Pigmento biológico

Los carotenoides son el grupo de pigmentos más común que se encuentra en la naturaleza. ^{[ 18 ]} Se encuentran más de 600 tipos diferentes de carotenoides en animales, plantas y microorganismos.

Los animales marinos son incapaces de producir sus propios carotenoides y, por lo tanto, dependen de las plantas para obtener estos pigmentos. Las carotenoproteínas son especialmente comunes entre los animales marinos. Estos complejos son responsables de los diversos colores (rojo, púrpura, azul, verde, etc.) que presentan estos invertebrados marinos para los rituales de apareamiento y el camuflaje. Existen dos tipos principales de carotenoproteínas: tipo A y tipo B. El tipo A contiene carotenoides (cromógeno) que se asocian estequiométricamente con una proteína simple (glicoproteína). El segundo tipo, el tipo B, contiene carotenoides asociados con una lipoproteína y suele ser menos estable. Mientras que el tipo A se encuentra comúnmente en la superficie (conchas y pieles) de los invertebrados marinos, el tipo B se encuentra generalmente en los huevos, los ovarios y la sangre. Los colores y la absorción característica de estos complejos de carotenoproteínas se basan en la unión química del cromógeno y las subunidades proteicas.

Por ejemplo, la carotenoproteína azul, linckiacianina, tiene entre 100 y 200 moléculas de carotenoides por complejo. ^{[ 19 ]} Además, las funciones de estos complejos pigmento-proteína también modifican su estructura química. Las carotenoproteínas que forman parte de la estructura fotosintética son más comunes, pero más complejas. Los complejos pigmento-proteína que se encuentran fuera del sistema fotosintético son menos comunes, pero tienen una estructura más simple. Por ejemplo, en la medusa Velella velella solo hay dos de estas astaxantina-proteínas azules , que contienen aproximadamente 100 carotenoides por complejo. ^{[ 20 ]}

Un carotenoide común en los animales es la astaxantina , que emite pigmentos de color azul violáceo y verde. El color de la astaxantina se forma mediante la creación de complejos con proteínas en un orden específico. Por ejemplo, la crustocrina tiene aproximadamente 20 moléculas de astaxantina unidas a proteínas. Cuando los complejos interactúan mediante interacción excitón-excitón, disminuye la absorbancia máxima, lo que provoca cambios en los pigmentos de color.

En las langostas, existen varios tipos de complejos de astaxantina-proteína. El primero es la crustacianina (máx. 632  nm), un pigmento azul pizarra que se encuentra en el caparazón de la langosta. El segundo es la crustocrina (máx. 409 nm), un pigmento amarillo que se encuentra en la capa externa del caparazón. Por último, la lipoglicoproteína y la ovoverdina forman un pigmento verde brillante que suele estar presente en las capas externas del caparazón y en los huevos de la langosta. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Los tetrapirroles son el segundo grupo de pigmentos más común. ^{[ 23 ]} Poseen cuatro anillos de pirrol, cada uno compuesto por C ₄ H ₄ NH . La función principal de los tetrapirroles radica en su participación en el proceso de oxidación biológica. Los tetrapirroles desempeñan un papel fundamental en el transporte de electrones y actúan como sustitutos de muchas enzimas. También participan en la pigmentación de los tejidos de los organismos marinos.

La melanina ^{[ 24 ]} es una clase de compuestos que actúan como pigmentos con diferentes estructuras, responsables de los pigmentos oscuros, tostados y amarillentos/rojizos en los animales marinos. Se produce cuando el aminoácido tirosina se convierte en melanina, la cual se encuentra en la piel, el cabello y los ojos. Derivada de la oxidación aeróbica de fenoles, es un polímero.

Existen varios tipos diferentes de melaninas, ya que son agregados de moléculas componentes más pequeñas, como las melaninas que contienen nitrógeno. Hay dos clases de pigmentos: las eumelaninas insolubles negras y marrones, que se derivan de la oxidación aeróbica de la tirosina en presencia de tirosinasa, y las feomelaninas solubles en álcalis, que varían de color amarillo a marrón rojizo, y que surgen de la desviación de la vía de la eumelanina por la intervención de la cisteína y/o el glutatión. Las eumelaninas se encuentran generalmente en la piel y los ojos. Entre las diferentes melaninas se incluyen la melanoproteína (melanina marrón oscura que se almacena en altas concentraciones en el saco de tinta de la sepia Sepia officinalis), la equinoidea (presente en los dólares de arena y los corazones de los erizos de mar), la holoturoidea (presente en los pepinos de mar) y la ofiuroidea (presente en las estrellas de mar quebradizas y serpientes). Estas melaninas son posiblemente polímeros que surgen del acoplamiento repetido de intermedios monoméricos bipolifuncionales simples o de alto peso molecular. Los compuestos benzotiazol y tetrahidroisoquinolina, que forman sistemas de anillos, actúan como compuestos absorbentes de rayos UV.

