포르피린

3. 포르피린 복합체

포르피린은 금속 이온과 결합하여 다양한 복합체를 형성하며, 이는 착체 화학에서 중요한 연구 대상이다. 포르피린은 두 개의 N-''H'' 양성자가 치환되면서 금속 이온(일반적으로 2+ 또는 3+ 전하)과 결합한다.

포르피린류를 전문적으로 다루는 학술지 ''Porphyrin and Phthalocyanine''이 발행되었으며, 백과사전적인 내용을 담은 ''Porphyrin Handbook''이 간행되었다.

3. 1. 전이 금속 포르피린 착물

3. 2. 대표적인 포르피린 및 유도체

4. 고대 포르피린

지질 포르피린(geoporphyrin)은 석유 포르피린이라고도 하며, 지질학적 기원을 가진다.^[9] 원유, 셰일 오일, 석탄, 퇴적암 등에서 발견될 수 있다.^[9][10] 아벨소나이트는 희귀한 지질 포르피린 광물이다.^[11]

4. 1. 지질 포르피린의 정의 및 발생

4. 2. 아벨소나이트

4. 3. 유기 지구화학

5. 생합성

포르피린 생합성은 크게 두 가지 경로로 나뉜다. 비광합성 진핵생물(동물, 곤충, 곰팡이, 원생동물)과 세균의 α-프로테오박테리아 그룹에서는 글리신과 시트르산 회로에서 유래된 숙시닐-CoA를 사용하여 δ-아미노레불린산(δ-ALA)을 합성하는 셰민 경로를 이용한다. 반면, 식물, 조류, 세균(α-프로테오박테리아 그룹 제외), 그리고 고세균에서는 글루탐산을 이용하여 δ-아미노레불린산을 합성하는 C5 경로를 이용한다.

δ-아미노레불린산 2분자는 포르포빌리노겐 생성효소에 의해 포르포빌리노겐으로 전환되고, 4분자의 포르포빌리노겐은 포르포빌리노겐 탈아미노효소에 의해 히드록시메틸 빌레인으로 중합된다. 히드록시메틸 빌레인은 유로포르피리노겐 III 합성효소에 의해 유로포르피리노겐 III으로 고리화된다. 유로포르피리노겐 III는 이후 여러 단계를 거쳐 프로토포르피린 IX로 전환되며, 여기에 페로킬라타제가 철 이온을 결합시켜 헴을 생성한다.

포르피린 생합성 과정과 관련된 효소, 기질, 생성물, 그리고 관련 질환은 아래 표와 같다.

5. 1. 생합성의 전환 단계

식물, 조류, 세균(α-프로테오박테리아 그룹 제외), 그리고 고세균에서는 글루탐산에서 글루타밀-tRNA와 글루탐산-1-세미알데히드를 통해 생성된다. 이 경로에 관여하는 효소는 글루타밀-tRNA 합성효소, 글루타밀-tRNA 환원효소, 그리고 글루탐산-1-세미알데히드 2,1-아미노뮤테이스이다. 이 경로는 C5 또는 Beale 경로로 알려져 있다.

δ-아미노레불린산 2분자는 포르포빌리노겐 생성효소에 의해 결합되어 포르포빌리노겐(PBG)을 생성하며, 이 분자는 피롤 고리를 포함한다. 4개의 포르포빌리노겐은 탈아미노화를 통해 결합되어 히드록시메틸 빌레인(HMB)을 생성하며, 이는 고리형 테트라피롤인 유로포르피리노겐 III을 형성하기 위해 가수분해된다. 이 분자는 여러 번의 추가적인 변형을 겪는다. 중간체는 다양한 종에서 특정 물질을 형성하는 데 사용되지만, 인간에서는 주요 최종 생성물인 프로토포르피린 IX가 철과 결합하여 헴을 형성한다. 담즙 색소는 헴의 분해 산물이다.

