Hem i chlorofil są chemicznymi kuzynami z podobnym tetrapirolowym szkieletem
Czerwona hemoglobina i zielony chlorofil kojarzą się z przeciwnymi światami: oddychaniem zwierząt i fotosyntezą roślin. Ich kluczowe kofaktory należą jednak do tej samej wielkiej rodziny tetrapirolów i mają wspólne etapy biosyntezy. Hem zawiera porfirynowy makrocykl koordynujący żelazo, a chlorofil jest chlorinowym tetrapirolem z magnezem i innymi podstawnikami. Szlaki rozgałęziają się na późnym etapie: w jednej gałęzi chelataza wprowadza Fe²⁺, w drugiej enzym Mg-chelataza umieszcza Mg²⁺. Zmiana metalu i modyfikacje pierścienia przełączają funkcję z transportu elektronów i tlenu na pochłanianie światła.
Wspólny motyw to cztery pierścienie pirolowe
Tetrapirol składa się z czterech pięcioczłonowych pierścieni zawierających azot, połączonych w duży makrocykl. Cztery atomy N tworzą wnękę idealną do wiązania kationu metalu.
Biosynteza ma wspólny pień
Organizmy budują prekursor protoporfirynę IX przez sekwencję reakcji tworzących pierścień. Ten etap jest wspólny dla wielu hemów i chlorofili.
Metal centralny zmienia możliwości redoks makrocyklu. Fe w hemie może występować w kilku stopniach utlenienia i uczestniczyć w przenoszeniu elektronów albo wiązać O₂, CO i NO zależnie od białka. Mg²⁺ w chlorofilu jest znacznie trudniej redukowane/utleniane w warunkach biologicznych; jego rola jest przede wszystkim strukturalna i elektroniczna, dostrajająca sprzężony chromofor. Ten sam typ „kieszeni czterech azotów” może więc stabilizować metal o zupełnie innej chemii.
Żelazo daje hem
Ferrochelataza wprowadza Fe²⁺ do protoporfiryny IX, tworząc hem b. Żelazo może zmieniać stan utlenienia i wiązać ligandy, dzięki czemu hem uczestniczy w hemoglobinie, cytochromach, katalazach i wielu enzymach.
Białko wokół hemu kontroluje funkcję równie mocno jak sam kofaktor. Hemoglobina używa histydyny i kieszeni globiny do odwracalnego wiązania tlenu, cytochrom c do transferu elektronów, a katalaza do rozkładu nadtlenku wodoru. Ten sam hem b potrafi wykonywać różne zadania, bo otoczenie zmienia ligandy osiowe, dostęp substratu i potencjał redoks. Organiczny makrocykl jest platformą, a białko programuje jej zachowanie.
Magnez otwiera gałąź chlorofilu
Mg-chelataza wprowadza Mg²⁺ do tego samego typu tetrapirolowego prekursora. Późniejsze redukcje, estryfikacja ogonem fitolowym i zmiany podstawników prowadzą do chlorofili.
Metal nie jest jedyną różnicą
Nie można powiedzieć, że chlorofil to po prostu „hem z magnezem”. Makrocykl chlorofilu jest bardziej zredukowany, ma inne grupy boczne i długi ogon. Wszystkie te cechy wspólnie zmieniają strukturę elektronową.
Chlorofil również działa w ścisłym otoczeniu białkowym. W centrum reakcji specjalna para chlorofili uczestniczy w separacji ładunku, a pigmenty antenowe głównie zbierają energię. Sama cząsteczka wyizolowana do rozpuszczalnika nie wykonuje pełnej fotosyntezy. Własność biologiczna wynika z architektury supramolekularnej wielu kofaktorów ustawionych przez białko.
Kolor wynika z rozległego sprzężenia
Makrocykl tetrapirolowy ma zdelokalizowane elektrony π. Metal centralny oraz podstawniki stroją energie orbitali, dlatego hem i chlorofil pochłaniają inne długości fal i pełnią inne funkcje.
Ewolucja używa wspólnej platformy do różnych zadań
Zamiast wynajdywać zupełnie nowe szkielety dla transportu elektronów, wiązania tlenu i fotosyntezy, organizmy modyfikują jeden wyjątkowo użyteczny makrocykl. Chemia węgla działa jak platforma, którą metal i kilka enzymatycznych zmian dostrajają do nowej funkcji.
Z punktu widzenia ewolucji wspólny szlak tetrapirolowy jest ekonomiczny: enzymy budują kosztowny makrocykl wspólnymi etapami, a dopiero później chelatazy wybierają gałąź Fe lub Mg. Błąd w tym rozgałęzieniu byłby szkodliwy, dlatego organizmy ściśle regulują dostęp metali i aktywność enzymów. Konkurencja dwóch jonów o podobny prekursor pokazuje, że specyficzność enzymu może sterować całymi klasami pigmentów i kofaktorów.
Biosynteza tetrapirolów musi być również chroniona przed światłem i reaktywnym tlenem. Wiele wolnych porfirynowych prekursorów po wzbudzeniu może przekazywać energię tlenowi i tworzyć singletowy O₂, silnie uszkadzający komórkę. Dlatego enzymy przekazują intermediates między kolejnymi etapami i regulują ich stężenie. Zaburzenia ludzkiego szlaku hemu prowadzą do porfirii, w których nagromadzone tetrapirole mogą powodować fotowrażliwość. Ta sama zdolność makrocyklu do interakcji ze światłem, korzystna w chlorofilu, staje się toksyczna, jeśli podobny prekursor gromadzi się w niewłaściwym miejscu.
Podobieństwo tetrapirolów ma także konsekwencję analityczną: porfiryny i chlorofile dają charakterystyczne intensywne pasma Soret wynikające z tego samego typu rozległego układu π. Dokładne położenie i dodatkowe pasma różnią się dzięki metalowi, stopniowi uwodornienia pierścienia i podstawnikom. Spektroskopia ujawnia więc wspólne chemiczne pochodzenie pigmentów o pozornie zupełnie innych funkcjach.