Биологические пигменты , также известные как пигменты или биохромы , [1] представляют собой вещества, вырабатываемые живыми организмами, которые имеют цвет в результате избирательного поглощения цвета . Биологические пигменты включают растительные пигменты и цветочные пигменты . Многие биологические структуры, такие как кожа , глаза , перья , мех и волосы , содержат пигменты, такие как меланин, в специализированных клетках, называемых хроматофорами . У некоторых видов пигменты накапливаются в течение очень длительного периода времени в течение жизни особи. [2]
Цвет пигмента отличается от структурного цвета тем, что он одинаков для всех углов обзора, тогда как структурный цвет является результатом избирательного отражения или переливчатости , обычно из-за многослойных структур. Например, крылья бабочки обычно содержат структурный цвет, хотя у многих бабочек есть клетки, которые также содержат пигмент. [3]
См. Сопряженные системы , чтобы узнать о химии электронных связей, которая заставляет эти молекулы иметь пигмент.
Основная функция пигментов в растениях — фотосинтез , при котором используется зеленый пигмент хлорофилл и несколько красочных пигментов, которые поглощают как можно больше световой энергии. [4] [5] Также известно, что пигменты играют роль в опылении, когда накопление или потеря пигмента может привести к изменению цвета цветков , сигнализируя опылителям, какие цветы приносят пользу и содержат больше пыльцы и нектара. [6]
Растительные пигменты включают множество молекул, таких как порфирины , каротиноиды , антоцианы и беталаины . Все биологические пигменты избирательно поглощают определенные длины волн света и отражают другие. [4] [5]
Основными пигментами, ответственными за это, являются:
Растения, как правило, содержат шесть вездесущих каротиноидов: неоксантин , виолаксантин , антераксантин , зеаксантин , лютеин и β-каротин . [7] Лютеин — это желтый пигмент, содержащийся во фруктах и овощах, и самый распространенный каротиноид в растениях. Ликопин — красный пигмент, отвечающий за цвет томатов . Другие менее распространенные каротиноиды в растениях включают эпоксид лютеина (во многих древесных породах), лактукаксантин (содержится в салате) и альфа-каротин (содержится в моркови). [8]
Особенно заметное проявление пигментации у растений наблюдается при осенней окраске листьев — явлении, которое затрагивает обычно зеленые листья многих лиственных деревьев и кустарников , в результате чего они в течение нескольких недель осеннего сезона приобретают различные оттенки красного , желтого , фиолетовый и коричневый . [9]
Хлорофиллы распадаются на бесцветные тетрапирролы , известные как нефлуоресцентные катаболиты хлорофилла (NCC). [10] По мере распада преобладающих хлорофиллов выявляются скрытые пигменты желтых ксантофиллов и оранжевого бета-каротина . Эти пигменты присутствуют в течение всего года, но красные пигменты, антоцианы , синтезируются заново , как только примерно половина хлорофилла разлагается. Аминокислоты , высвобождаемые в результате распада светособирающих комплексов, сохраняются всю зиму в корнях, ветвях, стеблях и стволе дерева до следующей весны, когда они перерабатываются для повторной переработки листьев дерева.
Водоросли — весьма разнообразные фотосинтезирующие организмы, отличающиеся от растений тем, что являются водными организмами, не имеют сосудистой ткани и не образуют зародыша. Однако оба типа организмов обладают фотосинтетическими пигментами, которые поглощают и выделяют энергию, которая позже используется клеткой. Этими пигментами, помимо хлорофиллов, являются фикобилипротеины, фукоксантины, ксантофиллы и каротины, которые служат улавливанием энергии света и приводят ее к первичному пигменту, отвечающему за инициацию оксигенных реакций фотосинтеза.
Водорослевые фототрофы, такие как динофлагелляты, используют перидинин в качестве светособирающего пигмента. Хотя каротиноиды можно обнаружить в комплексах с хлорофиллсвязывающими белками, такими как фотосинтетические реакционные центры и светособирающие комплексы , они также обнаруживаются в специальных каротиноидных белках, таких как оранжевый каротиноидный белок цианобактерий.
Бактерии производят пигменты, такие как каротиноиды , меланин , виолацеин , продигиозин , пиоцианин , актинородин и зеаксантин . Цианобактерии производят фикоцианин , фикоэритрин , сцитонемин , хлорофилл a , хлорофилл d и хлорофилл f. Пурпурные серобактерии производят бактериохлорофилл а и бактериохлорофилл b. [11] В цианобактериях существует множество других каротиноидов, таких как кантаксантин , миксоксантофилл , синехоксантин и эхиненон .