생체 내에서 δ-아미노레불린산 합성(제1단계)부터 프로토포르피린 IX 합성까지는 헴 합성과 클로로필 합성이 공통적인 합성 경로를 따른다.^[1]

D-아미노레불린산 2분자가 아미노레불린산 탈수 효소에 의해 탈수 축합되면, 피롤 고리 구조를 가진 포르포빌리노겐(PBG)이 된다.^[1]

포르포빌리노겐 4분자가 포르포빌리노겐 탈아미노효소(별명: 히드록시메틸빌란 합성효소)에 의해 암모니아를 탈리하여 결합하면 피롤이 4개 직선상으로 연결된 구조를 갖는 히드록시메틸빌란이 생성된다.^[1]

5. 2. C5 또는 Beale 경로

식물, 조류, 세균 (α-프로테오박테리아 그룹 제외), 그리고 고세균에서는 글루탐산에서 글루타밀-tRNA와 글루탐산-1-세미알데히드를 통해 δ-아미노레불린산이 생성된다. 이 경로에 관여하는 효소는 글루타밀-tRNA 합성효소, 글루타밀-tRNA 환원효소, 글루탐산-1-세미알데히드 2,1-아미노뮤테이스이다. 이 경로는 C5 또는 Beale 경로로 알려져 있다.

5. 3. 포르포빌리노겐 생성

두 개의 d-아미노레불린산 (dALA) 분자가 포르포빌리노겐 생성효소에 의해 결합되어 피롤 고리 구조를 가진 포르포빌리노겐 (PBG)을 생성한다.

5. 4. 히드록시메틸 빌레인 생성

포르포빌리노겐 탈아미노효소(히드록시메틸빌란 합성효소)는 4분자의 포르포빌리노겐(PBG)을 암모니아를 탈리하며 결합시켜, 피롤 4개가 직선으로 연결된 구조를 갖는 히드록시메틸 빌레인을 생성한다.

4

+ H₂O $\backslash Rightarrow$ + 4 NH₃

: 포르포빌리노겐 히드록시메틸 빌레인

5. 5. 유로포르피리노겐 III 형성

포르포빌리노겐 4분자는 탈아미노화 반응을 통해 결합하여 히드록시메틸빌란(HMB)을 생성한다. 히드록시메틸빌란은 가수분해되어 고리형 테트라피롤인 유로포르피리노겐 III을 형성한다.^[34] 이 반응은 유로포르피리노겐 III 합성효소에 의해 촉매되며, 히드록시메틸빌란에 있는 4개의 피롤 고리 중 한쪽 끝에 있는 피롤 고리 하나만 반전되어 축합, 고리형성 반응이 일어난다.^[34] 만약 유로포르피리노겐 III 합성효소가 없다면 히드록시메틸빌란은 자발적으로 고리화되어 우로포르피리노겐 I을 생성하는데, 이는 프로토포르피린 합성에 사용될 수 없다.^[34]

⇒--

5. 6. 헴 합성의 최종 단계

인간을 포함한 비광합성 진핵생물과 세균의 α-프로테오박테리아 그룹에서, 프로토포르피린 IX는 여러 단계를 거쳐 생성된 유로포르피리노겐 III로부터 합성된다. 유로포르피리노겐 III는 여러 번의 변형을 거치는데, 인간에서는 주로 프로토포르피린 IX가 만들어진다. 이후 페로킬라타제 효소에 의해 철과 결합하여 헴을 형성한다.

• - → --

프로토포르피리노젠 IX 프로토포르피린 IX

페로킬라타제는 프로토포르피린 IX에 철 이온(Fe²⁺)을 배위시켜 헴을 생성하는 반응을 촉매한다. 이 헴은 헤모글로빈, 미오글로빈, 시토크롬 등 다양한 단백질의 보결 분자단으로 기능하며, 산소 운반, 전자 전달 등 생명 유지에 필수적인 역할을 담당한다.

