포르피린

모두가 만들어 가는 위키 시보드위키
최근 수정 :

포르피린

[ Porphyrin ]

포르피린은 4개의 피롤(pyrrole) 즉, 테트라피롤 중 4개의 탄소원자로 결합하여 환상구조를 하는 유기물질로 어원은 보라색을 의미하는 그리스어인 "porphyra"에서 유래하였다1). 포르피린은 시토크롬(cytochrom), 헴(heme), 엽록소(chlorophyll), 조효소(coenzyme) B12 등과 같이 에너지 전달 및 생합성 과정에 필수적인 보조인자를 포함한다. 대표적인 포르피린에는 4개의 피롤핵이 결합한 기본적 환상구조인 포르핀(porphin)과 헴의 전구 물질이며 자연계에서 가장 많이 분포하는 프로토포르피린 IX(protoporphyrin IX)이 있다. 

목차

  1. 1.구조
  2. 2.생합성
  3. 3.응용분야
  4. 4.관련용어
  5. 5.집필
  6. 6.감수
  7. 7.참고문헌

구조

  • 포르피린의 전구체인 테트라피롤은 질소원자를 포함하는 5원자 피롤 고리 4개로 구성되어 있으며, 분자 구조는 단일 결합과 이중 결합이 번갈아 있는 공액결합(conjugated double bond)으로 결합되어 있고, 질소원자의 전자쌍이 금속이온과 결합할 수 있도록 안쪽을 향하고 있다(그림 1).
  • 테트라피롤은 4개의 피롤 고리의 축합반응에 의해 합성되며, 5원자 피롤 고리가 지닌 3개의 치환기 중 –CH2NH2가 축합반응에서 가교 역할을 한다.
  • 포르피린은 테트라피롤 중 4개의 탄소원자가 결합하여 환상구조를 하고 있다.

그림 1. 포르피린 유도체의 구조 (그림: 서창완/서울대)

생합성

  • 자연계에서 포르피린은 원유, 유혈암(oil shale), 석탄 및 퇴적암에서 발견된다2). 생합성 과정에는 많은 수의 효소가 관여한다.
  • 피롤 고리는 글루탐산 경로와 글리신-숙신산 경로 중 하나의 경로에 의해 합성되며, 각 경로는 생물체에 따라 다르다. 글루탐산 경로는 대부분의 세균과 식물에 존재하며, 일반적인 단백질 합성에서와 같이 tRNA에 부착된 글루탐산기로부터 시작한다. 글리신-숙신산 경로는 자색세균(purple bacteria)와 효모 및 동물에 존재한다.
  • 두 경로에서 축합반응과 재배열과정을 통해 5-아미노레불린산(5-aminolevulinic acid, ALA)를 생성하고, 두 분자의 ALA가 포르포빌리노겐(porphobilinogen, PBG) 고리를 형성한다.
  • 4분자의 PBG는 deaminase의 작용으로 탈아민반응을 거쳐 축합되어 히드록시메틸 비란(hydroxymethyl bilane, HMB)을 형성하고, HMB가 가수분해되어 첫 번째 고리형 테트라피롤인 uroporphyrinogen III를 생성한다(그림 2). 

그림 2. 테트라피롤의 생합성 (그림: 이한주/서울대)

  • Uroporphyrinogen III은 생물학적으로 활성을 가진 테트라피롤(예; 프로토포르피린 IX)를 만드는 기본 골격으로 사용된다. 여러 가지 tetrapyrrole에는 각각을 구분할 수 있는 구조적 차이가 있다. 엽록소와 조효소 B12는 모두 pyrrole의 D 고리에 각각 다른 긴 작용기가 붙어 있어 기능이 서로 다르다. 헴과 엽록소의 고리 구조에는 Uroporphyrinogen III 보다 더 많은 불포화 결합이 존재하여 에너지 전환을 용이하게 한다.
  • Tetrapyrrole의 생합성은 생물체의 영양 요구도와 밀접하게 관련이 있다. 자색 광종속영양(photoheterotroph) 세균인 Rhodospirillium rubrum은 산소가 있을 때는 광합성 보다 산소 호흡을 선호하여 세균 엽록소(bacteriochlorophyll)와 다른 photopigment의 합성을 저해하므로 결국 tetrapyrrole의 합성이 억제된다.

응용분야

  • 포르피린은 특정한 파장의 빛을 강하게 흡수하여 조사된 부위에 에너지와 열을 전달할 수 있기 때문에 광역동 치료(photodynamic therapy)로 사용될 수 있다3).
  • 광역동 치료는 암세포 등 질병세포가 있는 부위에 빛에 반응하는 광감작제(photosensitizer)를 바른 뒤 특정 파장의 빛을 쏘이면 질병세포에만 선택적으로 매우 강한 활성산소가 축적되어 치료적 효과를 갖는다. 활성산소는 질병세포의 지질, 단백질 및 핵산을 분해하여 질병세포의 세포자살 및 괴사를 유발한다. 현재까지 보고된 바에 의하면 광역동 치료는 화농성 여드름에 대한 치료 효과가 좋은 것으로 알려져 있다.
  • 생물체는 과량의 유기 염소에 노출되었을 때 포르피린을 다량 합성하며, 납은 포르피린 합성을 억제하므로 포르피린의 함량을 측정함으로써 환경의 오염 정도를 추정할 수 있다4).
  • 망가니즈나 철, 구리 등 금속과 복합체를 이루고 있는 포르피린은 유기물 합성의 촉매로써 사용될 가능성이 연구되고 있다5)6).

관련용어

활성산소(reactive oxygen species), 세균 엽록소(bacteriochlorophyll), 광합성(photosynthesis), 헴(Heme), 자색세균(purple bacteria), 효모(Yeast)

집필

신광수/대전대학교

감수

하남출/서울대학교

참고문헌

1. Scott LJ, Goa KL. 2000. Verteporfin. Drugs Aging 16, 139–146. 
2. Zhang B, Lash TD. 2003. Total synthesis of the porphyrin mineral abelsonite and related petroporphyrins with five-membered exocyclic rings. Tetrahedron Lett. 44, 7253. 
3. Singh S, Aggarwal A, Dinesh KB, et al. 2015. Glycosylated porphyrins, phthalocyanines, and other porphyrinoids for diagnostics and therapeutics. Chem. Rev. 115, 10261-10306. 
4. Michael GW, Alexander BR, Carl CW. 2010. Porphyrins and phthalocyanines in solar photovoltaic cells. J. Porphyr. Phthalocyanines 14, 759–792. 
5. Aswani Y, Lee HW, Tsao HN, et al. 2011. Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)–based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency. Science 334, 629–634. 
6. Pham TA, Song F, Alberti MN, et al. 2015. Heat-induced formation of one-dimensional coordination polymers on Au(111): An STM study. Chem. Commun. 51, 14473. 

동의어

porphyrin, 포르피린, Porphyrin