La única fuente de luz en las profundidades marinas, los animales marinos emiten energía de luz visible llamada bioluminiscencia , ^{[ 25 ]} un subconjunto de la quimioluminiscencia . Esta es la reacción química en la que la energía química se convierte en energía luminosa. Se estima que el 90% de los animales de las profundidades marinas producen algún tipo de bioluminiscencia. Considerando que una gran proporción del espectro de luz visible se absorbe antes de llegar a las profundidades marinas, la mayor parte de la luz emitida por los animales marinos es azul y verde. Sin embargo, algunas especies pueden emitir luz roja e infrarroja, e incluso se ha encontrado un género que emite bioluminiscencia amarilla. El órgano responsable de la emisión de bioluminiscencia se conoce como fotóforo. Este tipo solo está presente en calamares y peces, y se utiliza para iluminar sus superficies ventrales, lo que camufla sus siluetas de los depredadores. Los usos de los fotóforos en los animales marinos difieren, como lentes para controlar la intensidad del color y la intensidad de la luz producida. Los calamares poseen fotóforos y cromatóforos que controlan la intensidad de la luz. Otro factor responsable de la emisión de bioluminiscencia, evidente en los destellos de luz que emiten las medusas , es la luciferina (un fotógeno) y el fotorreceptor (un fotogogicón). La luciferina, la luciferasa, la sal y el oxígeno reaccionan y se combinan para formar una unidad llamada fotoproteína, la cual produce luz al reaccionar con otra molécula como el Ca+. Las medusas utilizan este mecanismo de defensa: cuando un depredador más pequeño intenta devorarlas, emiten destellos de luz que atraen a un depredador mayor y ahuyentan al pequeño. También se utiliza como comportamiento de apareamiento.

En los corales formadores de arrecifes y las anémonas marinas, estos pigmentos son fluorescentes; la luz se absorbe en una longitud de onda y se reemite en otra. Pueden actuar como protectores solares naturales, ayudar en la fotosíntesis, servir como coloración de advertencia, atraer parejas, alertar a rivales o confundir a los depredadores.

Los cromatóforos son células que cambian de pigmento de color y que son estimuladas directamente por las neuronas motoras centrales. Se utilizan principalmente para la rápida adaptación al entorno y el camuflaje. El proceso de cambio de pigmento de la piel depende de una única célula cromatófora altamente desarrollada y de numerosos músculos, nervios, células gliales y células de la vaina. Los cromatóforos se contraen y contienen vesículas que almacenan tres pigmentos líquidos diferentes. Cada color está indicado por los tres tipos de células cromatóforas: eritróforos , melanóforos y xantóforos . El primer tipo son los eritróforos, que contienen pigmentos rojizos como carotenoides y pteridinas. El segundo tipo son los melanóforos, que contienen pigmentos negros y marrones como las melaninas. El tercer tipo son los xantóforos, que contienen pigmentos amarillos en forma de carotenoides. Los distintos colores se forman por la combinación de las diferentes capas de cromatóforos. Estas células suelen estar ubicadas debajo de la piel o las escamas de los animales. Existen dos categorías de colores generados por la célula: biocromos y esquematocromos . Los biocromos son pigmentos microscópicos naturales formados químicamente. Su composición química está diseñada para captar parte de la luz y reflejar el resto. En cambio, los esquematocromos (colores estructurales) son colores creados por la reflexión de la luz en una superficie incolora y la refracción en los tejidos. Los esquematocromos actúan como prismas, refractando y dispersando la luz visible hacia el entorno, que finalmente reflejará una combinación específica de colores. Estas categorías están determinadas por el movimiento de los pigmentos dentro de los cromatóforos. Los cambios de color fisiológicos son rápidos y transitorios, se observan en los peces y son el resultado de la respuesta del animal a un cambio en el ambiente. Por el contrario, los cambios de color morfológicos son cambios a largo plazo, ocurren en diferentes etapas del desarrollo del animal y se deben a la variación en el número de cromatóforos. Para modificar los pigmentos de color, la transparencia o la opacidad, las células alteran su forma y tamaño, y estiran o contraen su cubierta externa.

