Pigmenty

Motýl modrásek morfový, který pochází ze Střední Ameriky, získává své výrazné modré zbarvení spíše díky iridescenci než díky pigmentaci.

Biologické pigmenty, známé také jako pigmenty nebo biochromy, jsou látky produkované živými organismy, jejichž barva vzniká selektivní absorpcí barvy. Mezi biologické pigmenty patří rostlinné a květinové pigmenty. Mnoho biologických struktur, jako je kůže, oči, srst a vlasy, obsahuje pigmenty, jako je melanin, ve specializovaných buňkách zvaných chromatofory.

Barva pigmentu se liší od barvy struktury tím, že je stejná pro všechny úhly pohledu, zatímco barva struktury je výsledkem selektivního odrazu nebo duhovky, obvykle v důsledku vícevrstvých struktur. Například motýlí křídla obvykle obsahují strukturální barvu, ačkoli mnoho motýlů má buňky, které obsahují i pigment.

Pigmentace slouží mnoha živočichům k ochraně, a to jako maskování, mimikry nebo výstražné zbarvení. Někteří živočichové včetně ryb, obojživelníků a hlavonožců používají pigmentované chromatofory k maskování, které se mění podle pozadí.

Pigmentace slouží k signalizaci mezi zvířaty, například při námluvách a reprodukčním chování. Například někteří hlavonožci používají ke komunikaci chromatofory.

Fotopigment rodopsin zachycuje světlo jako první krok při vnímání světla.

Kožní pigmenty, jako je melanin, mohou chránit tkáně před spálením ultrafialovým zářením.

Některé biologické struktury u živočichů, například hemové skupiny, které pomáhají přenášet kyslík v krvi, jsou však barevné v důsledku své struktury. Jejich barva nemá ochrannou nebo signalizační funkci.

U lidí a zvířat se vyskytuje řada onemocnění a abnormálních stavů, které se týkají pigmentace, a to buď z důvodu absence nebo ztráty pigmentu či pigmentových buněk, nebo z důvodu nadměrné produkce pigmentu.

Pigmenty u mořských živočichů

Karotenoidy/karotenoprotein

Karotenoidy jsou nejběžnější skupinou pigmentů, které se vyskytují v přírodě. U živočichů a rostlin se vyskytuje více než 600 různých druhů karotenoidů. V rostlinách jsou karotenoidy zodpovědné za fotoochranu, sklízení světla a vychytávání singletového kyslíku v procesu fotosyntézy. Tento pigment se obvykle nachází v chloroplastech rostlin a dalších fotosyntetizujících organismů, jako jsou řasy, houby a některé bakterie. Na druhou stranu živočichové nejsou schopni vytvářet vlastní karotenoidy. Jsou tedy odkázáni na rostliny, které jim tyto pigmenty dodávají.

Karotenoidy tvoří komplexy s bílkovinami, které se nazývají karotenoproteiny. Tyto komplexy jsou běžné u mořských živočichů. Komplexy karotenoproteinů jsou zodpovědné za různé barvy (červenou, fialovou, modrou, zelenou atd.), které tito mořští bezobratlí používají při páření a maskování. Existují dva hlavní typy karotenoproteinů: Typ A a typ B. Typ A obsahuje karotenoidy (chromogen), které jsou stechiometricky spojeny s jednoduchou bílkovinou (glykoproteinem). Druhý typ, typ B, má karotenoidy, které jsou spojeny s lipoproteinem a jsou obvykle méně stabilní. Zatímco typ A se běžně vyskytuje na povrchu (ve skořápkách a kůži) mořských bezobratlých, typ B je obvykle ve vajíčkách, vaječnících a krvi. Barvy a charakteristická absorpce těchto karotenoproteinových komplexů jsou založeny na chemické vazbě chromogenu a bílkovinných podjednotek.

Například modrý karotenoprotein linckiacyanin má v každém komplexu asi 100-200 molekul karotenoidů.
Kromě toho funkce těchto pigment-proteinových komplexů mění také jejich chemickou strukturu. Karotenoproteiny, které jsou v rámci fotosyntetické struktury, jsou častější, ale složitější. Pigment-proteinové komplexy, které jsou mimo fotosyntetický systém, jsou méně časté, ale mají jednodušší strukturu. Například u medúzy Velella velella jsou pouze dva takové modré astaxanthin-proteiny, které obsahují pouze asi 100 karotenoidů v komplexu.

Nejběžnějším karotenoproteinem je astaxantin, který vytváří fialovomodré a zelené barvivo. Barva astaxanthinu vzniká vytvářením komplexů s bílkovinami v určitém pořadí. Například krustochrin má přibližně 20 molekul astaxanthinu spojených s bílkovinami. Když komplexy interagují interakcí exciton-exciton, snižuje se absorpční maximum, čímž se mění různé barvy pigmentů.

V humrech jsou přítomny různé typy komplexů astaxantinu a bílkovin. Prvním z nich je crustacyanin (max. 632 nm), břidlicově modrý pigment, který se nachází v humřím krunýři. Druhým je crustochrin (max. 409), žlutý pigment, který se nachází na vnější vrstvě karapaxu. A konečně lipoglykoprotein a ovoverdin tvoří jasně zelený pigment, který se obvykle nachází ve vnějších vrstvách karapaxu a v humřích vajíčkách.

Další nejběžnější skupinou pigmentů jsou tetrapyrroly. Mají čtyři pyrrolové kruhy, přičemž každý kruh se skládá z C4H4NH. Hlavní úlohou tetrapyrrolů je jejich zapojení do biologického oxidačního procesu. Tetrapyrroly mají významnou úlohu v transportu elektronů a působí jako náhrada mnoha enzymů. Kromě toho mají také úlohu při pigmentaci tkání mořských organismů.