5. 7. 포르피린 생합성 관련 효소 및 질환

효소	위치	기질	생성물	염색체	EC 번호	OMIM	질환
ALA 합성효소	미토콘드리아	글리신, 숙시닐 CoA	δ-아미노레불린산	3p21.1	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?2.3.1.37 2.3.1.37]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=125290 125290]	X-연관 우성 프로토포르피린증, X-연관 철아구성 빈혈
ALA 탈수소효소	세포질	δ-아미노레불린산	포르포빌리노겐	9q34	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?4.2.1.24 4.2.1.24]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=125270 125270]	아미노레불린산 탈수소효소 결핍 포르피린증
PBG 데아미네이스	세포질	포르포빌리노겐	히드록시메틸 빌레인	11q23.3	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?2.5.1.61 2.5.1.61]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=176000 176000]	급성 간헐성 포르피린증
유로포르피리노겐 III 합성효소	세포질	히드록시메틸 빌레인	유로포르피리노겐 III	10q25.2-q26.3	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?4.2.1.75 4.2.1.75]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=606938 606938]	선천성 적혈구 포르피린증
유로포르피리노겐 III 탈카르복실화효소	세포질	유로포르피리노겐 III	코프로포르피리노겐 III	1p34	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?4.1.1.37 4.1.1.37]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=176100 176100]	지연성 피부 포르피린증, 간적혈구포르피린증
코프로포르피리노겐 III 산화효소	미토콘드리아	코프로포르피리노겐 III	프로토포르피리노겐 IX	3q12	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?1.3.3.3 1.3.3.3]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=121300 121300]	유전성 코프로포르피린증
프로토포르피리노겐 산화효소	미토콘드리아	프로토포르피리노겐 IX	프로토포르피린 IX	1q22	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?1.3.3.4 1.3.3.4]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=600923 600923]	다형성 포르피린증
페로킬라타제	미토콘드리아	프로토포르피린 IX	헴	18q21.3	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?4.99.1.1 4.99.1.1]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=177000 177000]	적혈구 프로토포르피린증

5. 8. 포르피린 생합성의 8단계 반응과 관련 사항

효소	위치	기질	생성물	염색체	EC 번호	OMIM	질환
ALA 합성효소	미토콘드리아	글리신, 숙시닐 CoA	δ-아미노레불린산	3p21.1	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?2.3.1.37 2.3.1.37]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=125290 125290]	X-연관 우성 프로토포르피린증, X-연관 철아구성 빈혈
ALA 탈수효소	세포질	δ-아미노레불린산	포르포빌리노겐	9q34	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?4.2.1.24 4.2.1.24]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=125270 125270]	아미노레불린산 탈수효소 결핍 포르피린증
PBG 탈아미노효소	세포질	포르포빌리노겐	히드록시메틸빌레인	11q23.3	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?2.5.1.61 2.5.1.61]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=176000 176000]	급성 간헐성 포르피린증
유로포르피리노겐 III 생성효소	세포질	히드록시메틸빌레인	유로포르피리노겐 III	10q25.2-q26.3	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?4.2.1.75 4.2.1.75]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=606938 606938]	선천성 적혈구 포르피린증
유로포르피리노겐 III 탈카복실화효소	세포질	유로포르피리노겐 III	코프로포르피리노겐 III	1p34	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?4.1.1.37 4.1.1.37]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=176100 176100]	지연성 피부 포르피린증, 간적혈구포르피린증
코프로포르피리노겐 III 산화효소	미토콘드리아	코프로포르피리노겐 III	프로토포르피리노겐 IX	3q12	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?1.3.3.3 1.3.3.3]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=121300 121300]	유전성 코프로포르피린증
프로토포르피리노겐 산화효소	미토콘드리아	프로토포르피리노겐 IX	프로토포르피린 IX	1q22	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?1.3.3.4 1.3.3.4]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=600923 600923]	다형성 포르피린증
철 킬레이트화효소	미토콘드리아	프로토포르피린 IX	헴	18q21.3	[http://www.expasy.org/cgi-bin/nicezyme.pl?4.99.1.1 4.99.1.1]	[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/dispomim.cgi?id=177000 177000]	적혈구 프로토포르피린증

6. 실험실 합성

6. 1. 로템문트 반응

6. 2. 비대칭 포르피린 화합물 합성

6. 3. 포르피린 어레이 합성

6. 4. 금속 착체 형성

7. 성질

포르피린은 다양한 특징을 가진 화합물군이며, 착체 화학의 중심적인 연구 과제 중 하나이다. 포르피린을 전문적으로 다루는 학술지 ''Porphyrin and Phthalocyanine''이 발행되었으며, 백과사전적인 내용을 담은 ''Porphyrin Handbook''이 간행될 정도로 그 내용이 매우 광범위하다.

