Clorofílida

Clorofílida
Clorofílida a
Nome IUPAC Magnesio (3S,4S,21R)-3-(2-carboxietil)-14-etil-21-(metoxicarbonil)-4,8,13,18-tetrametil-20-oxo-9-vinil-23,25-didehidroforbina-23,25-diida
Identificadores
Número CAS	14897-06-4, 14428-12-7
PubChem	439664, 15775275
ChemSpider	388735, 34999243
ChEBI	CHEBI:16900
Imaxes 3D Jmol	Image 1
SMILES CCC1=C(C)C2=Cc3c(C=C)c(C)c4C=C5[C@@H](C)[C@H](CCC(O)=O)C6=[N+]5[Mg--]5(n34)n3c(=CC1=[N+]25)c(C)c1C(=O)[C@H](C(=O)OC)C6=c31
InChI InChI=1S/C35H36N4O5.Mg/c1-8-19-15(3)22-12-24-17(5)21(10-11-28(40)41)32(38-24)30-31(35(43)44-7)34(42)29-18(6)25(39-33(29)30)14-27-20(9-2)16(4)23(37-27)13-26(19)36-22;/h8,12-14,17,21,31H,1,9-11H2,2-7H3,(H3,36,37,38,39,40,41,42);/q;+2/p-2/t17-,21-,31+;/m0./s1 Key: ANWUQYTXRXCEMZ-NYABAGMLSA-L InChI=1S/C35H34N4O6.Mg/c1-7-18-15(3)22-11-23-16(4)20(9-10-28(41)42)32(38-23)30-31(35(44)45-6)34(43)29-17(5)24(39-33(29)30)12-26-19(8-2)21(14-40)27(37-26)13-25(18)36-22;/h7,11-14,16,20,31H,1,8-10H2,2-6H3,(H3,36,37,38,39,40,41,42,43);/q;+2/p-2/t16-,20-,31+;/m0./s1 Key: QPDWBRHRBKXUNS-IEEIVXFASA-L
Propiedades
Fórmula molecular	C35H34MgN4O5
Masa molecular	614,973 g/mol
Se non se indica outra cousa, os datos están tomados en condicións estándar de 25 °C e 100 kPa.

As clorofílidas son os precursores das clorofilas. A clorofílida a e a clorofílida b son os precursores biosintéticos da clorofila a e a clorofila b, respectivamente. Os seus grupos de ácido propiónico son convertidos en fitil ésteres polo encima clorofila sintase no paso final da súa ruta de síntese. Así, o principal interese destes compostos químicos foi no estudo da biosíntese da clorofila nas plantas, algas e cianobacterias. A clorofílida a é tamén un intermediario da biosíntese das bacterioclorofilas.^[1][2]

Estruturas

Clorofílida a, (R=H). Na clorofílida b, o grupo metilo mostrado no cadro verde é substituído por un grupo formilo.

A clorofílida a é un ácido carboxílico (R=H). Na clorofílida b o grupo metilo na posición 13 (segundo a numeración da IUPAC para a clorofílida a) e salientado no cadro verde, é substituído por un grupo funcional formilo.

Pasos da biosíntese ata a formación de protoporfirina IX

Artigo principal: Porfirina#Síntese.

Nos pasos iniciais da biosíntese, que empezan co ácido glutámico, créase un tetrapirrol polos encimas desaminase e cosintetase, que transforman o ácido aminolevulínico a través do porfobilinóxeno e o hidroximetilbilano en uroporfirinóxeno III. Este último é o primeiro intermediario macrocíclico común ao hemo, sirohemo, cofactor F₄₃₀, cobalamina e a propia clorofila.^[3] Os seguintes intermediarios son o coproporfirinóxeno III e o protoporfirinóxeno IX, que é oxidado ao composto totalmente aromático protoporfirina IX. A inserción de ferro na protoporfirina IX en, por exemplo, mamíferos dá lugar ao hemo, o cofactor transportador de oxíxeno polo sangue, pero as plantas combinan magnesio en vez de ferro e dan lugar, despois de varias transformacións, á clorofila para a fotosíntese.^[4]

Biosíntese de clorofílidas a partir de protoporfirina IX

Os detalles das últimas etapas da vía biosintética da clorofila difiren na plantas (por exemplo Arabidopsis thaliana, Nicotiana tabacum e Triticum aestivum) e bacterias (por exemplo Rubrivivax gelatinosus e Synechocystis) nas cales foi estudada. Porén, aínda que os xenes e encimas varían, as reaccións químicas implicadas son idénticas.^[1][5]

