Porfirinas: pigmentos celulares essenciais

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Porfirinas[footnoteRef:1] [1: Nota: o texto exposto busca facilitar o acompanhamento, a discussão e a compreensão dos assuntos estudados em sala de aula evitando, dessa forma, demoradas anotações em cadernos. Em momento algum dispensa a leitura das bibliografias sugeridas e consultadas. 
] 
A coloração própria da hemoglobina e da clorofila é atribuída ao núcleo tetrapirrólico, pertencente ao grupo das porfirinas. Mas, longe de serem exclusivos destes pigmentos, os principais da matéria viva, as porfirinas encontram-se largamente distribuídas pelos reinos animal e vegetal, onde são formadas a partir de substâncias relativamente simples. Os anéis macrocíclicos das clorofilas a e b derivam do mesmo núcleo básico, a porfina, e afiguram ter uma síntese idêntica à das porfirinas animais. Assim, o transporte e armazenagem de oxigênio, a fotossíntese, a oxidação intracelular, o transporte de elétrons e outras funções relacionadas, dependem destes pigmentos celulares.
BIOSSÍNTESE DO ÁCIDO δ-AMINOLEVULÍNICO
As primeiras indicações de que a protoporfirina era constituída a partir de pequenas moléculas, surgiram após os trabalhos de Shemin e col., em 1946. Estes Autores evidenciaram que a glicina fornecia não só os quatro átomos de azoto além dos oito carbonos que constituem as pontes metênicas e as posições beta, sob as cadeias laterais vinílicas e propiônicas (Fig. 2.1).
Ao todo são utilizadas oito moléculas de glicina na síntese de uma de PP[footnoteRef:2]. As experiências efetuadas, com vários intermediários do ciclo do ácido tricarboxílico, mostraram que os restantes carbonos da molécula de protoporfirina eram fornecidos por moléculas de qualquer um destes compostos de quatro carbonos, de preferência o succinato, quer diretamente quer a partir da sua evolução natural do ciclo do Ácido Cítrico. A condensação da glicina com o succinato (succinil-CoA), para formar o ácido δ-aminolevulínico (ALA), tem sido evidenciada em variadíssimos sistemas celulares, contendo mitocôndrias, onde se encontra a enzima específica de reação, a sintetase do ALA. A participação da CoA (como succinil-CoA) e do fosfato de piridoxal[footnoteRef:3] no início daquela condensação explica as anemias hipocrômicas motivadas pela carência nutritiva em pantotenato e piridoxina. [2: As Uroporfirinas (UP) possui 4 cadeias laterais acéticas (-CH2-COOH) e 4 propiônicas (-CH2CH2COOH). As Coproporfirinas (CP) apresentam 4 cadeias metil e 4 propiônicas. A Protoporfirina (PP) apresenta 4 cadeias laterais metil, 2 vinil (-CH=CH2) e 2 propiônicas. 
As PP e deuteroporfirina encontram-se habitualmente nas fezes de carnívoros, sobretudo após a ingestão de sangue ou hemorragias intestinais, devido à ação fermentadora das bactérias intestinais; de igual modo, a filoeritrina surge nas matérias fecais dos herbívoros, após a degradação da clorofila.] [3: Piridoxal fosfato contém vitamina do complexo B (B6 ou PIRIDOXINA). A piridoxina pode ser fosforilada para produzir piridoxal fosfato (PYF), sua forma ativa. Este atua, ainda, como cofator de um grande número de enzimas que transferem grupos amino no metabolismo de aminoácidos (transferases) e também como cofator da enzima que catalisa a hidrólise do glicogênio. O PYF liga-se covalentemente a um resíduo de lisina de enzimas das quais é cofator.] 
A enzima que catalisa a condensação das duas unidades de ácido δ-aminolevulínico (ALA) a porfobilinogênio, a desidrase do ALA, existe disseminada na natureza, em animais, plantas e bactérias. Nos animais é particularmente ativa no fígado, rins e medula óssea.
A formação do heme, a partir da protoporfirina e do ferro bivalente, é catalisada, in vivo, por uma enzima, a sintetase ou quelatase do heme (demonstrada em múltiplos tecidos e organismos), situada nas mitocôndrias.
As porfirinas e o grupo heme são iniciados com a glicina (aminoácido) e a succinil-CoA (intermediária do ciclo do ácido cítrico). A primeira etapa dessa rota metabólica é uma reação de condensação, seguida de perda de CO2, que leva a formação de –aminolevulinato. 
 (
-A
mino-
levulinato
)
 (
+
)
Rota da biossíntese de -amino-levulinato (CAMPBELL, p. 648)
 (
 
