Красные меланины, синие антоцианы. Как формируется цвет живых существ и почему дело не обязательно в пигментах

Цвет и краски

Окрашивание играет огромную роль — от яркого брачного оперения до зеленого цвета листьев. Краски говорят, предупреждают, разъясняют, а иногда и пугают — всё на благо их хозяина. Биологические пигменты называются биохромами, и они, как любые другие пигменты, избирательно поглощают волны той или иной длины.

Любой цвет появляется «почему-то»: листья зеленые потому, что хлорофилл имеет именно такую окраску, а он жизненно необходим для процесса фотосинтеза. Кот пятнист, потому что так его труднее заметить в высокой траве и ему легче подобраться к добыче. У всех пигментов окрашивание не основная, а побочная функция: хлорофилл в листьях нужен в первую очередь для фотосинтеза, гемоглобин в крови — для переноса кислорода, а каротиноиды во всех живых организмах — для антиоксидантной защиты. Поэтому на вопрос: «Почему листья зеленые?» — в целом вполне можно отвечать: «Так получилось».

Красок, а точнее пигментов, обуславливающих тот или иной оттенок, множество — фактически в живой природе можно найти все цвета радуги. Некоторые, вроде зеленого и оранжевого, встречаются чаще других, некоторые — например, синий — достаточно редко.

Чаще всего живой организм содержит всего несколько пигментов: допустим, зеленый хлорофилл для летних листьев, сероватый феофитин и каротиноиды для листьев осенних и сине-фиолетовые антоцианы для цветков. Есть, однако, те, кто пошли по другому пути: решили показать все краски сразу. Самый яркий — и в прямом, и в переносном смысле — пример многоцветности — это эвкалипт радужный, или эвкалипт разноцветный (Eucalyptus deglupta). Молодое дерево обладает зеленой корой, а вот взрослое отличается яркостью. Его клетки могут быть наполнены разными пигментами, поэтому кора переливается как пятно бензина в луже, причем цвета на коре меняются с течением жизни дерева.

На самом деле пигменты крайне редко просто растворены в клеточном цитозоле или межклеточном пространстве. Чаще всего они располагаются в специальных клетках или структурах внутри клеток. Так, например, хлорофилл находится в органеллах хлоропластах, а гемоглобины и меланины в соответствующих клетках — эритроцитах и меланоцитах. Такие клетки с пигментами называются хроматофорами. Хроматофоры могут быть разными — черными, белыми, красными, — и тогда они называются меланофорами, лейкофорами и эритрофорами.

Красный

С красным мы хорошо знакомы — это и цвет нашей крови, и божьи коровки, и ярко-алые маки. Но вот придают этот цвет совершенно разные пигменты.

Кровь красна благодаря гемоглобину — крупному белку, в котором за оттенок отвечает ион железа. Железо вообще часто появляется в пигментах: оно встречается и во многих других окрашивающих соединениях. Гемоглобин и другие пигменты и молекулы (например, миоглобин — гемоглобин мышц и эритрокруорин — красный кровяной пигмент дождевых червей) относятся к пигментам под названием порфирины; представителей этого типа мы еще встретим, обсуждая другие цвета. Порфирины состоят из ажурного многочленного каркаса под названием гем, в центр которого включен ион металла.

Яркая божья коровка тоже красная, но ее цвет зависит от другого соединения: ее красные и оранжевые пигменты — это производные меланина. В зависимости от того, как много продукта накоплено в ее кутикуле, появляются пятна и паттерны.

Меланин вообще один из самых распространенных пигментов в живой природе, и мы с вами, так же как и божья коровка, обязаны цветом своей кожи, волос и глаз именно ему. Меланины образуются из аминокислоты тирозина и являются обширной группой пигментов. Самый известный из них — это эумеланин, дающий коричневый и черный цвета, но есть еще красный феомеланин (именно он отвечает за замечательную красоту рыжих волос, а также за цвет губ). Встречается и редкий алломеланин (его вместе с другими меланинами находят у грибов), и даже нейромеланин — пигмент, обнаруженный в мозге: никто до сих пор толком не знает, какова его функция, хотя предполагается, что он помогает защищать нейроны от активных форм кислорода. Нейромеланин сильно окрашивает одну из областей мозга, называемую черным веществом, или черным телом, — именно из-за массовой гибели клеток в этой зоне мозга случается болезнь Паркинсона. Доподлинно неизвестно, связан ли недостаток нейромеланина с заболеванием, но корреляция между сниженной концентрацией нейромеланина и активностью заболевания уже найдена (впрочем, это может оказаться лишь следствием разрушения клеток). Активные исследовательские работы над пигментом, непонятно зачем окрашивающим мозг, ведутся.

У некоторых растений цветки становятся красными или розоватыми благодаря группе беталаинов — красных пигментов, образующихся из аминокислоты тирозина (как и многие другие группы пигментов).