Inserción de magnesio

Insírese magnesio na protoporfirina IX

A clorofila caracterízase por ter un ión magnesio coordinado dentro dun ligando chamado clorina. O metal insírese nunha protoporfirina IX polo encima magnesio quelatase^[1] que cataliza a reacción EC 6.6.1.1

protoporfirina IX + Mg2+
+ ATP + H
2O ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ ADP + fosfato + Mg-protoporfirina IX + 2 H+

Esterificación do grupo propionato do anel C

O seguinte paso cara ás clorofílidas é a formación dun éster metilo (CH₃) nun dos grupos propionato, que é catalizada polo encima magnesio protoporfirina IX metiltransferase^[6] na reacción de metilación EC 2.1.1.11

Mg-protoporfirina IX + S-adenosilmetionina ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ Mg-protoporfirina IX 13-metil éster + S-adenosil-L-homocisteína

Da porfirina á clorina

O sistema de aneis da clorina fórmase a medida que a cadea lateral propionato esterificada cíclase sobre o anel de profirina principal para formar divinilprotoclorofílida

O sistema de aneis da clorina que ten un anel E de cinco carbonos créase cando un dos grupos propionato da porfirina é ciclado no átomo de carbono que une os aneis C e D pirrólicos orixinais. Unha serie de pasos químicos catalizados polo encima magnesio-protoporfirina IX monometil éster (oxidativa) ciclase^[7] dan a reacción global EC 1.14.13.81

Mg-protoporfirina IX 13-monometil éster + 3 NADPH + 3 H⁺ + 3 O₂ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ divinilprotoclorofílida + 3 NADP⁺ + 5 H₂O

Na cebada os electróns son proporcionados pola ferredoxina reducida, o cal pode obtelos do fotosistema I ou, na escuridade, pola ferredoxina—NADP(+) redutase: a proteína ciclase é nomeada XanL e está codificada polo xene Xantha-l.^[8] En organismos anaerobios como o Rhodobacter sphaeroides ocorre a mesma transformación global pero o oxíxeno incorporado no magnesio-protoporfirina IX 13-monometol éster procede da auga na reacción EC 1.21.98.3.^[9]

Pasos da redución a clorofílida a

Cómpren dúas transformacións máis para producir clorofílida a. Ambas son reaccións de redución: unha converte un grupo vinilo a un grupo etilo e a segunda engade dous átomos de hidróxeno ao anel pirrólico D, aínda que se mantén a aromaticidade global do macrociclo. Estas reaccións proceden independentemente e nalgúns organismos a secuencia é invertida.^[1] O encima divinil clorofílida a 8-vinil-redutase^[10] converte a 3,8-divinilprotoclorofílida en protoclorofílida na reacción EC 1.3.1.75

3,8-divinilprotoclorofílida + NADPH + H⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ protoclorofílida + NADP⁺

A redución do anel D da protoclorofílida completa a biosíntese da clorofílida a

A isto segue a reacción EC 1.3.1.33 na cal o anel D pirrólico é reducido polo encima protoclorofílida redutase^[11]

protoclorofílida + NADPH + H⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ clorofílida a + NADP⁺

Esta reacción é dependente da luz pero hai un encima alternativo, a ferredoxina:protoclorofílida redutase (ATP-dependente),^[12] que usa a ferredoxina reducida como o seu cofactor e non depende da luz; realiza unha reacción similar EC 1.3.7.7 pero co substrato alternativo 3,8-divinilprotoclorofílida

3,8-divinilprotoclorofílida + ferredoxina reducida + 2 ATP + 2 H₂O ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ 3,8-divinilclorofílida a + ferredoxina oxidada + 2 ADP + 2 fosfato

Nos organismos que usan esta secuencia alternativa de pasos de redución, o proceso complétase pola reacción EC 1.3.7.13 catalizada por un encima que pode utilizar diversos substratos e realiza a redución do grupo vinilo requirida, por exemplo neste caso

3,8-divinilclorofílida a + 2 ferredoxina reducida + 2 H⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ clorofílida a + 2 ferredoxina oxidada

Da clorofílida a á clorofílida b

A clorofílida a oxixenase é o encima que converte a clorofílida a en clorofílida b^[13] catalizando a reacción global EC 1.3.7.13

clorofílida a + 2 O₂ + 2 NADPH + 2 H⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ clorofílida b + 3 H₂O + 2 NADP⁺