COO¯
 |
H
3
N
+
 - C - H
 |
 CH
2
 |
 CH
2
 
|
 COO
¯
Glutamato
)
Nos cloroplastos, glutamato (aminoácido) origina δ-aminolevulinato (ALA) após três reações químicas (VIDAL, 1997).
A seguir, duas moléculas de –aminolevulinato são condensadas para produzir o porfobilinogênio, uma molécula que contém um anel pirrol. Quatro moléculas de porfobilinogênio combinam-se para formar um tetrapirrol linear. Três pontes metileno formaram-se nesse processo, com a liberação de três íons amônio. Finalmente o tetrapirrol linear é ciclizado para formar um tetrapirrol cíclico, o uroporfirinogênio III. Mais um íon amônio é liberado nessa etapa. Os passos subseqüentes consistem de modificações das cadeias laterais do anel porfirínico para produzir a forma que ocorre na hemoglobina. No uroporfirinogênio III, as cadeias laterais são grupos acetato e propionato. A conversão do uroporfirinogênio III à protoporfirina IX[footnoteRef:4] requer a descarboxilação das cadeias laterais de acetato formando grupos metila, além da modificação de duas das quatro cadeias laterais de propionato em grupos vinilas. A adição de Fe2+ produz o heme. [4: Herbicidas Inibidores da Protox (inibidores da formação do tetrapirrol)
Exemplos: acifluorfen, fomesafen, lactofen, oxyfluorfen, flumiclorac, flumioxazin, oxadiazon, sulfentrazone, azafenidin.
A Protox está presente na rota de síntese da clorofila e de citocromos, também chamada de rota de síntese de porfirinas ou de tetrapirroles (Merotto & Vidal, 2001). O mecanismo de ação dos herbicidas inibidores da Protox está baseado na inibição da reação de transformação do protoporfirinogênio IX em protoporfirina IX. Esta reação é catalisada pela protoporfirinogênio oxidase (PROTOX). Com a inibição desta enzima, presente no cloroplasto, existe um acúmulo de protoporfirinogênienzima, a sintetase a porfobilinogda leucina sao o IX que se desloca do cloroplasto para o citoplasma e em contato com o oxigênio, na presença de luz, forma radicais livres de oxigênio (O2) e provoca a peroxidação de lipídeos das membranas e posterior morte das plantas (Vidal, 1997, p. 64).
Obs.: PROTOX (EC 1.3.3.4)
] 
 (
desidrase
)
 (
2 
H
2
O
)
 (
 
3 NH
4
+
)
 (
Condensação de quatro unidades
)
 (
- 
Hs
) 
 (
PROTOX
)
 (
 
Quelatase
 
 
 Heme da 
protoporfirina
 IX
 
 Fe
2+
 
)
 
 
 