7. 1. 광학적 특성

7. 2. 산화 환원 특성

7. 3. 초분자

7. 4. 확장 포르피린

8. 잠재적 응용 분야

포르피린은 다양한 분야에서 활용될 가능성이 있어 활발히 연구되고 있다.
분자 전자 공학 및 센서:포르피린 기반 화합물은 분자 전자 공학 및 광학 분야에서 유망한 소재로 주목받고 있다.^[19] 특히, 합성 포르피린 염료는 시제품 염료 감응 태양 전지에 사용된다.^[20][21] 포르피린은 400–500 nm 부근의 소레 띠와 500–700 nm 부근의 Q 띠에서 강한 흡수 특성을 보인다. 소레 띠의 몰 흡광 계수는 매우 높아, 이론치의 100%에 가까운 양자 수율을 나타내기도 한다. 이러한 흡수 스펙트럼은 중심 금속에 따라 달라지므로 분석 시약으로 활용된다.

클로로필이나 포르피린 아연 착체는 흡수한 빛 에너지를 광전자 이동에 사용한다. 이 현상은 광합성의 빛 포집 과정과 유사하며, 태양 전지 응용 연구가 진행 중이다.

일부 포르피린은 발광성을 띠는데, 백금 포르피린 착체의 발광 특성은 산소분압에 따라 변한다. 이를 이용하여 풍동 실험에서 압력 감지 페인트로 사용하거나 유기 EL의 발광 재료로 활용하는 연구가 이루어지고 있다.
생물학적 응용:포르피린은 항염증제,^[22] 항암 및 항산화 활성 연구가 진행 중이다.^[23] 일부 포르피린-펩타이드 접합체는 시험관 내(in vitro)에서 HIV에 대한 항바이러스 활성을 보이기도 한다.^[24]
독성학:헴 생합성은 환경 독성 연구에서 생체 지표로 활용된다. 포르피린의 과도한 생산은 유기염소 노출을, 납은 ALA 탈수소효소 효소 억제를 나타낸다.^[25]

8. 1. 광역학 치료법 (PDT)

8. 2. 분자 전자 공학 및 센서

8. 3. 생물학적 응용

8. 4. 독성학

9. 관련 물질

포르피린과 관련된 물질은 자연계에 존재하는 것들과 인공적으로 합성된 물질들로 나눌 수 있다.

자연계에서 발견되는 포르피린 관련 물질들은 대부분 금속 이온과 결합된 형태이다. 엽록소의 기본 구조인 클로린, 박테리오클로로필의 기본 구조인 박테리오클로린, 시로헴의 기본 구조이자 비타민 B₁₂ 합성 과정의 중간체인 시로하이드로클로린, 비타민 B₁₂의 보조 인자에서 발견되는 핵심 고리 구조인 코린, 보조 인자 F430의 기본 구조인 코르핀 등이 대표적이다.^[1]

합성 물질로는 벤젠 고리가 융합된 벤조포르피린과 그 유도체인 베르테포르핀이 있다.^[26] 1986년 최초의 합성 포르피린 이성질체인 '''포르피센'''이 보고된 이후, '''코르피센''', '''이소포르피센''', '''N-혼합 포르피린''' 등 다양한 포르피린 이성질체들이 보고되었다.^{[27][31][32][33]}

9. 1. 자연계

^[1]

N4-매크로사이클	보조 인자 이름	금속	설명
클로린	엽록소, 박테리오클로로필 (일부)	마그네슘
박테리오클로린	박테리오클로로필 (일부)	마그네슘
시로하이드로클로린 (아이소박테리오클로린)	시로헴	철	황 동화 작용의 중요한 보조 인자, 보조 인자 F430 및 B12로 가는 생합성 중간체
코린	비타민 B12	코발트
코르핀	보조 인자 F430	니켈	매우 환원된 매크로사이클

9. 1. 1. 클로린

클로린은 엽록소의 기본 구조이다. 클로린은 마그네슘을 포함하고 있으며, 여러 종류의 엽록소가 존재한다(사이드체; 엽록소 c는 예외).

