدأ هذه الآلية بـطفرة في الدنا DNA تؤدي إلى خلل في إنزيم معيّن في مسلك تشكل (تخليق) الهيم. وتكون نتيجة هذا الخلل إما تراكماً لحمض ألفا أمينول فولينيك -Alpha Aminolevulinic Acid (ALA) وبورفوبيلينوجين (PBG) porphobilinogen، وهما مركّبان وسطيان في تشكيل الهيم؛ وإمّا نقص الهيم في خلايا الجسم وسوائله. وبالتالي تظهر أعراض نفسية عصبية، أو يؤدي ذلك إلى تراكم مُوَلِّدات البورفيرينات في الجلد والنسج؛ الأمر الذي يؤدي إلى أعراض تحسسية للضوء (المخطط 1).

المخطط (1) آلية تشكل البورفيريا.

البورفيرينات المعدنية

تتصف البورفيرينات بقابليتها للاتحاد مع المعادن وخاصة الحديد والمغنزيوم، وبدرجة أقل مع الزنك والنيكل والكوبلت والنحاس والفضة. وهي ليست أملاحاً، فهي تذوب بالمذيبات العضوية، كما تتشكل مع البورفيرينات الهيجاء؛ على الرغم من عدم احتوائها على زمر كربوكسيلية. يتبادل المعدن مع ذرتي هدروجين قابلتين للتبادل في الحلقة البيرولية، كما يرتبط في الوقت نفسه بذرّات الآزوت الثلاثية في الحلقات البيرولينية بوساطة روابط تساهمية (مشتركة) covalent bonds. هناك إذاً رابطتان تساهميتان قويتان ورابطتان تساهميتان ضعيفتان، ويبقى في الحديد مداران فارغان قابلان لتشكيل رابطتين تساهميتين؛ لأن العدد التساندي للحديدcoordination number (II) هو 6.

ومن أهم المركّبات الناتجة من ارتباط البورفيرينات بالحديد يُذكَر:

1- الدمة heme (الهيم) أو البورفيرين الحديدي ferroporphyrin.

تتطلب المرحلة الأخيرة من اصطناع الهيم انضمام إيون الحديد إلى البورفيرين الأولي في تفاعل يتواسطه إنزيم مخلب الحديدي ferrochelatase (الشكل 9).

الشكل (9) إضافة الحديد إلى البورفيرين الأولي لتشكيل الهيم.

يتصل الحديد بأربطة تساهمية مع الذرات الأربع الآزوتية والتي تنتمي إلى النوى البيرولية الأربع الموجودة في البورفيرين والتي تكون في مستوى واحد. وبما أن العدد التساندي للحديد الثنائي هو 6؛ لذلك يدخل في بنية المركّب جزيئان من الماء (الشكل 10).

الشكل (10) بنية البورفيرين الحديدي تظهر الأربطة التساهمية والتساندية.

2- الدموين hematin: تؤدي أكسدة إيون الحديدي إلى حديد في الهيم إلى تشكيل حديد البورفيرين أو الدموين. ويتمتع هذا المركّب الجديد بشحنة موجبة؛ فهو بالتالي قادر على تشكيل الأملاح (الشكل 11).

الشكل (11) الدموين.

3- الدمين hemin أو protohematin: يستحضر الدموين الأولي بشكل كلوريد الدموين أو ما يعرف بالدمين، ويستحصل على الدمين المتبلور (بلورات تايشمان Teichman) بتسخين محلول خضاب الدم مع حمض الخل المضاف إليه قليل من كلوريد الصوديوم، وهي طريقة ذات فائدة جنائية في كشف الدم (الشكل 12).

الشكل (12) الدمين.

4- الصوابغ الدموية (مولدات أصبغة الدم) hemochromogens: تنجم عن استبدال بجزيئَي الماء في الهيم اثنين من الأسس الآزوتية NR (الشكل 13). وتؤدي أكسدة إيون الحديدي فيها إلى تشكيل نظير الدموين parahematin.

الشكل (13) الصوابغ الدموية (مولدات أصبغة الدم).

مراجع للاستزادة:

- الكيمياء الحيوية المتكاملة، ترجمة سحر الفاهوم وغادة الخرس، مراجعة محيي الدين جمعة، سلسلة الكتاب الطبي الجامعي، المركز العربي للتعريب والترجمة والتأليف والنشر دمشق 2000.

- R. M. Ion, Porphyrins and Phthalocyanine: Photosensitizers and Photo catalysts, open access 2017.

- A. Kaibara, G. Matsumara, Handbook of Porphyrins: Chemistry, Properties and Applications, Nova Biomedica 2012.

- D. Kim, Multiporphyrin Arrays: Fundamentals and Applications, Pan Stanford 2012.

- https://www.intechopen.com/books/phthalocyanines-and-some-current-applications/porphyrins-and-phthalocyanines-photosensitizers-and-photocatalysts.


التصنيف : الكيمياء والفيزياء
النوع : الكيمياء والفيزياء
المجلد: المجلد الخامس
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1139
الكل : 36013025
اليوم : 204984