Беталаины придают яркость и цветам гвоздики и бугенвиллеи, и корнеплодам свеклы. У беталаинов есть интересная особенность — они могут менять окраску в зависимости от кислотности среды, и цвет из-за этого может меняться от розового до ярко-алого. Одни из родственников беталаинов — мускапурпурин и его родственники — делают красную шляпку мухоморов такой яркой.

У беспозвоночных, грибов и лишайников есть еще одна группа пигментов — хиноны. В зависимости от концентрации они могут придавать покровам широкий спектр оттенков — от бледно-желтого до красного и почти черного цвета. Хиноны — достаточно важная группа молекул, они встречаются у всех живых организмов. Среди хинонов есть не только пигменты, но еще и витамины, коферменты, антибиотики. К хинонам относится, например, убихинон, участвующий в митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ.

Оранжевый и желтый

Красный оттенок цветкам придает еще одна группа пигментов, причем ее представители ответственны и за оранжевые, и за желтые оттенки. Самый известный пример оранжевого и желтого цвета в природе — это, наверное, осенние листья. Такую окраску им придают вещества из группы каротиноидов. Они же придают окраску множеству самых разных растений: различным видам перца, тыкве, папайе, абрикосам, шафрану и, конечно, моркови — название «каротиноиды» образовалось от латинского слова carota, «морковь». Каротиноиды есть у растения всегда, но становятся видны, только когда разрушается хлорофилл — вместо магния в его порфириновое кольцо встраивается водород, и образуется слабо окрашенный феофитин. Сквозь него-то и проступают яркие краски каротиноидов.

Каротиноиды — одни из самых распространенных в живой природе пигментов: их находят и у бактерий, и у грибов, и у растений, и даже у полипов, морских беспозвоночных животных.

А вот человеку не повезло: мы синтезировать их не можем и получаем каротиноиды из пищи. Часто эти пигменты называют провитамином А, поскольку при метаболизме из бета-каротина может образовываться ретинол — витамин А.

Одна из главных ролей этих маленьких молекул вовсе не окрашивающая, а антиоксидантная: они защищают клетки от излишней энергии активных форм кислорода, принимая удар на себя. У растений они тоже работают защитниками: мешают фотосинтезирующим системам перегрузиться энергией.

К каротиноидам относится не только собственно каротины, это очень обширная группа, включающая сотни различных молекул. Например, красный ликопин — именно благодаря ему кожица помидоров такая яркая. Тот же ликопин делает красной и мякоть арбуза, а также окрашивает плод гуавы.

К группе каротиноидов относится подгруппа ксантофиллов — желтых пигментов. Они окрашивают в желтый цвет желтки яиц, молодые побеги и почки растений. Ксантофилл зеаксантин придает красивый охряной оттенок шафрану, а еще окрашивает плоды перцев. Он же, кстати, вместе с другими каротиноидами защищает наши глаза от избыточного ультрафиолетового освещения.

Зеленый

Что дает листьям глубокий зеленый цвет? Конечно же, хлорофилл — структура, необходимая растениям для фотосинтеза. По строению активной группы он сильно напоминает гемоглобин, потому что относится к уже упомянутой группе пигментов порфиринов. Только вместо железа в его порфириновом кольце магний, да и сам белковый каркас молекулы сильно отличается. Хлорофилл встречается у растений, бактерий и водорослей, хотя есть и те, кто способность синтезировать хлорофилл в ходе эволюции потерял, — например, паразитические растения.

А еще зеленый можно встретить, например, у лягушек. Неужели тоже хлорофилл? Нет. За яркую окраску ряда лягушек отвечает белок серпин. Серпин отлично связывает биливердин, соединение, образующееся и у нас с вами при распаде гемоглобинов (именно биливердин придает синякам тот самый «синюшный» оттенок). Биливердин — довольно токсичное соединение, но лягушки и некоторые рептилии прекрасно живут даже при высокой его концентрации — благодаря серпину. Серпино-биливердиновый комплекс, накапливаясь в коже, придает ей тот самый любопытный оттенок. Встречаются и лягушки, окрашивающие себя, как и мы с вами, меланином.

Кровь тоже может быть зеленой. Такая кровь, обогащенная пигментом хлорокруорином, есть у некоторых беспозвоночных. Хлорокруорин очень похож на гемоглобин и, как и он, содержит железо. При этом зеленым он будет только в разбавленном виде, а вот в концентрированном станет, как и гемоглобин, красноватым.

Особняком по отношению к другим пигментам стоят пигменты флуоресцирующие — например, как у медуз. Самый популярный из таких «красителей» — GFP, или green fluorescent protein, зеленый флуоресцирующий белок. Впервые он был найден в медузе Aequorea victoria и с тех пор настолько активно изучается, что сложно представить хотя бы одну область биологии, в которой этот чудесный белок тем или иным способом не встречается. Им пользуются как меткой, сшивая с другими белками и наблюдая за приключениями образовавшегося конгломерата прямо внутри живого организма. За прошедшие после открытия GFP годы ученые обнаружили множество других флуоресцирующих белков.

