I pigmenti biologici, semplicemente noti anche come pigmenti o biocromi, sono sostanze prodotte dagli organismi viventi, che appaiono colorate per effetto di un assorbimento selettivo della radiazione elettromagnetica visibile.
I pigmenti biologici includono fra gli altri i pigmenti delle piante e i pigmenti dei fiori. Molte strutture biologiche, quali la pelle, gli occhi, la pelliccia e i capelli, contengono pigmenti, come ad esempio la melanina, in cellule specializzate chiamate cromatofori e melanociti.
Il colore dei pigmenti differisce dal colore strutturale, per il fatto che appare identico da ogni angolo di vista, mentre il colore strutturale è il risultato di riflessioni selettive o dell'iridescenza, solitamente dovuta a strutture pluristratificate. Ad esempio, le ali delle farfalle hanno solitamente un colore strutturale, sebbene parecchie specie possiedano anche cellule contenenti pigmenti.
Pigmenti biologici Si riportano alcuni esempi di pigmenti biologici: pigmenti basati sulle strutture di eme o porfirina: clorofilla, bilirubina, emocianina, emoglobina, mioglobina pigmenti emettenti luce: luciferina carotenoidi: ematocromi (pigmenti delle alghe, costituiti da miscele di carotenoidi e loro derivati) caroteni: alfa- e beta-carotene, licopene, rodopsina xantofille: cantaxantina, zeaxantina, luteina di natura proteica: fitocromo, ficobiliproteine polieni enolati: una classe di pigmenti rossi specifica dei pappagalli altri: melanina, urocromo, flavonoidi, ecc.
Pigmenti nelle piante
La funzione primaria dei pigmenti nelle piante è la fotosintesi, processo che utilizza il pigmento verde clorofilla unitamente a parecchi pigmenti rossi e gialli, che aiutano a catturare la maggior quantità possibile di energia presente nella luce.
Fra le altre funzioni che i pigmenti svolgono nelle piante vi è l'attrazione degli insetti sui fiori per favorire l'impollinazione.
I pigmenti delle piante includono molte classi diverse di molecole, fra cui le porfirine, i carotenoidi, gli antociani e le betalaine.
Tutti i pigmenti biologici assorbono selettivamente certe lunghezze d'onda della luce, riflettendo tutte le altre. La luce assorbita può essere utilizzata dalla pianta per fornire energia necessaria per le reazioni chimiche, mentre le lunghezze d'onda riflesse della luce determinano il colore con il quale il pigmento apparirà all'occhio.
I principali pigmenti delle piante sono i seguenti: la clorofilla è il pigmento principale nelle piante; è una clorina che assorbe le lunghezze d'onda gialle e blu della luce, mentre riflette la luce verde. Il colore verde delle piante è proprio dato dalla presenza e dall'abbondanza relativa della clorofilla. Tutte le piante terrestri e le alghe verdi possiedono due forme di questo pigmento: la clorofilla a e la clorofilla b. Alghe brune, diatomee e altri Heterokonta fotosintetici contengono la clorofilla c invece della b, mentre le alghe rosse possiedono solo la clorofilla a. Tutte le clorofille servono come mezzi primari che le piante utilizzano per catturare la luce e mantenere la fotosintesi. i carotenoidi sono tetraterpenoidi rossi, arancioni o gialli. Essi funzionano da pigmenti accessori nelle piante, aiutando a sostenere la fotosintesi raccogliendo lunghezze d'onda della luce che la clorofilla non è in grado di assorbire. I carotenoidi più comuni sono il carotene (un pigmento arancione che si trova nelle carote) la luteina (un pigmento giallo che si trova in frutti e verdure) e il licopene (il pigmento rosso responsabile del colore dei pomodori). Si è dimostrato che i carotenoidi agiscono da antiossidanti e promuovono un aspetto salutare nell'uomo. le antocianine (letteralmente "fiore blu") sono pigmenti flavonoidi idrosolubili, di coloro da rosso a blu in funzione del pH. Sono presenti in tutti i tessuti delle piante superiori, dando origine al colore di foglie, fusti, radici, fiori e frutti, anche se non sempre in quantità sufficienti per essere interessanti. Le antocianine sono maggiormente visibili nei petali dei fiori, dove possono costituire fino al 30% in peso della sostanza secca. Ad esse si deve pure il colore viola osservabile sulla faccia inferiore delle piante ombrose tropicali come la Tradescantia zebrina; in queste piante, l'antocianina cattura la luce che ha attraversato la foglia e la riflette indietro verso le aree della foglia in cui c'è clorofilla, per massimizzare l'utilizzo della luce disponibile.
