biotechnologia


 
 

Melaniny

Autor: Marcelina Olszak
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie

Melaniny to wielkocząsteczkowe barwniki, które występują w świecie zwierząt, roślin oraz mikroorganizmów. Powstają w wyniku wieloetapowego procesu utleniania związków fenolowych. Najczęstszym substratem biosyntezy tych związków jest aminokwas tyrozyna. Wszystkie pigmenty należące do grupy melanin są związkami o dużej masie cząsteczkowej i ujemnym ładunku. Składają się z reszt indolowych i fenolowych. Ze względu na różnice w budowie chemicznej wyróżniane są trzy grupy melanin:

• eumelaniny – czarnobrązowe nierozpuszczalne pigmenty, zbudowane głównie z: kwasu 5,6-dihydroksyindolo-2-karboksylowego oraz 5,6-dihydroksyindolu;
• allomelaniny – barwniki występujące w roślinach;
• feomelaniny - żółtoczerwone pigmenty rozpuszczalne w alkaliach, zbudowane głównie z podjednostek benzotiazynowych, w ich syntezie bierze udział aminokwas cysteina.

Pigmenty te odpowiadają za najbardziej widoczne cechy fenotypowe, między innymi barwę skóry, tęczówki oka, sierści, włosów lub piór u zwierząt. Rodzaj zabarwienia zależy przede wszystkim od ilościowego stosunku feo- do eumelaniny oraz zawartości, aktywności i liczby melanosomów. Ponadto melaniny chronią komórki przed szkodliwym działaniem promieniowania UV oraz są odpowiedzialne za eliminację wolnych rodników, przede wszystkim reaktywnych form tlenu (RFT).

Ochronna rola melanin wynika przede wszystkim z ich zdolności do absorpcji i rozpraszania promieniowania UV. Ponadto barwniki te charakteryzują się zdolnością do zamieniania pochłoniętej energii na mniej toksyczną – termiczną, czyli ciepło. Funkcje ochronne pełni głównie eumelanina. Odpowiada ona za usuwanie wolnych rodników poprzez redukcję anionorodnika ponadtlenkowego do nadtlenku wodoru. Przypomina przez to właściwości dysmutazy ponadtlenkowej. Natomiast feomelanina oraz produkty pośrednie powstałe w wyniku biosyntezy melanin mogą brać udział w tworzeniu RFT pod wpływem promieniowania UV. Prowadzą w ten sposób do uszkodzenia komórek. Napromieniowanie feomelaniny może powodować wytwarzanie anionu nadtlenowego i rodników hydroksylowych, czego wynikiem są oksydacyjne uszkodzenia kwasów nukleinowych, białek i lipidów. Ponadto melaniny mogą tworzyć kompleksy z wieloma substancjami chemicznymi, lekami, wpływając przez to na ich toksyczność i skuteczność terapeutyczną. Związanie substancji leczniczej z pigmentem może osłabiać działania toksyczne leku, jak również zmniejszyć właściwości farmakodynamiczne oraz spowodować kumulację leku w komórkach zawierających pigment, co zwiększa ryzyko ich uszkodzenia i działań niepożądanych.

W środowisku również wiele mikroorganizmów posiada zdolność do syntezy związków barwnych. Gatunki barwne mają istotną przewagę nad gatunkami niebarwnymi w naturalnym środowisku bytowania. U bakterii korzyści te polegają na zdobywaniu energii i pokarmu (bakterie fotosyntetyzujące), ochronie przed negatywnym działaniem światła widzialnego o wysokim natężeniu, pozyskiwaniu żelaza ze środowiska bytowania, ochronie przed ekstremalnymi temperaturami, promieniowaniem ultrafioletowym, związkami o działaniu antybakteryjnym. Ponadto niektóre barwniki mają aktywność antybiotyczną oraz są czynnikami wirulencji chorobotwórczych bakterii. Pigmentacja mikroorganizmów jest pożyteczną cechą również dla naukowców, ponieważ ułatwia ona identyfikację gatunkową, szczególnie w diagnostyce klinicznej. Podobnie jak bakterie również grzyby syntetyzują pigmenty, które w zależności od budowy pełnią różne funkcje w komórce takie jak: ochrona przed fotoutlenianiem (karotenoidy), stresem środowiska (melaniny) oraz udział w katalizie enzymatycznej (flawiny).

Wnioskuje się, że zdolność mikroorganizmów do produkcji pigmentów pierwotnie wyewoluowała jako mechanizm, który nadaje komórkom odporność na działanie reaktywnych form tlenu. Zwiększa to przeżywalność bakterii w zainfekowanym gospodarzu jak również w środowisku zewnętrznym. Dalsze badania wykazały, że barwniki pełnią funkcje chroniące mikroorganizmy przed negatywnymi skutkami działania również innych czynników fizykochemicznych. Melaniny chronią mikroorganizmy przed promieniowaniem UV i jonizującym, czynnikami utleniającymi, ekstremalnymi temperaturami, związkami antybiotycznymi oraz metalami ciężkimi. Barwniki te ochraniają także enzymy przed działaniem proteaz oraz komórki przed enzymami hydrolitycznymi, zapobiegają degradacji biofilmu mogą uczestniczyć również w przepływie substancji odżywczych i protonów w biofilmie. Melaniny wytwarzane przez bytujące w wodzie bakterie Vibrio cholerae chroni komórki przed podwyższoną temperaturą i stresem osmotycznym. Pigment ten wykazuje zdolność do absorpcji kationów K+ i Na+ przez co zapobiega odwodnieniu komórki w przypadku stresu oksydacyjnego. Ponadto barwny mutant V. cholerae charakteryzuje się zwiększoną infekcyjnością i podwyższoną odpornością na promieniowanie UV. Prace badawcze wykazały również, że melanina Bacillus thuringiensis chroni ją przed niekorzystnym działaniem promieni UV, jednocześnie zwiększając jej toksyczność wobec owadów.