Пигментация используется многими животными для защиты посредством маскировки , мимикрии или предупреждающей окраски . Некоторые животные, в том числе рыбы, амфибии и головоногие моллюски, используют пигментированные хроматофоры для обеспечения камуфляжа, который варьируется в зависимости от фона.
Пигментация используется для передачи сигналов между животными, например, при ухаживании и репродуктивном поведении . Например, некоторые головоногие моллюски используют свои хроматофоры для общения.
Фотопигмент родопсин перехватывает свет на первом этапе восприятия света.
Пигменты кожи, такие как меланин , могут защищать ткани от солнечных ожогов ультрафиолетовым излучением.
Однако некоторые биологические пигменты у животных, такие как гемовые группы, которые помогают переносить кислород в крови, окрашиваются случайно. Их цвет не несет защитной или сигнальной функции.
Гороховая тля ( Acyrthosiphon pisum ), [12] паутинный клещ двупятнистый ( Tetranychus urticae ), [13] [14] и галлицы (семейство Cecidomyiidae) [15] — единственные известные животные, способные синтезировать каротиноиды. Присутствие генов синтеза каротиноидов у этих членистоногих объясняется независимыми событиями горизонтального переноса генов (HGT) от грибов. [15] [16]
Различные заболевания и аномальные состояния, связанные с пигментацией, возникают у людей и животных либо из-за отсутствия или потери пигментации или пигментных клеток, либо из-за избыточного производства пигмента.
Каротиноиды — наиболее распространенная группа пигментов, встречающихся в природе. [18] Более 600 различных видов каротиноидов обнаружены у животных, растений и микроорганизмов.
Морские животные не способны вырабатывать собственные каротиноиды и поэтому получают эти пигменты из растений. Каротинопротеины особенно распространены среди морских животных. Эти комплексы отвечают за различные цвета (красный, фиолетовый, синий, зеленый и т. д.) этих морских беспозвоночных для брачных ритуалов и маскировки. Существует два основных типа каротинопротеинов: тип А и тип В. Тип А содержит каротиноиды (хромоген), которые стехиометрически связаны с простым белком (гликопротеином). Второй тип, тип B, содержит каротиноиды, которые связаны с липобелком и обычно менее стабильны. В то время как тип A обычно встречается на поверхности (раковинах и коже) морских беспозвоночных, тип B обычно встречается в яйцах, яичниках и крови. Цвета и характерное поглощение этих каротинопротеиновых комплексов основаны на химическом связывании хромогена и белковых субъединиц.
Например, синий каротинпротеин линкиацианин содержит около 100-200 молекул каротиноидов на каждый комплекс. [19] Кроме того, функции этих пигментно-белковых комплексов также меняют их химическую структуру. Каротинопротеины, находящиеся в фотосинтетической структуре, более распространены, но сложны. Пигментно-белковые комплексы, находящиеся вне фотосинтетической системы, встречаются реже, но имеют более простое строение. Например, у медузы Velella velella только два таких синих белка-астаксантина , каждый комплекс содержит всего около 100 каротиноидов. [ нужна цитата ]
Распространенным каротиноидом у животных является астаксантин , который выделяет пурпурно-синий и зеленый пигмент. Цвет астаксантина формируется за счет создания комплексов с белками в определенном порядке. Например, крутохрин имеет около 20 молекул астаксантина, связанных с белком. Когда комплексы взаимодействуют посредством экситон-экситонного взаимодействия, это снижает максимум поглощения, изменяя различные цветовые пигменты.
У омаров присутствуют различные типы астаксантин-белковых комплексов. Первый из них — ракоцианин (макс. 632 нм), грифельно-синий пигмент, обнаруженный в панцире омара. Второй — корстохрин (макс. 409), желтый пигмент, который находится на внешнем слое панциря. Наконец, липогликопротеин и ововердин образуют ярко-зеленый пигмент, который обычно присутствует во внешних слоях панциря и яйцах омара. [20] [21]
Тетрапирролы — следующая по распространенности группа пигментов. [ нужна цитация ] Они имеют четыре пиррольных кольца, каждое из которых состоит из C 4 H 4 NH. Основная роль тетрапирролов заключается в их участии в процессе биологического окисления. Тетрапирролы играют важную роль в транспорте электронов и заменяют многие ферменты. Они также играют роль в пигментации тканей морского организма.
Меланин [22] представляет собой класс соединений, служащих пигментом различной структуры, ответственным за темные, коричневые, желтоватые/красноватые пигменты у морских животных. Он образуется в результате превращения аминокислоты тирозина в меланин, который содержится в коже, волосах и глазах. Образующиеся в результате аэробного окисления фенолов, они являются полимерами.
