Биологические пигменты , также известные просто как пигменты или биохромы , [1] представляют собой вещества, вырабатываемые живыми организмами, которые имеют цвет , возникающий 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 длительных периодов 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 селективного отражения или переливчатости , обычно из-за многослойных структур. Например, крылья бабочек обычно содержат структурный цвет, хотя у многих бабочек есть клетки, которые также содержат пигмент. [3]
См. сопряженные системы для химии электронных связей, которая обуславливает наличие пигмента в этих молекулах.
Основная функция пигментов в растениях — фотосинтез , в котором используется зеленый пигмент хлорофилл и несколько цветных пигментов, которые поглощают как можно больше световой энергии. [4] [5] Известно также, что пигменты играют роль в опылении, где накопление или потеря пигмента может привести к изменению цвета цветка , сигнализируя опылителям, какие цветы являются полезными и содержат больше пыльцы и нектара. [6]
Пигменты растений включают в себя множество молекул, таких как порфирины , каротиноиды , антоцианы и беталаины . Все биологические пигменты избирательно поглощают определенные длины волн света , отражая другие . [4] [5]
Основными пигментами, ответственными за это, являются:
Растения, в целом, содержат шесть вездесущих каротиноидов: неоксантин , виолаксантин , антераксантин , зеаксантин , лютеин и β-каротин . [7] Лютеин — это желтый пигмент, содержащийся во фруктах и овощах, и является наиболее распространенным каротиноидом в растениях. Ликопин — это красный пигмент, отвечающий за цвет томатов . Другие менее распространенные каротиноиды в растениях включают эпоксид лютеина (во многих древесных видах), лактаксантин (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 осенью приобретают различные оттенки красного , желтого , фиолетового и коричневого цветов . [9]
Хлорофиллы распадаются на бесцветные тетрапирролы , известные как нефлуоресцентные катаболиты хлорофилла (NCC). [10] По мере распада преобладающих хлорофиллов раскрываются скрытые пигменты желтых ксантофиллов и оранжевого бета-каротина . Эти пигменты присутствуют в течение всего года, но красные пигменты, антоцианы , синтезируются de novo после того, как примерно половина хлорофилла распалась. Аминокислоты , высвобождаемые при распаде светособирающих комплексов, хранятся всю зиму в корнях, ветвях, стеблях и стволе дерева до следующей весны, когда они перерабатываются для повторного появления листьев на дереве.
Водоросли — очень разнообразные фотосинтетические организмы, которые отличаются от растений тем, что являются водными организмами, не имеют сосудистой ткани и не производят эмбрион. Однако оба типа организмов обладают фотосинтетическими пигментами, которые поглощают и выделяют энергию, которая впоследствии используется клеткой. Эти пигменты, помимо хлорофиллов, представляют собой фикобилипротеины, фукоксантины, ксантофиллы и каротины, которые служат для улавливания энергии света и направления ее к первичному пигменту, который отвечает за инициирование реакций оксигенного фотосинтеза.
Фототрофы водорослей, такие как динофлагелляты, используют перидинин в качестве пигмента, собирающего свет. Хотя каротиноиды можно обнаружить в комплексах с хлорофилл-связывающими белками, такими как фотосинтетические реакционные центры и комплексы, собирающие свет , они также встречаются в специализированных 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 а , хлорофилл d и хлорофилл f. Пурпурные серные бактерии производят бактериохлорофилл а и бактериохлорофилл b. [11] У цианобактерий существует много других каротиноидов, таких как кантаксантин , миксоксантофилл , синекоксантин и эхиненон .
Пигментация используется многими животными для защиты, посредством камуфляжа , мимикрии или предупреждающей окраски . Некоторые животные, включая рыб, земноводных и головоногих, используют пигментированные хроматофоры для обеспечения камуфляжа, который меняется в зависимости от фона.
Пигментация используется в сигнализации между животными, например, в ухаживании и репродуктивном поведении . Например, некоторые головоногие используют свои хроматофоры для общения.
Фотопигмент родопсин улавливает свет , что является первым шагом в восприятии света.
Пигменты кожи, такие как меланин, могут защищать ткани от солнечных ожогов, вызванных ультрафиолетовым излучением.