Debido al daño causado por los rayos UV-A y UV-B, los animales marinos han desarrollado compuestos que absorben la luz ultravioleta y actúan como protectores solares. Los aminoácidos similares a la micosporina (MAA) pueden absorber los rayos UV a 310-360  nm. La melanina es otro conocido protector UV. Los carotenoides y los fotopigmentos actúan indirectamente como pigmentos fotoprotectores, ya que neutralizan los radicales libres de oxígeno. Además, complementan los pigmentos fotosintéticos que absorben la energía lumínica en la región azul del espectro.

Se sabe que los animales usan sus patrones de color para ahuyentar a los depredadores; sin embargo, se ha observado que un pigmento de una esponja imita una sustancia química que regula la muda de un anfípodo que se alimenta de esponjas. Así, cuando este anfípodo come la esponja, los pigmentos químicos impiden la muda y el anfípodo finalmente muere.

La coloración de los invertebrados varía según la profundidad, la temperatura del agua, la fuente de alimento, las corrientes, la ubicación geográfica, la exposición a la luz y la sedimentación. Por ejemplo, la cantidad de carotenoides en ciertas anémonas de mar disminuye a medida que descendemos a mayor profundidad. Por lo tanto, la vida marina que habita en aguas más profundas es menos brillante que los organismos que viven en zonas bien iluminadas debido a la reducción de pigmentos. En las colonias de la simbiosis colonial ascidia-cianofita Trididemnum solidum, sus colores difieren según el régimen de luz en el que viven. Las colonias expuestas a la luz solar directa están muy calcificadas, son más gruesas y blancas. En cambio, las colonias que viven en zonas sombreadas tienen más ficoeritrina (pigmento que absorbe el verde) en comparación con la ficocianina (pigmento que absorbe el rojo), son más delgadas y de color púrpura. El color púrpura en las colonias sombreadas se debe principalmente al pigmento ficobilina de las algas, lo que significa que la variación en la exposición a la luz modifica los colores de estas colonias.

El aposematismo es la coloración de advertencia que indica a los posibles depredadores que se mantengan alejados. En muchos nudibranquios cromodóridos, absorben sustancias químicas desagradables y tóxicas emitidas por las esponjas y las almacenan en sus glándulas repugnatorias (ubicadas alrededor del borde del manto). Los depredadores de nudibranquios han aprendido a evitar a estos nudibranquios en particular gracias a sus brillantes patrones de color. Las presas también se protegen mediante compuestos tóxicos que incluyen una variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos.

Los pigmentos de los animales marinos cumplen diversas funciones, además de las defensivas. Algunos pigmentos protegen contra la radiación UV (véase pigmentos fotoprotectores). En el nudibranquio Nembrotha Kubaryana, se ha descubierto que el pigmento tetrapirrólico 13 es un potente agente antimicrobiano. Asimismo, en este organismo, las tamjaminas A, B, C, E y F han demostrado actividad antimicrobiana, antitumoral e inmunosupresora.

Los sesquiterpenoides son conocidos por sus colores azul y púrpura, pero también se ha informado que exhiben diversas bioactividades como antibacteriana, inmunorreguladora, antimicrobiana y citotóxica, así como la actividad inhibitoria contra la división celular en los huevos fertilizados de erizo de mar y ascidia. Se ha demostrado que varios otros pigmentos son citotóxicos. De hecho, dos nuevos carotenoides que fueron aislados de una esponja llamada Phakellia stelliderma mostraron una citotoxicidad leve contra células de leucemia de ratón. Otros pigmentos con implicaciones médicas incluyen la scytonemina , las topsentinas y la debromohimenialdisina, que tienen varios compuestos principales en el campo de la inflamación, la artritis reumatoide y la osteoartritis, respectivamente. Hay evidencia de que las topsentinas son potentes mediadores de la inflamación inmunogénica, y la topsentina y la scytonemina son potentes inhibidores de la inflamación neurogénica.