Существует несколько различных типов меланинов, поскольку они представляют собой совокупность более мелких компонентных молекул, таких как азотсодержащие меланины. Существует два класса пигментов: черные и коричневые нерастворимые эумеланины, которые образуются в результате аэробного окисления тирозина в присутствии тирозиназы, и растворимые в щелочах феомеланины, цвет которых варьируется от желтого до красно-коричневого, возникающий в результате отклонения эумеланина. путь посредством вмешательства цистеина и/или глутатиона. Эумеланин обычно обнаруживается в коже и глазах. Несколько различных меланинов включают меланопротеин (темно-коричневый меланин, который хранится в высоких концентрациях в чернильном мешке каракатицы Sepia Officianalis), echinoidea (обнаружен в песчаных долларах и сердцах морских ежей), голотуроидеа (обнаружен в морских огурцах) и ophiuroidea (встречается в хрупких и змеиных звездах). Эти меланины, возможно, представляют собой полимеры, которые возникают в результате многократного сочетания простых биполифункциональных мономерных промежуточных продуктов или высокомолекулярных соединений. Соединения бензотиазольной и тетрагидроизохинолиновой кольцевых систем действуют как соединения, поглощающие УФ-излучение.
Морские животные, единственный источник света в глубоководном море, испускают видимую световую энергию, называемую биолюминесценцией , [23] разновидностью хемилюминесценции . Это химическая реакция, в которой химическая энергия преобразуется в энергию света. Подсчитано, что 90% глубоководных животных производят ту или иную биолюминесценцию. Учитывая, что большая часть видимого спектра света поглощается еще до того, как он достигает глубокого моря, большая часть света, излучаемого морскими животными, имеет синий и зеленый цвета. Однако некоторые виды могут излучать красный и инфракрасный свет, и даже существует род, который излучает желтую биолюминесценцию. Орган, отвечающий за излучение биолюминесценции, известен как фотофор. Этот тип присутствует только у кальмаров и рыб и используется для освещения их брюшной поверхности, что маскирует их силуэты от хищников. Использование фотофоров у морских животных различается, например, линзы для контроля интенсивности цвета и интенсивности производимого света. У кальмаров есть как фотофоры, так и хроматофоры, которые контролируют обе эти интенсивности. Еще одна вещь, которая отвечает за излучение биолюминесценции, что проявляется во вспышках света, излучаемых медузами , которые начинаются с люциферина (фотогена) и заканчиваются излучателем света (фотогогиконом). Люциферин, люцифераза, соль и кислород. реагируют и объединяются, образуя единую единицу, называемую фотобелками, которая может производить свет при взаимодействии с другой молекулой, такой как Ca+. Медузы используют это как защитный механизм; когда меньший хищник пытается сожрать медузу, он мигает светом, что, следовательно, заманивает более крупного хищника и прогоняет меньшего хищника. Это также используется в качестве брачного поведения.
В кораллах, образующих рифы, и морских анемонах они флуоресцируют; свет поглощается на одной длине волны и повторно излучается на другой. Эти пигменты могут действовать как естественные солнцезащитные кремы, способствовать фотосинтезу, служить предупреждающей окраской, привлекать партнеров, предупреждать соперников или сбивать с толку хищников.
Хроматофоры — это клетки, изменяющие цветной пигмент, которые напрямую стимулируются центральными мотонейронами. В основном они используются для быстрой адаптации к окружающей среде для маскировки. Процесс изменения цветового пигмента их кожи опирается на одну высокоразвитую хроматофорную клетку и множество мышц, нервов, глиальных и оболочек. Хроматофоры сжимаются и содержат пузырьки, в которых хранятся три различных жидких пигмента. Каждый цвет обозначается тремя типами хроматофорных клеток: эритрофоры , меланофоры и ксантофоры . Первый тип — эритрофоры, содержащие красноватые пигменты, такие как каротиноиды и птеридины. Второй тип — меланофоры, содержащие черные и коричневые пигменты, такие как меланины. Третий тип — ксантофоры, содержащие желтые пигменты в виде каротиноидов. Различные цвета образуются за счет сочетания разных слоев хроматофоров. Эти клетки обычно расположены под кожей или в чешуе животных. Существует две категории цветов, генерируемых клеткой: биохромы и схематохромы. Биохромы — это цвета, химически образованные микроскопические природные пигменты. Их химический состав создан таким образом, чтобы воспринимать определенный цвет света и отражать остальной. Напротив, схематохромы (структурные цвета) — это цвета, создаваемые отражением света от бесцветной поверхности и преломлением тканей. Схематохромы действуют как призмы, преломляя и рассеивая видимый свет в окружающую среду, что в конечном итоге отражает определенную комбинацию цветов. Эти категории определяются движением пигментов внутри хроматофоров. Физиологические изменения цвета кратковременны и быстры, наблюдаются у рыб и являются результатом реакции животного на изменение окружающей среды. Напротив, морфологические изменения цвета являются долговременными изменениями, происходят на разных стадиях развития животного и обусловлены изменением числа хроматофоров. Чтобы изменить цветовые пигменты, прозрачность или непрозрачность, клетки меняют форму и размер, а также растягивают или сжимают свое внешнее покрытие.