Uso na biosíntese das clorofilas

Clorofilas a, b e d

A clorofila sintase^[14] completa a biosíntese da clorofila a ao catalizar a reacción EC 2.5.1.62

clorofílida a + fitil difosfato ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ clorofila a + difosfato

Isto forma un éster do grupo ácido carboxílico da clorofílida a co alcohol diterpeno de 20 carbonos fitol. A clorofila b prodúcea o mesmo encima actuando sobre a clorofílida b. O mesmo ocorre coas clorofilas d e f, ambas as dúas feitas a partir das correspondentes clorofílidas, que en último extremo se orixinan da clorofílida a.^[15]

Uso na biosíntese de bacterioclorofilas

As bacterioclorofilas son os pigmentos captadores de luz das bacterias fotosinteticas. Non producen oxíxeno como produto secundario. Hai moitas destas estruturas, pero todas están relacionadas biosinteticamente ao derivaren da clorofílida a.^[1][16]

BChl a: anel de bacterioclorina e cadeas laterais

A bacterioclorofílida a (R=H). Os intermediarios iniciais teñen un grupo vinilo ou grupo 1-hidroxietil en lugar do grupo acetilo mostrado.

A bacterioclorofila a é un exemplo típico; a súa biosíntese foi estudada en Rhodobacter capsulatus e Rhodobacter sphaeroides. O primeiro paso é a redución (con estereoquímica trans) do anel pirrólico B, dando o sistema aromático característico de 18 electróns de moitas bacterioclorofilas. Isto é levado a cabo polo encima clorofílida a redutase, que cataliza a reacción EC 1.3.7.15.

clorofílida a + 2 ferredoxina reducida + ATP + H₂O + 2 H⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ 3-desacetil 3-vinilbacterioclorofílida a + 2 ferredoxina oxidada + ADP + fosfato

Os dous pasos seguintes converten primeiro o grupo vinilo no grupo 1-hidroxietil e despois no grupo acetilo da bacterioclorofílida a. As reaccións son catalizadas pola clorofílida a 3¹-hidratase (EC 4.2.1.165) e bacterioclorofílida a deshidroxenase (EC 1.1.1.396) como segue:^[2][17]

3-desacetil 3-vinilbacterioclorofílida a + H₂O ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ 3-desacetil 3-(1-hidroxietil)bacterioclorofílida a

3-desacetil 3-(1-hidroxietil)bacterioclorofílida a + NAD⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ bacterioclorofílida a + NADH + H⁺

Estas tres reaccións catalizadas por encimas poden ocorrer en diferente secuencia para producir bacterioclorofílida a, que pode ser esterificada aos pigmentos finais da fotosíntese. O fitil éster da bacterioclorofila a non é unido directamente, senón que o intermediario inicial é o éster do R=xeranilxeranil (do xeranilxeranil pirofosfato) que é despois sometido a pasos adicionais nos que se reducen tres dos enlaces alqueno das cadeas laterais.^[17]