Однако некоторые биологические пигменты у животных, такие как гемовые группы, помогающие переносить кислород в крови, окрашены в результате случайности. Их цвет не имеет защитной или сигнальной функции.
Гороховая тля ( Acyrthosiphon pisum ), [12] двупятнистый паутинный клещ ( Tetranychus urticae ), [13] [14] и галлицы (семейство Cecidomyiidae) [15] являются единственными известными животными, способными синтезировать каротиноиды. Наличие генов для синтеза каротиноидов у этих членистоногих было приписано независимым событиям горизонтального переноса генов (HGT) от грибов. [15] [16]
У людей и животных наблюдается целый ряд заболеваний и аномальных состояний, связанных с пигментацией, которые возникают либо из-за отсутствия или потери пигментации или пигментных клеток, либо из-за избыточной выработки пигмента.
Каротиноиды — наиболее распространенная группа пигментов, встречающихся в природе. [18] Более 600 различных видов каротиноидов обнаружены в животных, растениях и микроорганизмах.
Морские животные не способны вырабатывать собственные каротиноиды и поэтому полагаются на растения для получения этих пигментов. 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 камуфляжа. Существует два основных типа каротинопротеинов: тип A и тип B. Тип A имеет каротиноиды (хромоген), которые стехиометрически связаны с простым белком (гликопротеином). Второй тип, тип B, имеет каротиноиды, которые связаны с липопротеином и обычно менее стабильны. В то время как тип A обычно встречается на поверхности (раковинах и коже) морских беспозвоночных, тип B обычно находится в яйцах, яичниках и крови. Цвета и характерное поглощение этих комплексов каротинопротеинов основаны на химическом связывании хромогена и белковых субъединиц.
Например, синий каротинопротеин, линкиацианин, имеет около 100-200 молекул каротиноидов на каждый комплекс. [19] Кроме того, функции этих пигмент-белковых комплексов также изменяют их химическую структуру. Каротинопротеины, которые находятся внутри фотосинтетической структуры, более распространены, но сложны. Пигмент-белковые комплексы, которые находятся вне фотосинтетической системы, менее распространены, но имеют более простую структуру. Например, в медузе Velella velella есть только два таких синих астаксантин-белка , содержащих всего около 100 каротиноидов на комплекс. [ необходима цитата ]
Распространенным каротиноидом у животных является астаксантин , который выделяет фиолетово-синий и зеленый пигмент. Цвет астаксантина формируется путем создания комплексов с белками в определенном порядке. Например, крустохрин имеет около 20 молекул астаксантина, связанных с белком. Когда комплексы взаимодействуют посредством экситон-экситонного взаимодействия, он снижает максимум поглощения, изменяя различные цветовые пигменты.
В лобстерах присутствуют различные типы комплексов астаксантин-белок. Первый из них — крустацианин (макс. 632 нм), сине-серый пигмент, обнаруженный в панцире лобстера. Второй — крустохрин (макс. 409), желтый пигмент, обнаруженный на внешнем слое панциря. Наконец, липогликопротеин и ововердин образуют ярко-зеленый пигмент, который обычно присутствует во внешних слоях панциря и яйцах лобстера. [20] [21]
Тетрапирролы являются следующей наиболее распространенной группой пигментов. [ необходима цитата ] Они имеют четыре пиррольных кольца, каждое из которых состоит из C 4 H 4 NH. Основная роль тетрапирролов заключается в их связи в процессе биологического окисления. Тетрапирролы играют важную роль в переносе электронов и действуют как замена для многих ферментов. Они также играют роль в пигментации тканей морских организмов.
Меланин [22] — это класс соединений, которые служат пигментом с различными структурами, отвечающими за темные, коричневые, желтоватые / красноватые пигменты у морских животных. Он вырабатывается, когда аминокислота тирозин преобразуется в меланин, который находится в коже, волосах и глазах. Полученные в результате аэробного окисления фенолов, они являются полимерами.