le betalaine sono pigmenti rossi o gialli. Come le antocianine sono solubili in acqua, ma a differenza di queste esse sono composti derivati dell'indolo sintetizzati a partire dalla tirosina. Questa classe di pigmenti è presente unicamente nelle piante dell'ordine Caryophyllales (inclusi i cactus e l'amaranto) e non è mai presente nelle piante in cui vi è la presenza di antocianine. Alle betalaine si deve anche il colore rosso scuro delle biete. Esse sono comunemente utilizzate come coloranti ad uso alimentare.
Una manifestazione particolarmente evidente della pigmentazione nelle piante è visibile con la colorazione autunnale delle foglie, un fenomeno che interessa le foglie normalmente verdi di molti alberi e cespugli caducifogli, quando, in poche settimane dell'autunno, esse assumono varie tinte di rosso, giallo, viola e marrone. Le clorofille si degradano negli incolori tetrapirroli, noti con il nome di "cataboliti della clorofilla non fluorescenti" (nonfluorescent chlorophyll catabolites - NCC). Quando le clorofille dominanti si degradano, emergono i pigmenti nascosti: il giallo delle xantofille e l'arancione del beta-carotene. Questi pigmenti sono presenti per tutto l'anno, ma i pigmenti rossi, le antocianine, sono sintetizzate de novo quando circa la metà della clorofilla è stata degradata. Gli amminoacidi liberati dalla degradazione dei complessi di raccolta della luce sono immagazzinati per tutto l'inverno nelle radici dell'albero, nei rami e in fusti e tronchi, fino alla primavera successiva, quando sono riutilizzati per la produzione delle nuove foglie.
Pigmenti negli animali
La pigmentazione è utilizzata da parecchi animali a scopi difensivi e protettivi, mediante il camuffamento, il mimetismo e l'aposematismo. Alcuni animali, tra i quali vi sono pesci, anfibi e cefalopodi, utilizzano cromatofori pigmentati per fornire il camuffamento che varia al fine di corrispondere allo sfondo.
La pigmentazione è anche usata nella segnalazione tra animali, come nel corteggiamento e nel comportamento riproduttivo. Ad esempio, alcuni cefalopodi utilizzano i loro cromatofori per comunicare.
Il fotopigmento rodopsina intercetta la luce, nel primo stadio della visione.
I pigmenti della pelle, come la melanina, possono proteggere i tessuti dalle ustioni causate dalla radiazione ultravioletta solare.
Comunque, alcune strutture biologiche degli animali, come i gruppi eme che veicolano l'ossigeno nel sangue, sono colorate a causa delle loro stesse strutture e il loro colore non ha alcuna funzione di protezione o segnalazione.
Malattie e condizioni patologiche Nell'uomo e negli animali sono presenti numerose malattie e condizioni anomale che coinvolgono la pigmentazione, sia per mancanza o perdita della pigmentazione o delle cellule pigmentali, sia per un eccessio di produzione di pigmento.
L'albinismo è un disordine ereditario caratterizzato dalla totale o parziale perdita di melanina. L'uomo e gli animali che soffrono di albinismo sono chiamati "albini". L'ittiosi lamellare, chiamata anche "fish scale disease", è una condizione ereditaria in cui uno dei sintomi è un'eccessiva produzione di melanina. La pelle è più scura del normale ed è caratterizzata da macchie più scure, squamose e secche. Il melasma è una condizione in cui macchie di pigmento di colore marrone scuro compaiono sulla faccia, influenzate da variazioni ormonali. Quando esse si manifestano nel corso di una gravidanza, la condizione è definita la maschera della gravidanza. La pigmentazione oculare è un accumulo di pigmento nell'occhio e può essere causata da medicazioni con latanoprost Page 146. La vitiligine è una condizione in cui vi è una perdita di celle produttrici di pigmento, chiamate melanociti, con formazione di macchie della pelle.