클로린을 포함하는 보조 인자

보조 인자 이름	금속	설명
엽록소	마그네슘	여러 종류의 엽록소가 존재함(사이드체; 엽록소 c는 예외)
박테리오클로로필 (일부)	마그네슘	여러 종류의 박테리오클로로필이 존재함 (사이드체; 일부는 일반적인 클로린 고리 사용)

9. 1. 2. 박테리오클로린

박테리오클로로필의 기본 구조는 박테리오클로린이다. 일부 박테리오클로로필은 마그네슘을 포함하고 있으며, 여러 종류가 존재한다. 일부 박테리오클로로필은 일반적인 클로린 고리를 사용하기도 한다.^[1]

9. 1. 3. 시로하이드로클로린

시로헴의 기본 구조이다. 황 동화 작용의 중요한 보조 인자이며, 보조 인자 F430 및 비타민 B₁₂로 가는 생합성 중간체이기도 하다.^[1]

N4-매크로사이클	보조 인자 이름	금속	설명
시로하이드로클로린 (아이소박테리오클로린)	시로헴	철	황 동화 작용의 중요한 보조 인자
	| 보조 인자 F430 및 B12로 가는 생합성 중간체

9. 1. 4. 코린

코린은 비타민 B12의 보조 인자에서 발견되는 핵심적인 고리 구조이다. 비타민 B12에는 여러 종류가 존재한다.^[1]

N4-매크로사이클	보조 인자 이름	금속	설명
코린	비타민 B12	코발트	여러 종류의 B12 변종이 존재함 (사이드체)[1]

9. 1. 5. 코르핀

코르핀은 보조 인자 F430의 기본 구조로, 매우 환원된 매크로사이클 구조를 가지고 있다.^[1]

N4-매크로사이클	보조 인자 이름	금속	설명
코르핀	보조 인자 F430	니켈	매우 환원된 매크로사이클

9. 2. 합성 물질

'''벤조포르피린'''은 피롤 단위체 중 하나에 벤젠 고리가 융합된 포르피린이다.^[26]

9. 2. 1. 벤조포르피린

베르테포르핀은 벤젠 고리가 융합된 포르피린인 벤조포르피린 유도체이다.^[26]

9. 2. 2. 비천연 포르피린 이성질체

최초의 합성 포르피린 이성질체는 1986년 에마누엘 포겔과 동료들에 의해 보고되었다.^[27] 이 이성질체 [18]포르피린-(2.0.2.0)은 '''포르피센'''으로 명명되었으며, 중심 N₄ 캐비티는

그림과 같이 직사각형 모양을 형성한다.^[28] 포르피센은 흥미로운 광화학적 거동을 보였고, 광역학 치료에 대한 다재다능한 화합물로 밝혀졌다.^[29] 이는 포겔과 세슬러가 [18]포르피린-(2.1.0.1)을 준비하는 도전을 받아들여 '''코르피센''' 또는 '''포르피세린'''으로 명명하도록 영감을 주었다.^[30] 칼로와 포겔-세슬러는 세 번째 포르피린인 [18]포르피린-(2.1.1.0)을 보고했다. 포겔과 동료들은 [18]포르피린-(3.0.1.0) 또는 '''이소포르피센'''의 성공적인 분리를 보고했다.^[31] 일본 과학자 후루타^[32]와 폴란드 과학자 라토스-그라진스키^[33]는 거의 동시에 '''N-혼합 포르피린'''을 보고했다. 매크로고리 링에서 피롤 하위 단위 중 하나의 반전은 질소 원자 중 하나가 매크로고리의 핵심에서 바깥쪽을 향하게 했다.

10. 생합성 상세 과정

δ-아미노레불린산(ALA) 합성을 시작으로 프로토포르피린 IX가 합성되기까지, 헴 합성과 클로로필 합성은 공통적인 합성 경로를 거친다.

