プロトポルフィリン

プロトポルフィリン (protoporphyrin)

プロトポルフィリンは、中心に金属イオンを持たないポルフィリン環骨格に、特定の有機基が結合した化合物の総称です。具体的には、ポルフィン環に4つのメチル基、2つのビニル基、そして2つのプロピオン酸基が結合した構造を持ちます。この定義に合致するいくつかの異性体が存在しますが、特に生命機能において極めて重要な役割を果たす「プロトポルフィリンIX」を指すことが一般的です。ポルフィリン類の様々な異性体は、結合している置換基の種類とその位置に基づいて、ローマ数字を用いて分類されます。これは、フィッシャーが提唱した命名法（Fischer Trivial Names）に由来します。

生体内での生成と機能

プロトポルフィリンは、動物、植物、菌類といった多様な生物種において、生命活動に不可欠な役割を担う分子の重要な前駆体として機能しています。最も代表的なものが、血液中で酸素を運搬するヘモグロビンや、筋肉中に酸素を貯蔵するミオグロビンの構成要素である「ヘム」です。また、植物が光合成を行うために必要な「クロロフィル」も、プロトポルフィリンを基にして合成されます。

プロトポルフィリンは、生体内でδ-アミノレブリン酸（ALA）を起点とする一連の複雑な酵素反応を経て合成されます。この合成経路は多くの生物に共通して見られます。

具体的な生合成のステップは以下の通りです。

- まず、ALAの2分子がアミノレブリン酸脱水酵素の働きにより脱水縮合され、ピロール環を持つポルフォビリノーゲン（PBG）が生成されます。
- 次に、PBGの4分子がポルフォビリノーゲン脱アミノ酵素（またはヒドロキシメチルビラン合成酵素）によって順次結合し、アンモニアが脱離することで、4つのピロール環が直線状に連なったヒドロキシメチルビランが作られます。
- このヒドロキシメチルビランが、ウロポルフィリノーゲンIIIシンターゼの作用により、分子内で環状に縮合し、ウロポルフィリノーゲンIIIへと変換されます。この酵素が存在しない場合、ヒドロキシメチルビランは自発的に環化し、ウロポルフィリノーゲンIという異性体を生じますが、これはその後のプロトポルフィリンを生成する経路には乗りません。
- ウロポルフィリノーゲンIIIは、ウロポルフィリノーゲン脱炭酸酵素によって4つの酢酸基から二酸化炭素が除去され、メチル基に変換されることでコプロポルフィリノーゲンIIIとなります。
- 続いて、コプロポルフィリノーゲンIIIは、コプロポルフィリノーゲン酸化酵素によって2箇所のプロピオン酸基が酸化され、ビニル基へと変換されることでプロトポルフィリノーゲンIXに変化します。
- 最終段階として、プロトポルフィリノーゲンIXがプロトポルフィリノーゲン酸化酵素によって酸化されることで、目的のプロトポルフィリンIXが完成します。

完成したプロトポルフィリンIXは、生命機能に不可欠な分子へと変換されます。前述の通り、フェロキラターゼという酵素の働きにより、その中心に鉄イオンが組み込まれると、ヘムbが生成します。植物などでは、マグネシウムキラターゼなどの作用によってマグネシウムイオンが組み込まれ、さらにいくつかの工程を経て、クロロフィルが作り出されます。一方、役目を終えたり過剰になったプロトポルフィリンIXは、ヘムオキシゲナーゼなどの酵素によって酸化分解され、環状構造が開いてビリベルジンなどのテトラピロール化合物へと変化し、代謝・排泄されます。

プロトポルフィリン症

健常な生体では、生成されたプロトポルフィリンIXは速やかにヘムへと変換されるため、体内に大量に蓄積することはありません。しかし、遺伝的な要因によるフェロキラターゼの機能不全や、鉛中毒などの影響でこの酵素の働きが低下すると、プロトポルフィリンが体内で過剰に蓄積し、プロトポルフィリン症（Protoporphyria）と呼ばれる疾患を引き起こします。

この疾患の代表的な症状は、蓄積したプロトポルフィリンが光を吸収して有害な活性酸素を発生させることによる強い光線過敏症です。日光などに当たると皮膚に痛みや腫れなどが現れます。また、水に溶けにくい性質を持つため、肝臓に沈着・蓄積しやすく、これが原因となって胆石を形成することもあります。プロトポルフィリンは水溶性が低いために尿中への排泄が少なく、血液や糞便中に排泄されます。そのため、プロトポルフィリン症の診断には、血液や糞便サンプル中のプロトポルフィリン濃度を測定し、特に蛍光反応を調べる方法が用いられます。

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