Pigmenti negli animali marini
Carotenoidi/Carotenoproteine I carotenoidiA. M. Nadakal, Carotenoids and Chlorophyllic Pigments in the Marine Snail, Cerithidea Californica Haldeman, Intermediate Host for Several Avian Trematodes, Marine Biological Laboratory, JSTOR, 26-05-2010. sono i pigmenti più comunemente presenti in natura. Negli animali e nelle piante se ne trovano oltre 600 tipi diversi. Nelle piante, le funzioni dei carotenoidi sono la fotoprotezione, la raccolta della luce e la rimozione delle molecole di ossigeno allo stato di singoletto nel processo di fotosintesi. Questo pigmento si trova solitamente nel cloroplasto delle piante e in altri organismi fotosintetici, come le alghe, i funghi e in alcuni batteri.
Gli animali invece non sono in grado di sintetizzare i propri carotenoidi e ricorrono alle piante per il loro approvvigionamento.
I carotenoidi formano complessi con le proteine, che sono note come carotenoproteine. Questi complessi sono comuni fra gli animali marini. I complessi di carotenoproteine sono responsabili dei vari colori (rosso, viola, blu, verde, ecc.) di cui si colorano gli invertebrati marini nei rituali di accoppiamento e nel camuffamento. Ci sono due tipi principali di carotenoproteine: il Tipo A e il Tipo B. Nel Tipo A, i carotenoidi (il cromogeno) sono stechiometricamente associati ad una proteina semplice (glicoproteina). Nel Tipo B, i carotenoidi sono associati ad una lipoproteina per formare un complesso solitamente meno stabile. Il Tipo A si rinviene comunemente sulla superficie degli invertebrati marini (conchiglie e gusci); il Tipo B invece si trova solitamente nelle uova, negli ovai e nel sangue. I colori e l'assorbimento caratteristico di questi complessi carotenoproteici si basano sul legame chimico tra cromogeno è subunità proteiche.
Ad esempio, la carotenoproteina blu linckiacianina ha circa 100-200 molecole carotenoidi per ciascun complessoJCG Milicua, Structural characteristics of the carotenoids binding to the blue carotenoprotein from Procambarus clarkii , N.p., 25-10-1984. Web. 24 maggio 2010..
Inoltre, anche le funzioni di questi complessi pigmento-proteina ne variano la struttura chimica. Le carotenoproteine che si trovano all'interno della struttura fotosintetica sono più comuni, ma più complesse. I complessi pigmento-proteina che si trovano esternamente al sistema fotosintetico sono meno comuni, ma possiedono una struttura più semplice. Ad esempio, esistono solo due complessi blu astaxantina-proteineP.Zagalsky, Colouration in Marine Invertebrates, A central role for astaxanthin complexes , Crustacean. N.p., n.d. Web. 25 maggio 2010. nella medusa Velella velella, e questi contengono solamente circa 100 carotenoidi per complesso.
La carotenoproteina più comune è l'astaxantina, che produce un pigmento viola-blu e verde. Il colore dell'astaxantina è formato dalla creazione di complessi con le proteine in un ordine determinato. Ad esempio, la crustocrina ha circa 20 molecole di astaxantina legate con la proteina. Quando i complessi interagiscono mediante interazioni eccitone-eccitone, essa diminuisce il massimo di assorbanza, variando i diversi pigmenti colorati.
Nelle aragoste, ci sono vari tipi di complessi astaxantina-proteina. Il primo è la crustacianina (λ max. = 632 nm), un pigmento blu ardeisa che si trova nel carapace dell'aragosta. Il secondo è la crustocrina (λ max. = 409 nm), un pigmento giallo che si trova sullo strato esterno del carapace.