Porfirina

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Definición de porfirina

Una porfirina es una molécula de anillo grande que consta de 4 pirroles, que son anillos más pequeños hechos de 4 carbonos y 1 nitrógeno. Estas moléculas de pirrol están conectadas entre sí a través de una serie de enlaces simples y dobles que forman la molécula en un gran anillo. El nombre técnico de 4 pirroles conectados entre sí es tetrapirrol. El anillo es plano en el espacio y la distribución de electrones es bastante igual alrededor de la circunferencia del anillo. Por esta razón, una porfirina se considera un compuesto aromático. Esto significa que una molécula de porfirina es muy estable. El modelo de una porfirina general se llama porfina. Esta molécula rara vez se encuentra en la naturaleza como intermedio, pero es la base de todas las moléculas de porfirina. La porfina se puede ver a continuación.

Las partes azules de la molécula representan el anillo aromático que forma la base de todas las moléculas de porfirina. Las moléculas negras y los enlaces eventualmente serán sustituidos por cadenas laterales complejas. Estas moléculas permitirán que la maquinaria celular se adhiera y use la porfirina. Las porfirinas también son capaces de absorber ciertas longitudes de onda de luz, especialmente cuando se asocian con diferentes iones. Las porfirinas causan tanto el color rojo de la sangre como el color verde de las plantas, como se explica a continuación.

Las moléculas de porfirina sirven para varios propósitos en animales, plantas e incluso bacterias. Por esta razón, la porfirina se considera una molécula conservada evolutivamente. Esto significa que debido a su utilidad, innumerables líneas de organismos han utilizado y modificado las porfirinas para satisfacer sus necesidades.

Tipos de porfirinas

Porfirinas en animales

Un uso importante de las moléculas de porfirina en animales es la construcción de grupos hemo. Estas moléculas son simplemente una molécula de porfirina con varias cadenas laterales sustituidas alrededor del anillo principal. En un hemo, el anillo de porfirina cumple una función importante. Las moléculas de nitrógeno en el centro del anillo son capaces de «albergar» una molécula de hierro. Es esta estructura de porfirina, que contiene hierro, la que le da a la sangre su color rojo. Si bien el nitrógeno no se une técnicamente a la molécula de hierro, no obstante se mantiene en su lugar por la influencia de las moléculas de nitrógeno y su distribución en el espacio. Un hemo general se puede ver a continuación.

El propósito general de un hemo es transportar oxígeno. Esto se puede ver en la imagen de arriba. Cuando el oxígeno se une al hemo, se puede transportar rápidamente por el cuerpo y a través de las células. Hay una proteína específica asociada con cada parte del cuerpo que usa hemes para transportar oxígeno. Los glóbulos rojos tienen la proteína hemoglobina., que mantiene el hemo en su lugar. Estas proteínas también imparten funcionalidad al hemo. Cuando la hemoglobina está en un ambiente ácido, por ejemplo, cambia de forma. Este cambio de forma obliga al oxígeno a desprenderse del hemo. Este mecanismo ha evolucionado porque el dióxido de carbono hace que la sangre sea ácida y es un subproducto del uso de oxígeno. Por lo tanto, cuando el dióxido de carbono es alto, las células necesitan más oxígeno. Este mecanismo de la hemoglobina permite que el oxígeno se libere en las partes correctas del cuerpo.

Otra molécula que contiene hemo, la mioglobina, funciona como la molécula transportadora de oxígeno dentro de las células musculares. Este hemo también está hecho de porfirina y contiene hierro. La mioglobina tiene cadenas laterales diferentes a las de la hemoglobina. Como tal, puede interactuar con la maquinaria de las células musculares y entregar oxígeno desde la superficie de la célula a las mitocondrias que necesitan el oxígeno de la fosforilación oxidativa. Los grupos hemo, hechos de moléculas de porfirina, también se ven en las moléculas de citocromo de la cadena de transporte de electrones. Aquí, la molécula de hierro funciona como un depósito de electrones adicionales. Toma electrones cuando es necesario y los libera en otros momentos. La cadena de transporte de electrones es una serie compleja de proteínas del citocromo, cada una de las cuales contiene un grupo hemo. Estos funcionan al unísono para transferir la energía de los electrones, impulsando una bomba de protones y almacenando energía en forma de ATP.