A biossíntese das porfirinas a partir do -amino-levulinato (Campbell, p. 648)
A ferroprotoporfirina IX constitui o grupo prostético[footnoteRef:5] de várias enzimas importantes (catalase, peroxidase e citocromo b) e das cromoproteínas animais (hemoglobina, mioglobina). [5: Os cofatores são substâncias orgânicas ou inorgânicas necessárias ao funcionamento das enzimas. Podem ser: Cofator orgânico: recebe o nome de coenzima. As coenzimas são substâncias orgânicas, não protéicas, necessárias ao funcionamento de certas enzimas. Exemplos de coenzimas: NAD+/NADH, FAD/FADH2 e Coenzima A. Muitas vitaminas solúveis em água são precursoras de coenzimas. A niacina (ácido nicotínico) é precursora da NAD+. A riboflavina é precursora da FAD e o ácido pantotênico da coenzima A. Cofator metálico: são íons metálicos. Os mais importantes são:metais de transição: Fe2+, Zn2+ e Cu2+.metais alcalinos e alcalino-terrosos: Na+, K+, Mg2+ e Ca2+. Em algumas enzimas, o cofator está ligado permanentemente à enzima, chamado, neste caso, de grupo prostético. Por exemplo, o átomo de zinco da anidrase carbônica humana.] 
A clorocruorina, citocromo-c e a citocromo-oxidase contêm hemes diferentes dos precedentes, nas respectivas estruturas. Os anéis macrocíclicos das clorofilas a e b derivam do mesmo núcleo básico, a porfina, e afiguram ter uma síntese idêntica à das porfirinas animais. Assim, o transporte e armazenamento de oxigênio, a fotossíntese, a oxidação intracelular, o transporte de elétrons e outras funções relacionadas, dependem destes pigmentos celulares.
ESTRUTURA
Podemos considerar a porfina (Fig. 1) como o núcleo-mãe de todas as porfirinas; estas não são mais que tetrapirróis cíclicos conjugados com metais. Compõem-se de 4 anéis heterocíclicos (A,B,C,D) ligados entre si por grupos de meteno ( CH=), arbitrariamente denominados α, β, γ, δ.
A disposição alternada das ligações simples e duplas atribui ao todo a estabilidade própria das estruturas de ressonância. Apesar desta molécula (com diâmetro aproximado a 8,5 Å e espessura de 4,7 Å) se dispor no mesmo nível, tem a flexibilidade suficiente para que os pirróis, que a compõem, sofram desvios relativos entre si. Fleischer demonstrou que, relativamente ao plano formado pelas 4 pontes metênicas, 2 anéis pirrólicos inclinam-se para cima, enquanto que os restantes o estão para baixo; ao passo que os átomos de azoto ficam fora do plano, com desvios não significativos, os carbonos β estão 0,25 Å acima ou abaixo do dito plano. O átomo de metal, nalguns derivados das metaloporfirinas, sai do plano do anel da porfina. Na Natureza existem três grandes classes de compostos tetrapirrólicos: hemes, clorofilas e cobalaminas. 
COMBINAÇÃO COM METAIS
As porfirinas têm a propriedade de se combinarem prontamente com metais, formando quelatos ou complexos muito estáveis, as metaloporfirinas. É sob esta forma que os pigmentos pirrólicos exercem as suas funções mais importantes nos organismos vivos. Praticamente todos os metais têm possibilidade de se combinarem, in vitro, com os átomos de azoto centrais das porfirinas, num espaço com cerca de 3,7 Å de diâmetro. Os íons metálicos divalentes substituem os 2 átomos de H dissociáveis do núcleo porfirínico, através de ligações iônicas e coordenadas, dentro do mesmo plano, com os 4 átomos de nitrogênio. Nesta coordenação perdem-se 2 prótons (H+) dos nitrogênios pirrólicos, o que origina duas cargas negativas que irão distribuir-se por todo o restante anel interior.
As metaloporfirinas biologicamente importantes utilizam o ferro (hemoproteínas), magnésio (clorofilas) e cobalto (Vit. B12). Os complexos de ferro são conhecidos, coletivamente, por hemes. A mudança do estado de Valência do ferro (Fe), de ferroso (Fe2+) para o férrico (Fe3+) e vice-versa, estabelece um sistema de transporte de elétrons que põe em contato as desidrogenases intracelulares com o oxigênio exterior. A coordenação do heme com proteínas, como sucede nas mio- e hemoglobinas (funcionam como portadores ou depósitos de oxigênio) dispensa esta mudança de valência.
Formação da clorofila
A protoporfirina IX é também um precursor das clorofilas. Após a incorporação de magnésio (Mg2+), a enzima Mg-protoporfirina-metilesterase catalisa a adição do grupo metila para formar Mg-protoporfirina IX monometilester. Essa molécula é então convertida em clorofila em várias reações induzidas pela luz. 
CHEW, Aline Gomez Maqueo; BRYANT, Donald A. Chlorophyll Biosynthesis in Bacteria: The Origins of Structural and Functional Diversity. Annual Review of Microbiology. Vol. 61: 113-129. October 2007. Crédito da figura acima.
Nas clorofilas:
- os átomos de nitrogênio dos quatro núcleos pirrólicos estão ligados a um íon magnésio (Mg2+), que ocupa a mesma posição central que o íon Fe2+ no heme;
- um dos anéis (IV) é reduzido e aparece um anel adicional (V), não pirrólico;
- a longa cadeia hidrofóbica do álcool fitol (C20) está esterificada à carboxila do substituinte do anel IV. 
Bibliografia
CHEW, Aline Gomez Maqueo; BRYANT, Donald A. Chlorophyll Biosynthesis in Bacteria: The Origins of Structural and Functional Diversity. Annual Review of Microbiology. Vol. 61: 113-129. October 2007 
Disponível em: 
<http://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev.micro.61.080706.093242>. Acesso em: 08 fev. 2011.