Синий и фиолетовый

Синий и фиолетовый цвета на удивление редко встречаются в природе в чистом виде. Дело в том, что эволюция — довольно простая вещь, декларирующая, что чтобы то или иное явление существовало, оно должны быть для чего-то нужно. И синий цвет долгое время не был нужен, пока не появились пчелы. Глаза пчел устроены довольно сложно, и их светочувствительные рецепторы видят ультрафиолет, а потому воспринимают еще и зеленый, и синий. Появились пчелы в качестве опылителей — появился и смысл в синих оттенках у цветов.

Чистый синий цвет крайне редок. Тем не менее пигменты, дающие оттенки синего и фиолетового, всё же есть.

В первую очередь это антоцианы — любопытные пигменты из группы гликозидов флавоноидов. Образуются они из аминокислоты фенилаланина, хотя есть информация о возможности синтеза из другой аминокислоты, тирозина. Как и беталаины, антоцианы чувствительны к кислотности среды. Возможно, вы видели медуницу (Pulmonária), у которой на одном растении могут быть цветки самых разных оттенков — от светло-розового до темно-фиолетового. Интенсивность цвета зависит от возраста цветка — у только что распустившихся клеточная среда кислая, поэтому они бледно-розовые. С возрастом среда меняется на щелочную, и цветок постепенно темнеет. Такое же изменение цвета, кстати, наблюдается у незабудок, только у них розоватый оттенок имеют бутоны, а вот цветки сразу распускаются голубыми.

Антоцианы окрашивают и многие другие растения — например, голубику, чернику, смородину, баклажан и даже краснокочанную капусту и виноград. Как и каротиноиды, антоцианы способствуют снижению окислительного стресса. Есть исследования, сообщающие, что регулярное их употребление положительно влияет на здоровье желудочно-кишечного тракта. Есть информация и о противодиабетических свойствах антоцианов, а также об антимутагенных и антиканцерогенных. Согласно ряду исследований, у антоцианов множество молекул-мишеней и они участвуют в метаболизме не только как протекторные, но еще и как сигнальные и противовоспалительные молекулы и даже могут выступать в качестве факторов роста.

У некоторых рыб, например мандаринок (Synchiropus splendidus, не путать с утками-мандаринками), чешуя окрашивается специальными клетками, цианофорами. В этих клетках находится пока что неизвестный циансодержащий белок.

Пигменты перекрывают друг друга, и, хотя ни один из них не дает чистый синий, на выходе образуется зеркальная, отливающая синим чешуя. Это не пигментная, а структурная окраска, и точные ее механизмы пока неизвестны.

Похожие клетки встречаются и у некоторых амфибий.

Синий цвет птичьих перьев тоже формируется структурной окраской, а не пигментами — имеющиеся пигменты перекрывают и гасят друг друга, что на выходе формирует синий оттенок. Такое наблюдается, например, у некоторых соек (Garrulus) — на самом деле пигментом у них выступает меланин, но «волоски» на перьях устроены так, что птица выглядит синей. Примерно то же самое происходит у некоторых насекомых, например у бабочек рода Морфо (Morpho): согласно исследованиям, небесно-синий цвет их крыльев обусловливается совместным эффектом интерференции и дифракции. Такая структурная окраска вообще очень характерна для бабочек.

У ракообразных, моллюсков и отдельных видов насекомых тоже есть голубой пигмент, но он окрашивает не покровы, а кровь. В роли пигмента выступает гемоцианин (дословно «кровяная лазурь»), содержащий ион меди. Раствор гемоцианина тоже может менять цвет в зависимости от количества кислорода: обогащенный кислородом гемоцианин окрашивает кровь в ярко-синий цвет, а без кислорода он бледнеет, и кровь становится светло-голубой, а также начинает флуоресцировать. Кровь в наших венах, кстати, не синяя, просто кажется такой из-за того, что толстый слой кожи перекрывает сосуды и поглощает часть спектра.

Кровь также может быть розово-фиолетовой. За это отвечает белок гемэритрин, встречающийся у некоторых видов беспозвоночных, например кольчатых червей.

Это тоже железосодержащий белок, но в его активном центре не один ион железа, как у гемоглобина и ряда других пигментов, а целых два. Фиолетовый цвет крови придает насыщенный кислородом гемэритрин, а розоватый оттенок — белок без кислорода.

Сложно представить себе весну без зеленых почек и молодых листьев, лето без ярких цветов, а осень без желтых листьев. Хотя ни один пигмент не появился исключительно ради красоты, именно благодаря им мир прекрасен в своем многообразии красок. Многие из этих пигментов полезны для человеческого здоровья, а некоторые, для здоровья необходимые, мы и вовсе не можем синтезировать сами. Поэтому, когда в следующий раз будете выбирать на ужин овощи в супермаркете, мысленно поблагодарите антоцианы, флавоноиды и другие не менее замечательные молекулы.