Zdolność melanin do wiązania metali ciężkich związana jest z występowaniem w ich strukturze chemicznej wielu miejsc wiązania lub adsorpcji dla jonów metali. Biorą w tym udział grupy karboksylowe, hydroksylowe, fenolowe oraz aminowe licznie występujące w strukturze pigmentów. Może to wpływać na mniejszą skuteczność środków przeciwgrzybiczych i antybakteryjnych zawierających jony metali ciężkich. Produkcja melanin przez niektóre szczepy bakterii zwiększa również ich wirulencję w porównaniu ze szczepami nie posiadającymi tego pigmentu. Wynika to z silnych właściwości przeciwutleniających melanin, stabilizacji wolnych rodników oraz zdolności do wiązania niesparowanych elektronów w reaktywne formy tlenu. Działanie ochronne wobec komórek bakteryjnych podnosi również ich wirulencję. Melaniny biorą także udział w pozyskiwaniu żelaza ze środowiska. Został opisany komplementarny system pozyskiwania żelaza z udziałem pigmentu – piomelaniny. Barwnik ten jest związany z aktywnością reduktazy żelazowej. Przypuszcza się, że melaniny wytwarzane przez bakterie z rodzajów: Klebsiella, Burkholderia, Pseudomonas, Proteus, Serratia, Vibrio i Stenotrophomonas także uczestniczą w pozyskiwaniu żelaza. Ponadto u Gram-ujemnej bakterii Shewanella algae i u grzyba Cryptococcus neoformans melanina uczestniczy w mechanizmie redukcji tlenku żelaza.

Badania wykazały, że zdolność do produkcji melaniny mają również grzyby Paecilomyces variotii i Aspergillus carbonarius. Pigment ten występuje w strzępkach grzyba, chroni przy tym grzybnię i zarodniki przed niekorzystnym działaniem czynników organicznych i nieorganicznych. Podobnie jak w przypadku bakterii melanina u grzybów pełni rolę ochronną i uczestniczy w pobieraniu i akumulacji jonów metali. Uważa się, że jest to związane z grubością ściany komórkowej. Melanina jest obecna tylko w grubych ścianach komórkowych, co zwiększa ich możliwości sorpcyjne. Jony metali są absorbowane zarówno przez żywe jak i martwe grzybnie. Ponadto grzyby w wyniku procesów metabolicznych wytrącają liczne związki organiczne i nieorganiczne np.: kalcyt oraz szczawiany. Związki te nazywane są biogenicznymi minerałami produkowanymi przez grzyby. Obecność melaniny w strzępkach grzybów umożliwia im również przetrwanie w ciężkich warunkach środowiskowych. Przykładem mogą być badania grzybów na ścianach reaktora atomowego w Czarnobylu po jego awarii. Wykazano, że ponad 80% wyizolowanych gatunków zawierało w strzępkach melaninę, która umożliwiła im przetrwanie w silnie radioaktywnym środowisku.

Melanina pełni wiele różnorodnych funkcji w organizmach żywych. Nadaje barwę oczom, skórze, włosom, jak również chroni komórki przed wpływem szkodliwych czynników środowiska. Obecnie duże zainteresowanie wzbudza produkcja barwników spożywczych przez mikroorganizmy, ze względu na wysoką wydajność syntezy tych związków i stabilność. Ważne są więc badania oparte na inżynierii genetycznej umożliwiające poznanie ścieżek biosyntezy melanin przez bakterie i grzyby.

Literatura:
1. Marczyńska D., Przybyło M.: Melanocyty — komórki barwnikowe o wielu obliczach. Kosmos. Problemy Nauk Biologicznych. 62, 4, 491-499, 2013.
2. Pawłowska B.: Biotechnologiczne źródła barwników spożywczych. Inżynieria i Aparatura Chemiczna. 48, 3, 79-80, 2009.
3. Rok J., Otręba M., Buszman E., Wrześniok D.: Melanina – z melanocytu do keratynocytu, czyli jak przebiega transport melaniny w skórze. Annalesacademiaemedicaesilesiensis. 66, 1, 60–66, 2012.
4. Stolarzewicz I., Kapturowska A., Białecka-Florjańczyk E.: Mikrobiologiczne źródła barwników w technologii żywności. Postępy Mikrobiologii, 51, 3, 167–176, 2012.
5. Wolska K.I., Grudniak A.M., Kraczkiewicz-Dowjat A., Kurek A.: Różnorodne funkcje wybranych pigmentów bakteryjnych. Postępy Mikrobiologii, 40, 2, 105-114, 2010.

Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

252 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 

Facebook

Gadżety

Sklep e-biotechnologia.pl
Tematyczne kubki, koszulki, bluzy etc.


Zapraszamy do sklepu

Na skróty

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Narodowe Centrum Nauki Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Ośrodek Przetwarzania Informacji PAP - Nauka w Polsce Forum Akademickie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej Wirtualna Biblioteka Nauki Scopus NCBI PubMed Nature Science Cell

 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u