포르피린 생합성의 각 단계별 반응, 관련 효소, 위치, 기질, 생성물, 염색체, EC 번호, OMIM, 관련 질환은 아래 표와 같다.

최종적으로 프로토포르피리노젠 산화효소에 의해 프로토포르피리노젠 IX가 산화되어 공액된 포르피린 고리를 가지는 프로토포르피린 IX가 생성된다.^[1]

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• 프로토포르피린 IX에 철 이온이 배위되면 헴이 생성되며, 이는 헤모글로빈, 시토크롬 등의 보결 분자단으로 기능한다.
• 프로토포르피린 IX에 마그네슘 이온이 배위되고 여러 단계를 거쳐 측쇄가 부가되면 광합성 색소인 클로로필이 생성된다.
• 우로포르피리노젠 III에서 메틸화, 코발트 배위, 측쇄 부가 등의 과정을 거치면 시아노코발라민(비타민 B₁₂)이 합성된다.

10. 1. 제2단계

10. 2. 제3단계

포르포빌리노겐 탈아미노효소(히드록시메틸빌란 합성효소라고도 함)는 4개의 포르포빌리노겐 분자가 암모니아를 잃고 결합하여 피롤 4개가 직선으로 연결된 구조를 갖는 히드록시메틸빌란을 생성하는 반응을 촉매한다.

4 + H₂O → + 4 NH₃

: 포르포빌리노겐 히드록시메틸빌란

10. 3. 제4단계

포르포빌리노겐 4분자가 직쇄상으로 중합되어 생성된 히드록시메틸빌란이 우로포르피리노겐 III 신타제에 의해 축합되어 고리를 형성하면 우로포르피리노겐 III이 된다.^[34] 이때, 우로포르피리노겐 III 신타제는 4개의 피롤 고리가 정연하게 배열된 히드록시메틸빌란의 한쪽 끝에 있는 피롤 고리 하나만 반전시켜 축합하여 고리를 형성한다.^[34]

⇒--

만약 우로포르피리노겐 III 신타제가 작동하지 않으면 피롤 고리가 정연하게 배열된 채로 히드록시메틸빌란이 자발적으로 고리화되어 우로포르피리노겐 I이 생성된다.^[34] 우로포르피리노겐 I은 우로포르피리노겐 III 탈카복실화효소의 기질이 되어 코프로포르피리노겐 I으로 변환될 수는 있지만, 코프로포르피리노겐 III 산화효소의 기질이 되지 못하므로 프로토포르피린까지 합성되지 못한다.^[34]

이처럼 우로포르피리노겐 I이나 코프로포르피리노겐 I이 체내에 축적되는 것은 포르피린증의 한 원인이 될 수 있다.^[34]

10. 4. 제5단계

우로포르피리노젠 III는 우로포르피리노겐 탈탄산 효소에 의해 4개의 아세트산기가 탈탄산되어 메틸기로 전환되면서 코프로포르피리노겐 III가 된다.

• - → -- + 4 CO₂

: 우로포르피리노겐 III 코프로포르피리노겐 III

10. 5. 제6단계

코프로포르피리노겐 III의 두 개의 프로피온산 곁사슬이 코프로포르피리노겐 산화효소에 의해 산화적 탈카복실화를 통해 비닐기로 전환되면 프로토포르피리노겐 IX가 생성된다. 이 반응은 미토콘드리아에서 일어난다.

10. 6. 제7단계

프로토포르피리노젠 산화효소에 의해 프로토포르피리노젠 IX가 산화되면 공액된 포르피린 고리가 형성되어 프로토포르피린 IX가 만들어진다.^[1]

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프로토포르피리노젠 IX 프로토포르피린 IX

우로포르피리노젠 III로부터 탈탄산 및 산화 반응을 거쳐 프로토포르피린 IX가 합성된다.^[1]

10. 7. 헴과 클로로필의 합성

δ-아미노레불린산(ALA) 2분자는 포르포빌리노겐 생성효소에 의해 결합되어 피롤 고리를 포함하는 포르포빌리노겐(PBG)을 생성한다. 이후 4개의 포르포빌리노겐이 탈아미노화 반응을 통해 결합하여 히드록시메틸 빌레인(HMB)을 생성하고, 이는 가수분해를 거쳐 고리형 테트라피롤인 유로포르피리노겐 III을 형성한다. 유로포르피리노겐 III는 여러 번의 추가적인 변형을 거친다. 중간체는 다양한 종에서 특정 물질을 형성하는 데 사용되지만, 인간에서는 주요 최종 생성물인 프로토포르피린 IX가 철과 결합하여 헴을 형성한다. 담즙 색소는 헴의 분해 산물이다.