Notas

1. Willows, Robert D. (2003). "Biosynthesis of chlorophylls from protoporphyrin IX". Natural Product Reports 20 (6): 327–341. PMID 12828371. doi:10.1039/B110549N. 
2. Bollivar, David W. (2007). "Recent advances in chlorophyll biosynthesis". Photosynthesis Research 90 (2): 173–194. PMID 17370354. doi:10.1007/s11120-006-9076-6. 
3. Battersby AR, Fookes CJ, Matcham GW, McDonald E (maio de 1980). "Biosynthesis of the pigments of life: formation of the macrocycle". Nature 285 (5759): 17–21. Bibcode:1980Natur.285...17B. PMID 6769048. doi:10.1038/285017a0. 
4. Battersby, A. R. (2000). "Tetrapyrroles: the Pigments of Life. A Millennium review". Natural Product Reports 17 (6): 507–526. PMID 11152419. doi:10.1039/B002635M. 
5. R. Caspi (2007-07-18). "3,8-divinyl-chlorophyllide a biosynthesis I (aerobic, light-dependent)". MetaCyc Metabolic Pathway Database. Consultado o 2020-06-04. 
6. Shepherd, Mark; Reid, James D.; Hunter, C. Neil (2003). "Purification and kinetic characterization of the magnesium protoporphyrin IX methyltransferase from Synechocystis PCC6803". Biochemical Journal 371 (2): 351–360. PMC 1223276. PMID 12489983. doi:10.1042/BJ20021394. 
7. Bollivar DW, Beale SI (setembro de 1996). "The Chlorophyll Biosynthetic Enzyme Mg-Protoporphyrin IX Monomethyl Ester (Oxidative) Cyclase (Characterization and Partial Purification from Chlamydomonas reinhardtii and Synechocystis sp. PCC 6803)". Plant Physiology 112 (1): 105–114. PMC 157929. PMID 12226378. doi:10.1104/pp.112.1.105. 
8. Stuart, David; Sandström, Malin; Youssef, Helmy M.; Zakhrabekova, Shakhira; Jensen, Poul Erik; Bollivar, David W.; Hansson, Mats (2020-09-08). "Aerobic Barley Mg-protoporphyrin IX Monomethyl Ester Cyclase is Powered by Electrons from Ferredoxin". Plants (en inglés) 9 (9): 1157. PMC 7570240. PMID 32911631. doi:10.3390/plants9091157. 
9. Porra, Robert J.; Schafer, Wolfram; Gad'On, Nasr; Katheder, Ingrid; Drews, Gerhart; Scheer, Hugo (1996). "Origin of the Two Carbonyl Oxygens of Bacteriochlorophyll a. Demonstration of two Different Pathways for the Formation of Ring e in Rhodobacter sphaeroides and Roseobacter denitrificans, and a Common Hydratase Mechanism for 3-acetyl Group Formation". European Journal of Biochemistry 239 (1): 85–92. PMID 8706723. doi:10.1111/j.1432-1033.1996.0085u.x. 
10. Parham, Ramin; Rebeiz, Constantin A. (1992). "Chloroplast biogenesis: [4-vinyl] chlorophyllide a reductase is a divinylchlorophyllide a-specific, NADPH-dependent enzyme". Biochemistry 31 (36): 8460–8464. PMID 1390630. doi:10.1021/bi00151a011. 
11. Apel, Klaus; Santel, Hans-Joachim; Redlinger, Tom E.; Falk, Heinz (2005). "The Protochlorophyllide Holochrome of Barley (Hordeum vulgare L.)". European Journal of Biochemistry 111 (1): 251–258. PMID 7439188. doi:10.1111/j.1432-1033.1980.tb06100.x. 
12. Muraki N, Nomata J, Ebata K, Mizoguchi T, Shiba T, Tamiaki H, Kurisu G, Fujita Y (May 2010). "X-ray crystal structure of the light-independent protochlorophyllide reductase". Nature 465 (7294): 110–4. Bibcode:2010Natur.465..110M. PMID 20400946. doi:10.1038/nature08950. 
13. Eggink, Laura L.; Lobrutto, Russell; Brune, Daniel C.; Brusslan, Judy; Yamasato, Akihiro; Tanaka, Ayumi; Hoober, J Kenneth (2004). "Synthesis of chlorophyll b: Localization of chlorophyllide a oxygenase and discovery of a stable radical in the catalytic subunit". BMC Plant Biology 4: 5. PMC 406501. PMID 15086960. doi:10.1186/1471-2229-4-5. 
14. Schmid, H. C.; Rassadina, V.; Oster, U.; Schoch, S.; Rüdiger, W. (2002). "Pre-Loading of Chlorophyll Synthase with Tetraprenyl Diphosphate is an Obligatory Step in Chlorophyll Biosynthesis" (PDF). Biological Chemistry 383 (11): 1769–78. PMID 12530542. doi:10.1515/BC.2002.198. 
15. Tsuzuki, Yuki; Tsukatani, Yusuke; Yamakawa, Hisanori; Itoh, Shigeru; Fujita, Yuichi; Yamamoto, Haruki (29 de marzo de 2022). "Effects of Light and Oxygen on Chlorophyll d Biosynthesis in a Marine Cyanobacterium Acaryochloris marina". Plants 11 (7): 915. doi:10.3390/plants11070915. 
16. Senge, Mathias O.; Smith, Kevin M. (2004). "Biosynthesis and Structures of the Bacteriochlorophylls". Anoxygenic Photosynthetic Bacteria. Advances in Photosynthesis and Respiration 2. pp. 137–151. ISBN 0-7923-3681-X. doi:10.1007/0-306-47954-0_8. 
17. R. Caspi (2015-12-08). "Pathway: bacteriochlorophyll a biosynthesis". MetaCyc Metabolic Pathway Database. Consultado o 2020-06-04.