Существует несколько различных типов меланинов, учитывая, что они представляют собой совокупность более мелких молекул-компонентов, таких как азотсодержащие меланины. Существует два класса пигментов: черные и коричневые нерастворимые эумеланины, которые образуются в результате аэробного окисления тирозина в присутствии тирозиназы, и щелочерастворимые феомеланины, которые варьируются от желтого до красно-коричневого цвета, возникающие в результате отклонения пути эумеланина посредством вмешательства цистеина и/или глутатиона. Эумеланины обычно находятся в коже и глазах. Несколько различных меланинов включают меланопротеин (темно-коричневый меланин, который хранится в высоких концентрациях в чернильном мешке каракатицы Sepia Officianalis), echinoidea (встречается в плоских морских ежах и сердцах морских ежей), holothuroidea (встречается в морских огурцах) и ophiuroidea (встречается в офиурах и змеехвостках). Эти меланины, возможно, являются полимерами, которые возникают из повторяющегося соединения простых биполифункциональных мономерных промежуточных соединений или с высоким молекулярным весом. Соединения бензотиазола и тетрагидроизохинолиновых кольцевых систем действуют как УФ-поглощающие соединения.
Единственный источник света в глубоком море, морские животные испускают видимую световую энергию, называемую биолюминесценцией [23] , подвид хемилюминесценции . Это химическая реакция, в которой химическая энергия преобразуется в световую энергию. По оценкам, 90% глубоководных животных производят тот или иной вид биолюминесценции. Учитывая, что большая часть видимого спектра света поглощается до того, как достигает глубины моря, большая часть испускаемого морскими животными света является синим и зеленым. Однако некоторые виды могут испускать красный и инфракрасный свет, и даже был обнаружен род, который, как было обнаружено, испускает желтую биолюминесценцию. Орган, который отвечает за испускание биолюминесценции, известен как фотофоры. Этот тип присутствует только у кальмаров и рыб и используется для освещения их брюшных поверхностей, что маскирует их силуэты от хищников. Использование фотофоров у морских животных различается, например, линзы для управления интенсивностью цвета и интенсивностью производимого света. У кальмаров есть как фотофоры, так и хроматофоры, которые контролируют обе эти интенсивности. Еще одна вещь, которая отвечает за излучение биолюминесценции, которая очевидна во вспышках света, которые испускают медузы , начинается с люциферина (фотогена) и заканчивается излучателем света (фотогогиконом). Люциферин, люцифераза, соль и кислород реагируют и объединяются, чтобы создать единую единицу, называемую фотопротеинами, которая может производить свет при реакции с другой молекулой, такой как Ca+. Медузы используют это как защитный механизм; когда более мелкий хищник пытается поглотить медузу, она мигает своими огнями, что, таким образом, заманивает более крупного хищника и прогоняет более мелкого хищника. Это также используется в качестве брачного поведения.
В рифообразующих кораллах и актиниях они флуоресцируют; свет поглощается на одной длине волны и переизлучается на другой. Эти пигменты могут действовать как естественные солнцезащитные экраны, помогать в фотосинтезе, служить предупреждающей окраской, привлекать партнеров, предупреждать соперников или сбивать с толку хищников.
Хроматофоры — это клетки, изменяющие цвет пигмента, которые напрямую стимулируются центральными двигательными нейронами. Они в основном используются для быстрой адаптации к окружающей среде для маскировки. Процесс изменения цветового пигмента их кожи зависит от одной высокоразвитой клетки хроматофора и множества мышц, нервов, глиальных и оболочечных клеток. Хроматофоры сокращаются и содержат пузырьки, которые хранят три различных жидких пигмента. Каждый цвет обозначается тремя типами клеток хроматофора: эритрофоры , меланофоры и ксантофоры . Первый тип — это эритрофоры, которые содержат красноватые пигменты, такие как каротиноиды и птеридины. Второй тип — это меланофоры, которые содержат черные и коричневые пигменты, такие как меланины. Третий тип — это ксантофоры, которые содержат желтые пигменты в форме каротиноидов. Различные цвета создаются путем сочетания различных слоев хроматофоров. Эти клетки обычно располагаются под кожей или чешуей животных. Существует две категории цветов, генерируемых клеткой, — биохромы и схематохромы. Биохромы — это цвета, химически образованные микроскопическими, природными пигментами. Их химический состав создан для того, чтобы принимать часть цвета света и отражать остальное. Напротив, схематохромы (структурные цвета) — это цвета, созданные путем отражения света от бесцветной поверхности и преломления тканями. Схематохромы действуют как призмы, преломляя и рассеивая видимый свет в окружающую среду, которая в конечном итоге будет отражать определенную комбинацию цветов. Эти категории определяются движением пигментов внутри хроматофоров. Физиологические изменения цвета являются кратковременными и быстрыми, встречаются у рыб и являются результатом реакции животного на изменение окружающей среды. Напротив, морфологические изменения цвета являются долгосрочными изменениями, происходят на разных стадиях развития животного и обусловлены изменением количества хроматофоров. Чтобы изменить цвет пигментов, прозрачность или непрозрачность, клетки изменяют форму и размер, а также растягивают или сжимают свою внешнюю оболочку.