생체 내에서는 먼저 δ-아미노레불린산(ALA)이 합성되고, ALA 2분자를 탈수 축합하여 피롤인 포르포빌리노겐이 합성된다. 이어서 포르포빌리노겐 4분자를 직쇄상으로 중합시켜 히드록시메틸빌란을 합성하고, 이것을 닫아 포르피린 중 하나인 우로포르피리노겐 III가 합성된다. 우로포르피리노겐 III는 생체 내의 다양한 포르피린 및 관련 화합물을 합성하는 기점이 된다. δ-아미노레불린산의 합성을 '''제1단계'''로 하면, 프로토포르피린 IX의 합성까지 헴 합성 및 클로로필 합성은 다음과 같은 공통적인 합성 경로를 따른다. 최종적으로 프로토포르피리노젠 산화효소에 의해 산화되면 공액된 포르피린 고리가 형성되어 프로토포르피린 IX가 만들어진다.

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프로토포르피리노젠 IX 프로토포르피린 IX

• 우로포르피리노젠 III로부터 탈탄산・산화를 거쳐 프로토포르피린 IX가 합성된다.
• * 프로토포르피린 IX에 철이 배위된 것이 헴이며, 헤모글로빈이나 시토크롬 등의 보결 분자단으로 기능한다.
• * 프로토포르피린 IX에 마그네슘이 배위되고 여러 단계를 거쳐 측쇄가 붙으면, 광합성 색소로 필수적인 클로로필이 만들어진다.

10. 8. 시아노코발라민(비타민 B12)의 합성

우로포르피리노젠 III는 생체 내에서 다양한 포르피린 및 관련 화합물을 합성하는 기점이 된다. 우로포르피리노젠 III로부터 메틸화, 코발트 배위, 측쇄 부가 등의 과정을 거쳐 시아노코발라민(비타민 B₁₂)이 합성된다.

10. 9. ALA 합성 경로

ALA(δ-아미노레불린산)는 포르피린 생합성의 첫 번째 전환 단계 물질이다. ALA 합성 경로는 생물에 따라 두 가지로 나뉜다.

; 셰민 경로

: 글리신과 숙시닐 CoA를 축합하여 ALA를 합성한다. α프로테오박테리아와 비광합성 진핵생물(동물, 곤충, 곰팡이, 원생동물)의 미토콘드리아에서 이 경로를 이용한다.

; C5 경로

: tRNA에 결합된 글루탐산을 환원적으로 절단하고, 아미노기 전이를 거쳐 ALA를 합성한다. 대부분의 원핵생물과 식물, 조류, 세균(α-프로테오박테리아 그룹 제외), 고세균 등 진핵생물의 색소체에서 이 경로를 이용한다. 이 경로에 관여하는 효소는 글루타밀-tRNA 합성효소, 글루타밀-tRNA 환원효소, 글루탐산-1-세미알데히드 2,1-아미노뮤테이스이다.

두 경로를 모두 가진 생물은 드물다. 색소체를 가진 진핵생물은 미토콘드리아도 가지고 있지만, 보통 한쪽만 사용한다. 예를 들어 녹색 식물, 홍조류, 규조류에서는 색소체의 C5 경로만 이용하며 셰민 경로는 아예 존재하지 않는다. 두 경로를 모두 이용하는 생물로는 유글레나가 있다.