Una molécula de porfirina es una molécula orgánica y debe ser creada y destruida por proteínas específicas del cuerpo. Debido a que las proteínas están programadas por el ADN, cualquier mutación en el ADN puede causar disfunciones en la proteína que procesa las moléculas de porfirina. Aunque generalmente es extremadamente útil, una porfirina que no se ha formado correctamente o no se puede descomponer representa una seria amenaza para el cuerpo. Las moléculas de porfirina son muy interactivas. Pueden alterar la membrana celular y, debido a que contienen una molécula de hierro con el potencial de actuar como sumidero de electrones, fomentan la formación de radicales libres.

La condición genética que causa la acumulación de porfirinas debido a su incapacidad para descomponerse o crearse adecuadamente se llama Porfiria. Hay muchos tipos de porfiria, según la enzima que se mute. Debido a esto, existe una variedad de síntomas y tratamientos para las diferentes versiones. En última instancia, la molécula de porfirina que está causando el problema debe identificarse y tratarse. Esto podría significar sustituir una porfirina artificial o someter al paciente a una terapia genética para que su cuerpo produzca las enzimas adecuadas. La porfiria a menudo se diagnostica por la orina de color púrpura, causada por las porfirinas intactas que quedan en la orina.

Porfirinas en plantas

Debido a que las moléculas de porfirina se conservan evolutivamente, vemos las mismas porfirinas hemo que contienen hierro en las plantas que en los animales. Las plantas también usan la cadena de transporte de electrones para producir ATP, y se usan porfirinas similares a las de los animales.

Sin embargo, las plantas también han dominado una configuración diferente de la molécula de porfirina, lo que les permite capturar la energía de la luz solar. La clorofila es una molécula especial diseñada alrededor de una base de porfirina. Visto a continuación, la molécula de clorofila tiene varias cadenas laterales únicas fuera de la molécula de porfirina. También tiene una cadena lateral muy larga, que se ve saliendo de la parte inferior. Estas cadenas laterales cambian ligeramente la forma y configuración de la porfirina base.

Notará que en lugar de hierro (Fe), ahora hay un ión de magnesio (Mg) «capturado» dentro de la porfirina. A diferencia de los grupos hemo, que contienen hierro, el magnesio de la clorofila no es capaz de transferir oxígeno. En cambio, la molécula funciona para capturar energía de la luz solar. El ion magnesio ayuda a capturar y almacenar electrones durante el proceso. El ion magnesio también ayuda a la porfirina a absorber la luz roja y azul, en lugar de reflejar la luz roja como lo hace con la sangre. Esto hace que solo aparezca un color verde fuerte, lo que le da a las plantas su color verde.

Otras porfirinas

Más allá de las plantas y los animales, hay porfirinas en casi todo el mundo. Las bacterias usan las porfirinas de manera similar a las células animales, aunque las moléculas finales que usan pueden verse muy diferentes de las hemes en los animales. Ciertas bacterias también tienen la capacidad de realizar la fotosíntesis y, al igual que las plantas, usan porfirinas para capturar la energía del sol. También hay sustancias como la vitamina B12, que se sintetizan a partir de una porfirina para comenzar, pero que apenas se parecen a una cuando se completan.

Las porfirinas también se pueden sintetizar en el laboratorio. Estas moléculas, debido a que actúan como pigmentos, se han utilizado en tintes y como color en diversas soluciones. Si bien podemos sintetizar muchas porfirinas en el laboratorio, tienden a ser más simétricas que las porfirinas naturales. Esto se debe a que nuestro cuerpo utiliza enzimas desarrolladas durante milenios para dar forma útil a las porfirinas. Nuestra comprensión de la bioquímica aún no está lo suficientemente avanzada como para replicar estos procesos en el laboratorio.

Otro ejemplo interesante de porfirinas se puede encontrar en el petróleo crudo. Aparentemente, durante los muchos siglos enterrados bajo la Tierra, las moléculas orgánicas pueden formarse naturalmente en porfirinas. Estas sustancias se encuentran como subproductos cuando el petróleo crudo se extrae del suelo. Los científicos evolucionistas han planteado la hipótesis de que estas porfirinas, y las creadas con métodos similares, podrían haber sido el material de partida con el que se desarrolló por primera vez la vida en la Tierra.