Из-за повреждений от УФ-А и УФ-В морские животные эволюционировали, чтобы иметь соединения, которые поглощают УФ-свет и действуют как солнцезащитный крем. Микоспориноподобные аминокислоты (МАА) могут поглощать УФ-лучи в диапазоне 310-360 нм. Меланин - еще один известный УФ-протектор. Каротиноиды и фотопигменты оба косвенно действуют как фотозащитные пигменты, поскольку они подавляют свободные радикалы кислорода. Они также дополняют фотосинтетические пигменты, которые поглощают световую энергию в синей области.
Известно, что животные используют свои цветовые узоры, чтобы отпугивать хищников, однако было замечено, что пигмент губки имитировал химическое вещество, которое участвовало в регуляции линьки амфипода, который, как известно, охотился на губок. Таким образом, всякий раз, когда амфипод съедал губку, химические пигменты предотвращали линьку, и амфипод в конечном итоге умирал.
Окраска беспозвоночных варьируется в зависимости от глубины, температуры воды, источника пищи, течений, географического положения, освещенности и седиментации. Например, количество каротиноидов у некоторых актиний уменьшается по мере погружения в океан. Таким образом, морская жизнь, обитающая в более глубоких водах, менее яркая, чем организмы, обитающие в хорошо освещенных местах, из-за уменьшения пигментов. В колониях колониального симбиоза асцидий и цианофитов Trididemnum solidum их цвета различаются в зависимости от светового режима, в котором они живут. Колонии, которые подвергаются воздействию полного солнечного света, сильно кальцинированы, толще и имеют белый цвет. Напротив, колонии, обитающие в затененных местах, имеют больше фикоэритрина (пигмента, поглощающего зеленый цвет) по сравнению с фикоцианином (пигментом, поглощающим красный цвет), тоньше и имеют фиолетовый цвет. Фиолетовый цвет затененных колоний обусловлен в основном фикобилином — пигментом водорослей, то есть изменение освещенности изменяет цвет этих колоний.
Апосематизм — это предупреждающая окраска, которая подает потенциальным хищникам сигнал держаться подальше. Многие хромодоридовые голожаберники 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 цветовых узоров. Жертвы также защищают себя с помощью своих токсичных соединений, варьирующихся от различных органических и неорганических соединений.
Пигменты морских животных выполняют несколько различных функций, помимо защитных. Известно, что некоторые пигменты защищают от УФ-излучения (см. фотозащитные пигменты). У голожаберника Nembrotha Kubaryana тетрапирроловый пигмент 13 оказался мощным антимикробным агентом. Также у этого существа тамджамины A, B, C, E и F проявили антимикробную, противоопухолевую и иммунодепрессивную активность.
Сесквитерпеноиды известны своим синим и фиолетовым цветом, но также сообщалось, что они проявляют различные биологические активности, такие как антибактериальная, иммунорегулирующая, антимикробная и цитотоксическая, а также ингибиторная активность против деления клеток в оплодотворенных яйцах морского ежа и асцидии. Было показано, что несколько других пигментов являются цитотоксичными. Фактически, два новых каротиноида, которые были выделены из губки под названием Phakellia stelliderma, показали слабую цитотоксичность против клеток лейкемии мышей. Другие пигменты с медицинским участием включают сцитонемин , топсентины и дебромгимениалдизин, имеют несколько ведущих соединений в области воспаления, ревматоидного артрита и остеоартрита соответственно. Есть доказательства того, что топсентины являются мощными медиаторами иммуногенной инфляции, а топсентин и сцитонемин являются мощными ингибиторами нейрогенного воспаления.
Пигменты можно извлекать и использовать в качестве красителей .
Пигменты (такие как астаксантин и ликопин) используются в качестве пищевых добавок.