Melanin je třída sloučenin, které slouží jako pigment s různými strukturami, které jsou zodpovědné za tmavé, opálené, žlutavé a načervenalé pigmenty u mořských živočichů. Vzniká přeměnou aminokyseliny tyrosinu na melanin, který se nachází v kůži, vlasech a očích. Vznikají aerobní oxidací fenolů, jsou to polymery.

Existuje několik různých typů melaninů, které jsou agregátem menších složek, jako jsou například melaniny obsahující dusík. Existují dvě třídy pigmentů: černé a hnědé nerozpustné eumelaniny, které vznikají aerobní oxidací tyrosinu za přítomnosti tyrosinázy, a alkalicky rozpustné feomelaniny, které mají žlutou až červenohnědou barvu a vznikají odchylkou od eumelaninové cesty za účasti cysteinu a/nebo glutathionu. Eumelaniny se obvykle nacházejí v kůži a očích. Mezi několik různých melaninů patří melanoprotein (tmavě hnědý melanin, který je ve vysoké koncentraci uložen v inkoustovém vaku sépie Sepia Officianalis), echinoidea (vyskytuje se v písečných dolarech a srdcích mořských ježků), holothuroidea (vyskytuje se v mořských okurkách) a ophiuroidea (vyskytuje se v hvězdicích křehkých a hadích). Tyto melaniny jsou pravděpodobně polymery, které vznikají opakovaným spojováním jednoduchých bi-polyfunkčních monomdrických meziproduktů nebo vysokých molekulových hmotností. Sloučeniny s benzothiazolovým a tetrahydroisochinolinovým kruhovým systémem působí jako sloučeniny pohlcující UV záření. Existuje několik různých typů melaninů vzhledem k tomu, že jsou agregátem menších složkových molekul, jako jsou melaniny obsahující dusík.

Korály a mořské sasanky, které budují útesy, fluoreskují; světlo je absorbováno při jedné vlnové délce a znovu vyzářeno při jiné. Tyto pigmenty mohou fungovat jako přirozené sluneční filtry, pomáhat při fotosyntéze, sloužit jako výstražné zbarvení, lákat partnery, varovat soupeře nebo mást predátory.

Fotoochranné pigmenty

Kvůli poškození UV-A a UV-B se u mořských živočichů vyvinuly sloučeniny, které absorbují UV záření a fungují jako ochrana proti slunečnímu záření. Aminokyseliny podobné mykosporinu (MAA) mohou absorbovat UV záření o vlnové délce 310-360 nm. Dalším známým ochranným prostředkem proti UV záření je melanin. Karotenoidy a fotopigmenty působí nepřímo jako fotoprotektivní pigmenty, protože zhášejí volné kyslíkové radikály. Doplňují také fotosyntetické pigmenty, které absorbují světelnou energii v modré oblasti.

Obranná role pigmentů

Je známo, že živočichové používají své barevné vzory k varování predátorů, nicméně bylo pozorováno, že pigment houby napodobuje chemickou látku, která se podílí na regulaci pelichání obojživelníka, o němž bylo známo, že se živí houbami. Kdykoli tedy tento obojživelník houbu sežere, chemické pigmenty zabrání vylínání a obojživelník nakonec uhyne.

Vliv prostředí na barvu

Aposematismus je varovné zbarvení, které signalizuje potenciálním predátorům, aby se drželi dál. U mnoha chromodroridních nudibranchů přijímají nechutné a toxické chemické látky vylučované houbami a ukládají je do svých repugnátorních žláz (umístěných na okraji pláště). Predátoři nudibranchů se naučili vyhýbat se těmto některým nudibranchům na základě jejich jasných barevných vzorů. Kořist se také chrání svými toxickými sloučeninami z řady organických a anorganických sloučenin.

Fyziologické aktivity pigmentu

Pigmenty mořských živočichů mají několik různých účelů, kromě obranné role. Některé pigmenty chrání před UV zářením (viz fotoochranné pigmenty). U nudibranche Nembrotha Kubaryana byl zjištěn tetrapyrrolový pigment 13 jako silná antimikrobiální látka. Také u tohoto tvora tamjamíny A, B, C, E a F (obr. 79a-e) prokázaly antimikrobiální, protinádorovou a imunosupresivní aktivitu.

Seskviterpenoidy jsou známé pro svou modrou a fialovou barvu, ale také pro své různé bioaktivity, jako jsou antibakteriální, imunoregulační, antimikrobiální a cytotoxické účinky a inhibiční aktivita proti dělení buněk v oplodněných vajíčkách mořských ježků a ascidií. U několika dalších pigmentů byla prokázána cytotoxická aktivita. Dva nové karotenoidy, které byly izolovány z houby Phakellia stelliderma, totiž vykazovaly mírnou cytotoxicitu vůči myším leukemickým buňkám. Mezi další pigmenty s lékařským významem patří scytonemin, topsentin a debromohymenialdisin, které mají několik hlavních sloučenin v oblasti zánětů, revmatoidní artritidy, respektive osteoartritidy. Existují důkazy, že topsentiny jsou silnými mediátory imunogenního zánětu a topsentin a scytonemin jsou silnými inhibitory neurogenního zánětu.

U lidí a zvířat vzniká celá řada onemocnění a abnormálních stavů, které se týkají pigmentace, a to buď v důsledku absence nebo ztráty pigmentu či pigmentových buněk, nebo v důsledku nadměrné produkce pigmentu.