Меланины — макромолекулярные красители

Меланины - макромолекулярные красители

Меланины — это макромолекулярные красители, встречающиеся в мире животных, растений и микроорганизмов. Они образуются в результате многоступенчатого процесса окисления фенольных соединений.

Группы меланинов

Наиболее распространенным субстратом для биосинтеза этих соединений является аминокислота тирозин. Все пигменты, относящиеся к группе меланинов, представляют собой соединения с высокой молекулярной массой и отрицательно заряжены. Они состоят из остатков индола и фенола. Из-за различий в химической структуре выделяют три группы меланинов:

  • Эумеланины — черно-коричневые нерастворимые пигменты, в основном состоящие из 5,6-дигидроксииндол-2-карбоновой кислоты и 5,6-дигидроксииндола;
  • Алломеланины — пигменты, содержащиеся в растениях;
  • Феомеланины — щелочнорастворимые пигменты желто-красного цвета, состоящие в основном из бензотиазиновых субъединиц, в их синтезе участвует аминокислота цистеин.

Эти пигменты отвечают за наиболее заметные фенотипические особенности, включая цвет кожи, радужной оболочки, меха, волос или перьев животных. Тип окраски зависит в первую очередь от количественного соотношения фео- и эумеланина, а также от содержания, активности и количества меланосом. Кроме того, меланины защищают клетки от вредного воздействия УФ-излучения и отвечают за устранение свободных радикалов, особенно активных форм кислорода (АФК).

Защитная роль меланинов

Защитная роль меланинов в первую очередь связана с их способностью поглощать и рассеивать УФ-излучение. Кроме того, эти красители обладают способностью преобразовывать поглощенную энергию в менее токсичную — термическую, то есть тепловую. В основном эумеланин обладает защитным действием. Он отвечает за удаление свободных радикалов за счет восстановления супероксид-анион-радикала до перекиси водорода. Таким образом, он напоминает свойства супероксиддисмутазы. С другой стороны, феомеланин и промежуточные соединения, образующиеся в результате биосинтеза меланина, могут участвовать в образовании АФК под действием УФ-излучения. Таким образом, они приводят к повреждению клеток. Облучение феомеланина может вызывать образование перокси-аниона и гидроксильных радикалов, что приводит к окислительному повреждению нуклеиновых кислот, белков и липидов. Более того, меланины могут образовывать комплексы со многими химическими веществами и лекарствами, тем самым влияя на их токсичность и терапевтическую эффективность. Связывание лекарственного вещества с пигментом может снизить токсические эффекты лекарства, а также снизить фармакодинамические свойства и вызвать накопление лекарства в пигментсодержащих клетках, что увеличивает риск повреждения и побочных эффектов.

Отчего зависит пигментация

Меланины - макромолекулярные красители

Многие микроорганизмы также обладают способностью синтезировать цветные соединения в окружающей среде. Цветные виды имеют значительное преимущество перед неокрашенными видами в естественной среде обитания. У бактерий эти преимущества заключаются в получении энергии и пищи (фотосинтетические бактерии), защите от негативного воздействия видимого света высокой интенсивности, получении железа из окружающей среды, защите от экстремальных температур, ультрафиолетового излучения и антибактериальных соединений. Кроме того, некоторые пигменты обладают антибиотической активностью и являются факторами вирулентности патогенных бактерий. Пигментация микроорганизмов также полезна для ученых, поскольку она облегчает идентификацию видов, особенно в клинической диагностике. Подобно бактериям, грибы также синтезируют пигменты,которые, в зависимости от своей структуры, выполняют в клетке различные функции, такие как: защита от фотоокисления (каротиноиды), стресса окружающей среды (меланин) и участие в ферментативном катализе (флавин).

Исследования

Сделан вывод, что способность микроорганизмов продуцировать пигменты изначально возникла как механизм, который делает клетки устойчивыми к действию активных форм кислорода. Это увеличивает выживаемость бактерий в инфицированном хозяине, а также во внешней среде. Дальнейшие исследования показали, что пигменты играют роль в защите микроорганизмов от негативного воздействия других физико-химических факторов. Меланины защищают микроорганизмы от УФ и ионизирующего излучения, окислителей, экстремальных температур, соединений антибиотиков и тяжелых металлов. Эти красители также защищают ферменты от действия протеаз и клетки против гидролитических ферментов, они предотвращают разрушение биопленки, они также могут участвовать в потоке питательных веществ и протонов в биопленке. Меланин, продуцируемый бактериями, живущими в воде защищает клетки от повышенной температуры и осмотического стресса. Этот пигмент обладает способностью поглощать катионы K + и Na + ,что предотвращает обезвоживание клетки в случае окислительного стресса.

Защитный эффект

Способность меланинов связывать тяжелые металлы связана с наличием множества центров связывания или адсорбции для ионов металлов в их химической структуре. В нем присутствуют карбоксильные, гидроксильные, фенольные и аминогруппы, которыми много в структуре пигментов. Это может снизить эффективность противогрибковых и антибактериальных средств, содержащих ионы тяжелых металлов. Производство меланина некоторыми штаммами бактерий также увеличивает их вирулентность по сравнению со штаммами, в которых этот пигмент отсутствует. Это связано с сильными антиоксидантными свойствами меланинов, стабилизацией свободных радикалов и способностью связывать неспаренные электроны в активные формы кислорода. Защитный эффект против бактериальных клеток также увеличивает их вирулентность. Меланины также участвуют в получении железа из окружающей среды.

Меланин присутствует только в толстых стенках клеток, что увеличивает их сорбционную способность. Ионы металлов поглощаются как живыми, так и мертвыми мицелиями. Кроме того, в результате метаболических процессов грибы осаждают многочисленные органические и неорганические соединения, например кальцит и оксалаты. Эти соединения называются биогенными минералами, вырабатываемыми грибами. Присутствие меланина в гифах грибов также позволяет им выживать в суровых условиях окружающей среды. Примером может служить исследование грибов на стенах чернобыльского ядерного реактора после его аварии. Было показано, что более 80% изолированных видов содержат меланин в гифах, что позволяет им выжить в высокорадиоактивной среде.

Функции меланина

Меланины - макромолекулярные красители

Меланин выполняет множество различных функций в живых организмах. Придает цвет глазам, коже и волосам, а также защищает клетки от вредных факторов окружающей среды. В настоящее время производство пищевых красителей микроорганизмами вызывает большой интерес в связи с высокой эффективностью синтеза этих соединений и их стабильностью. Поэтому исследования генной инженерии важны для понимания путей биосинтеза меланина бактериями и грибами.

Томатный Дайджест
Добавить комментарий