Porphyrine

Grundbau und Funktion

Porphyrine sind organisch-chemische Farbstoffe. Ihr Grundgerüst besteht aus vier Pyrrol-Ringen, also aus einem Tetrapyrrol, die durch vier Methingruppen zu einem Ring verbunden sind. Der einfachste Vertreter dieser Stoffgruppe ist Porphin. Porphyrine und porphyrinverwandte Verbindungen sind in Lebewesen wichtig, weil sie als Bausteine von Molekülen vorkommen, die Licht aufnehmen, Sauerstoff transportieren oder Elektronen übertragen.

Ein wichtiges Beispiel ist Häm. Häm ist eine Komplexverbindung aus Protoporphyrin IX und einem Eisen-Ion als Zentralatom; dieses Eisen-Ion ersetzt die beiden Wasserstoff-Atome im Porphyringerüst. Häm kommt unter anderem in Hämoglobin und verschiedenen Cytochromen vor. Ein eisenfreies Häm ist zum Beispiel Hämatoporphyrin. Auch Chlorophyll gehört zu den porphyrinverwandten Verbindungen.

Biologische Bedeutung

Porphyrine spielen im menschlichen Stoffwechsel eine zentrale Rolle. Ihr Aufbau wurde erstmals von dem Chemiker Hans Fischer ausführlich beschrieben. Besonders wichtig ist die Häm-Gruppe im roten Blutfarbstoff: Sie ermöglicht den Transport von Blutsauerstoff. Porphyrine kommen außerdem in vielen Enzymen vor, zum Beispiel in der Katalase, die an der Entgiftung von Wasserstoffperoxid beteiligt ist, und in Enzymen der Atmungskette im Mitochondrium.

Auch das bakteriell hergestellte Vitamin B12 enthält einen porphyrinähnlichen Anteil, das Corrin. Offenkettige Abbauprodukte des roten Blutfarbstoffs sind für die Färbung von Urin, Stuhl und Galle verantwortlich. Krankheiten mit Bezug zu Porphyrinen können entstehen, wenn Aufbau oder Abbau gestört sind. Bei Hepatitis kann der gestörte Abbau des Häms zur Gelbfärbung der Haut führen, dem Ikterus. Bei vererbten Häm-Aufbaustörungen, den Porphyrien, sammeln sich Vorläuferstoffe an; mögliche Folgen sind starke Lichtunverträglichkeit, Bauchschmerzen und Nervenschäden. Nur selten führen Porphyrinmängel zu Störungen der Hämoglobinbildung.

Einige Porphyrine können Laboruntersuchungen beeinflussen: Sie können die Bestimmung von Drogen im Blut, etwa mit FPIA (Fluorescence Polarization Immunoassay), undurchführbar machen oder verfälschen.

Beispiele in Proteinen

Porphyrin-Gerüste oder verwandte Strukturen kommen in verschiedenen Proteinen und Proteinkomplexen vor. Im Hämoglobin gehört die zentrale Struktur zur Stoffgruppe der Häme; das zentrale Metall ist Fe2+, und die Funktion ist der Sauerstofftransport. Im Photosystem kommen Chlorophylle mit Mg2+ als zentralem Metall vor; sie dienen der Lichtabsorption.

Cytochrom c enthält ebenfalls Häme. Dort kann das zentrale Eisen zwischen Fe2+ und Fe3+ wechseln, was für den Elektronentransport wichtig ist. Cytochrom P450 enthält Häme mit Fe2+ und wirkt als Oxygenase, also als Enzym, das Sauerstoff in chemische Reaktionen einbringt.

Biosynthese

Im menschlichen Körper beginnt die Biosynthese aller Porphyrine mit Succinyl-CoA und der Aminosäure Glycin. Die Synthese findet teilweise im Zytosol und teilweise im mitochondriellen Intermembranraum statt. Deshalb müssen Reaktionssubstrate und Reaktionsprodukte mehrfach die Mitochondrienmembran passieren. Die dafür verantwortlichen Transportproteine sind laut Artikel noch völlig unbekannt.

Ein erster wichtiger Schritt wird durch die δ-Aminolävulinat-Synthase katalysiert. Dieses Enzym verbindet Glycin und Succinyl-CoA zu α-Amino-β-ketoadipat, das spontan zu δ-Aminolävulinat decarboxyliert. Pflanzen, Algen, Bakterien mit Ausnahme der Alphaproteobacterien sowie Archaebakterien können δ-Aminolävulinat auch aus Glutaminsäure herstellen. Dieser Weg heißt C5-Weg oder Beale-Weg. Dabei wird eine an tRNA gebundene Aminosäure durch Glutamyl-tRNA-Reduktase unter NADPH-Verbrauch zu Glutamat-1-semialdehyd reduziert. Anschließend wandelt die Glutamat-1-semialdehyd-aminotransferase dieses Zwischenprodukt in δ-Aminolävulinat um. Es wurde nicht nachgewiesen, dass Bakterien sowohl den C5-Weg als auch den Syntheseweg über die δ-Aminolävulinat-Synthase besitzen.

Aus vier Molekülen δ-Aminolävulinat entsteht durch die Porphobilinogen-Deaminase unter Abspaltung von vier Ammoniak-Molekülen Hydroxymethylbilan. Danach folgen mehrere Umwandlungen: über Uroporphyrinogen III durch die Uroporphyrinogen-III-Synthase, weiter zu Coproporphyrinogen III durch die Uroporphyrinogen-Decarboxylase, dann zu Protoporphyrinogen IX durch die Coproporphyrinogen-Oxidase und schließlich zu Protoporphyrin IX durch die Protoporphyrinogen-Oxidase.

Abbau und Ausscheidung

Beim Abbau von Häm öffnet die Hämooxygenase den Porphyrinring. Dabei wird rotes Häm unter Abspaltung von Eisen und Kohlenmonoxid in grünes Biliverdin umgewandelt. Die Biliverdin-Reduktase reduziert Biliverdin anschließend zu orange-rotem Bilirubin.

Bilirubin wird über die Galle in den Darm abgegeben. Von dem sezernierten Bilirubin werden 75 bis 80 Prozent mit dem Kot ausgeschieden; der Rest gelangt in den enterohepatischen Kreislauf, also in einen Kreislauf zwischen Darm und Leber. Weitere Abbauprodukte des Bilirubins tragen zur Farbe der Ausscheidungen bei. Das farblose Sterkobilinogen wird durch Darmbakterien zu den braunen Dipyrrolen Mesobilifuchsin und Bilifuchsin umgesetzt. Zusammen mit dem orange-gelben Sterkobilin trägt es zur normalen Stuhlfarbe bei. Ein Teil der Bilirubinabbauprodukte wird wieder resorbiert und trägt als Urobilinogen und Urobilin zur gelben Farbe des Urins bei.