ALA 합성 경로 비교

구분	셰민 경로	C5 경로
기질	글리신, 숙시닐 CoA	글루탐산 (tRNA에 결합된 형태)
반응 과정	축합	환원적 절단, 아미노기 전이
관여 효소	ALA 합성효소	글루타밀-tRNA 합성효소, 글루타밀-tRNA 환원효소, 글루탐산-1-세미알데히드 2,1-아미노뮤테이스
사용 생물	α프로테오박테리아, 비광합성 진핵생물(동물, 곤충, 곰팡이, 원생동물)의 미토콘드리아	대부분의 원핵생물, 식물, 조류, 세균(α-프로테오박테리아 그룹 제외), 고세균 등 진핵생물의 색소체

참조

_[1] 논문 Catalytic activity of multi-wall carbon nanotube supported manganese (III) porphyrin: an efficient, selective and reusable catalyst for oxidation of alkenes and alkanes with urea–hydrogen peroxide 2016
_[2] 논문 Deciphering aromaticity in porphyrinoids via adaptive natural density partitioning 2014-08
_[3] 논문 Origin of aromatic character in porphyrinoid systems
_[4] 웹사이트 porphyria (n.) http://www.etymonlin[...] 2014-09-14
_[5] 논문 Conformational control of cofactors in nature - the influence of protein-induced macrocycle distortion on the biological function of tetrapyrroles 2015-12
_[6] 서적 Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry
_[7] 논문 Conservation of the conformation of the porphyrin macrocycle in hemoproteins 1998-02
_[8] 논문 Chlorophylls, Symmetry, Chirality, and Photosynthesis
_[9] 서적 The Porphyrin Handbook https://books.google[...] Elsevier 1999
_[10] 논문 Total synthesis of the porphyrin mineral abelsonite and related petroporphyrins with five-membered exocyclic rings 2003-09
_[11] 논문 Review of the stratigraphic distribution and diagenetic history of abelsonite
_[12] 논문 A New Porphyrin Synthesis. The Synthesis of Porphin
_[13] 논문 Formation of Porphyrins from Pyrrole and Aldehydes
_[14] 논문 A simplified synthesis for meso-tetraphenylporphine
_[15] 간행물 Porphyrin conjugates for cancer therapy
_[16] 논문 Photodynamic therapy for neovascular age-related macular degeneration https://researchonli[...] 2007-07
_[17] 논문 A role for hydrogen peroxide in the pro-apoptotic effects of photodynamic therapy
_[18] 논문 Glycosylated Porphyrins, Phthalocyanines, and Other Porphyrinoids for Diagnostics and Therapeutics 2015-09
_[19] 논문 Synthesis of π-extended porphyrins via intramolecular oxidative coupling 2012-10
_[20] 논문 Porphyrins and phthalocyanines in solar photovoltaic cells
_[21] 논문 Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency 2011-11
_[22] 논문 Synthesis, antinociceptive and anti-inflammatory effects of porphyrins 2015-05
_[23] 논문 Synthesis and bioactivity of oxovanadium(IV)tetra(4-methoxyphenyl)porphyrinsalicylates 2019-12
_[24] 논문 Penetrating the Blood-Brain Barrier with New Peptide-Porphyrin Conjugates Having anti-HIV Activity 2021-06
_[25] 서적 Principles of Ecotoxicology CRC Press
_[26] 논문 Verteporfin 2000-02
_[27] 논문 Porphycene—a Novel Porphin Isomer 1986-03
_[28] 논문 3,6,13,16-Tetrapropylporphycene: Rational Synthesis, Complexation, and Halogenation 2022-03
_[29] 논문 Basic principles of photodynamic therapy 2001
_[30] 논문 New Porphycene Ligands: Octaethyl‐ and Etioporphycene (OEPc and EtioPc)—Tetra‐ and Pentacoordinated Zinc Complexes of OEPc 1993-11
_[31] 논문 Isoporphycene: The Fourth Constitutional Isomer of Porphyrin with an N(4) Core-Occurrence of E/Z Isomerism 1999-10
_[32] 논문 "N-Confused Porphyrin": A New Isomer of Tetraphenylporphyrin
_[33] 논문 Tetra‐p‐tolylporphyrin with an Inverted Pyrrole Ring: A Novel Isomer of Porphyrin 1994-04-18
_[34] 웹사이트 はじめに: ポルフィリン症 https://www.msdmanua[...]
_[35] 논문 null