Из-за повреждений, наносимых УФ-А и УФ-В, у морских животных появились соединения, которые поглощают УФ-свет и действуют как солнцезащитный крем. Микоспориноподобные аминокислоты (МАА) могут поглощать УФ-лучи с длиной волны 310–360 нм. Меланин – еще один известный защитник от ультрафиолета. Каротиноиды и фотопигменты косвенно действуют как фотозащитные пигменты, поскольку они гасят свободные радикалы кислорода. Они также дополняют фотосинтетические пигменты, поглощающие световую энергию в синей области.
Известно, что животные используют свои цветовые узоры, чтобы отпугивать хищников, однако было замечено, что пигмент губки имитировал химическое вещество, регулирующее линьку амфипод, которые, как известно, охотились на губки. Поэтому всякий раз, когда амфипод поедает губку, химические пигменты предотвращают линьку, и амфипод в конечном итоге умирает.
Окраска беспозвоночных варьируется в зависимости от глубины, температуры воды, источника пищи, течений, географического положения, освещенности и осадков. Например, количество каротиноидов в некоторых морских анемонах уменьшается по мере того, как мы погружаемся глубже в океан. Таким образом, морская жизнь, обитающая на более глубоких водах, менее блестящая, чем организмы, обитающие в хорошо освещенных местах, из-за уменьшения количества пигментов. В колониях колониального асцидийно-цианофитового симбиоза Trididemnum Solidum их окраска различна в зависимости от светового режима, в котором они обитают. Колонии, подвергающиеся воздействию яркого солнечного света, сильно кальцинируются, утолщаются и имеют белый цвет. Напротив, колонии, живущие в затененных областях, содержат больше фикоэритрина (пигмента, поглощающего зеленый цвет) по сравнению с фикоцианином (пигмента, поглощающего красный цвет), тоньше и имеют фиолетовый цвет. Фиолетовый цвет затененных колоний в основном обусловлен пигментом фикобилином водорослей, а это означает, что изменение освещенности меняет цвет этих колоний.
Апосематизм — это предупреждающая окраска, сигнализирующая потенциальным хищникам держаться подальше. У многих хромодоридных голожаберников они поглощают неприятные и токсичные химические вещества, выделяемые губками, и хранят их в своих отталкивающих железах (расположенных по краю мантии). Хищники голожаберников научились избегать этих определенных голожаберников из-за их ярких окрасок. Добычи также защищают себя своими токсичными соединениями, включая различные органические и неорганические соединения.
Пигменты морских животных служат нескольким различным целям, помимо защитной. Известно, что некоторые пигменты защищают от ультрафиолета (см. Фотозащитные пигменты). У голожаберной Nembrotha Kubaryana тетрапирроловый пигмент 13 оказался мощным противомикробным средством. Также у этого существа тамджамины A, B, C, E и F проявили противомикробную, противоопухолевую и иммуносупрессивную активность.
Сесквитерпеноиды известны своим синим и фиолетовым цветом, но также сообщается, что они проявляют различную биологическую активность, такую как антибактериальная, иммунорегулирующая, противомикробная и цитотоксическая, а также ингибирующая активность в отношении деления клеток в оплодотворенных морских ежах и яйцах асцидий. Было показано, что некоторые другие пигменты обладают цитотоксичностью. Фактически, два новых каротиноида, выделенные из губки под названием Phakellia stelliderma, продемонстрировали легкую цитотоксичность в отношении клеток лейкемии мышей. Другие пигменты, имеющие медицинское значение, включают сцитонемин , топсентин и дебромгимениалдизин, имеющие несколько ведущих соединений в области воспаления, ревматоидного артрита и остеоартрита соответственно. Имеются доказательства того, что топсентины являются мощными медиаторами иммуногенной инфляции, а топсентин и сцитонемин — мощными ингибиторами нейрогенного воспаления.
Пигменты можно экстрагировать и использовать в качестве красителей .
Пигменты (такие как астаксантин и ликопин) используются в качестве пищевых добавок.