Porfirine: struttura, sintesi

Le porfirine sono  composti con caratteristiche uniche e peculiari che tuttavia mostrano una versatilità e una capacità di giocare un ruolo chiave in molti fenomeni chimici.
Quanto più si impara a conoscere la chimica, tanto più spesso si rimane stupiti dai principi della natura.

La natura ci impressiona per la sua complessità e precisione e spiega il modo in cui si applica ordinatamente uno stesso concetto di base alle diverse situazioni. Le porfirine sono  un tipo di composti solubili in acqua contenenti azoto che sono tra i pigmenti biologici tra cui:

• • emoproteiene come la clorofilla presente nei grana dei cloroplasti delle cellule vegetali
  • emoglobina presente nei globuli rossi del sangue dei vertebrati
  • citocromi presenti nelle cellule degli organismi aerobi
  • catalasi presente in tutti gli esseri viventi a eccezione dei microrganismi anaerobi.

Le porfirine svolgono un ruolo importante nei sistemi biologici. Sono coinvolti nella conversione della luce in energia chimica ovvero la fotosintesi, nei processi di trasferimento di elettroni con il metabolismo o nel trasporto di ossigeno tramite la respirazione.

La particolare struttura chimica delle porfirine con sistema circolare di elettroni π dà origine a insolite proprietà  delle singole molecole nonché a fenomeni di associazione molecolare che provocano efficienti delocalizzazioni energetiche.

Perciò, questa affascinante classe di coloranti ha attirato molta attenzione e sono stati fatti molti tentativi per organizzare le porfirine in monostrati alle interfacce al fine di indagare sistemi modello per strutture biologiche e costruire componenti di dispositivi per potenziali applicazioni. L’organizzazione delle molecole in monostrati all’interfaccia aria-acqua offre la possibilità di controllo esterno mediante variazione di parametri rilevanti come l’area per molecola

Struttura

Le porfirine hanno una struttura chimica complessa e sono costituite da quattro anelli di pirrolo legati tra loro tramite ponti metinici –CH=.

La molecola è stabilizzata dal carattere aromatico che si estende sull’intera struttura. Pertanto le porfirine godono di una stabilità elevata e una scarsa reattività. Tuttavia è possibile effettuare trasformazioni delle catene laterali che non intaccano il nucleo porfirinico.

I quattro atomi di azoto presenti al centro della molecola possono legarsi a uno ione metallico abitualmente di carica +2 o +3 come il ferro nell’emoglobina, il cobalto nella vitamina B₁₂ e il magnesio nella clorofilla per formare stabili complessi organometallici.

Tutte le porfirine, dette pigmenti della vita, sono costituite da un sistema con un alto grado di coniugazione e assorbono alcune radiazioni della luce bianca riflettendo le rimanenti che si compongono per dare una determinata colorazione che è rossa nel caso dell’emoglobina e della vitamina B₁₂ e verde nel caso della clorofilla.

Le porfirine sono protagoniste di un ampio spettro di funzioni nei sistemi biologici che vanno dal:

• trasferimento di elettroni
• trasporto di ossigeno
• trasduzione di energia fotosintetica.

Il chimico tedesco Alfred E. Treibs isolò per primo metalloporfirine simili alla clorofilla nel petrolio confermandone l’origine biologica.

La biosintesi delle porfirine avviene per condensazione della glicina con il succinil-CoA in presenza di ALA sintetasi per ottenere l’acido δ-aminolevulinico (dALA) che viene trasportato fuori dai mitocondri e nel citoplasma due molecole di dALA si combinano per dare il porfobilinogeno (PBG) che contiene un anello pirrolico.

Quattro molecole di PBG si combinano tramite deamminazione per dare l’idrossimetilbilano (HMB). Esso  idrolizza con formazione dell’uroporfirinogeno III che dopo  modificazioni dà luogo alla formazione della porfirina IX. Essa  si combina successivamente con il ferro per dare l’eme.

Sintesi delle porfirine

Le porfirine possono essere sintetizzate per condensazione e ossidazione del pirrolo con un’aldeide in presenza di un acido come l’acido formico. I sottoprodotti della reazione vengono allontanati tramite ricristallizzazione o per via cromatografica

Le porfirine trovano utilizzo in ambito medico in alcune patologie per la loro capacità di assorbire la luce che è convertita in calore ed energia, come catalizzatori e come coloranti.

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