زیست شناسی، علوم پایه ۱۲۶ بازدید

رنگدانه‌ زیستی، موادی هستند که با جذب طول موج مشخصی از نور، در گیاهان یا اندام‌های مختلف حیوانات رنگ ایجاد می‌کنند. دلیل رنگ مو، پوست و پشم حیوانات و رنگ قرمز، نارنجی و سبز برگ گیاهان در فصل‌های مختلف، وجود این رنگدانه‌ها است. در این مطلب انواع رنگدانه زیستی در گیاهان، جلبک، باکتری و حیوانات را توضیح می‌دهیم.

رنگدانه زیستی چیست ؟

«رنگدانه زیستی» (Biological Pigment) یا «بیوکروم‌ها» (Biochromes) به هر ماده آلی گفته می‌شود که در گیاه، حیوان و سلول، رنگ ایجاد می‌کند. رنگدانه‌ها نور با طول موج مشخصی را جذب می‌کنند و نوری با طول موج مرئی بازتاب می‌دهند. این مولکول‌ها در موجودات زیر وجود دارند.

  • گیاهان
  • جلبک
  • باکتری‌های فتوسنتزکننده
  • حیوانات

رنگدانه گیاهان

گیاهان برای سنتز مولکول‌های آلی در فتوسنتز، نور خورشید را به‌وسیله رنگدانه‌ها جذب و در سنتز کربوهیدرات‌ها استفاده می‌کنند. رنگدانه‌های گیاهی شامل سه دسته اصلی هستند که از بین آن‌ها رنگدانه سبز در فتوسنتز مشارکت دارد.

  • رنگدانه سبز شامل کلروفیل (Chlorophyll)
  • رنگدانه قرمز شامل «کاروتنوئید» (Carotenoids)، «آنتوسیانین» (Anthocyanin) و «بتاسیانین» (Betacyanin)
  • رنگدانه زرد شامل «فلاونوئیدها» (Flavonoids)
    رنگدانه زیستس گیاهان

کلروفیل

رنگ سبز برگ‌های گیاه و ساقه به‌دلیل وجود کلروفیل است. این مولکول آلی، پیوندهای دوگانه زیادی دارد که به کمک آن‌ها نور را جذب می‌کند. این رنگدانه زیستی بر اساس ساختار و عملکرد به ۵ دسته تقسیم می‌شود.

  • کلروفیل a: رنگدانه موجود در جلبک، سیانوباکتری و گیاهان عالی
  • کلروفیل b: رنگدانه جلبک سبز و گیاهان عالی
  • کلروفیل c: رنگدانه «کرومومیستای» (Chromista) فتوسنتزکننده و بعضی جلبک‌های دریایی
  • کلروفیل d: موجود در جلبک قرمز
  • کلروفیل e: موجود در جلبک

در بین این رنگدانه‌ها، کلروفیل a و کلروفیل b در فتوسنتز نقش دارند. تفاوت آن‌ها در جدول زیر آمده است.

کلروفیل a کروفیل b
رنگدانه اصلی فتوسنتز است. رنگدانه فرعی فتوسنتز است.
در باکتری فتوسنتزکننده، جلبک، گیاهان و سیانوباکتر وجود دارد. فقط در گیاهان و جلبک‌ها وجود دارد.
نور بنفش-آبی و نارنجی-قرمز طیف مرئی را جذب می‌کند. نور نارنجی-قرمز طیف مرئی را جذب می‌کند.
رنگ سبز-آبی دارد. رنگ زرد-سبز دارد.

ساختار کلروفیل

کلروفیل از دو بخش تشکیل می‌شود.

  • هسته «پروفیلین» (Porphyrin): ساختاری حلقوی است و یک منیزیم در مرکز آن قرار دارد. این ساختار شبیه به هموگلوبین جانوران است.
  • دم آبگریز: زنجیر هیدروکربنی شامل ۲۰ اتم کربن است.
کلروفیل
ساختار کلروفیل

کاروتنوئید چیست؟

کاروتنوئیدها، رنگدانه‌های جمع‌کننده نور هستند و معمولا کنار کلروفیل قرار دارند. ساختار این رنگدانه‌ها از زنجیره‌های بلند هیدروکربنی تشکیل می‌شود و با «کاهش شدت» (Quenching) نور اضافی، از کلروفیل محافظت می‌کنند. این رنگدانه‌ها، طیف رنگ زرد تا نارنجی ایجاد می‌کنند. رنگ زرد بافت‌ چربی در حیوانات، به دلیل وجود این رنگدانه است. این ترکیبات در آب حل نمی‌شوند و به غشای سلول‌ها می‌چسبند. کاروتنوئیدها شامل رنگدانه‌های زیر می‌شوند.

  • «کاروتن‌ها» (Carotenes): این رنگدانه‌ها مشتقات بدون اکسیژن کاروتنوئید هستند. بتاکاروتن یکی از کاروتن‌های موجود در برگ است که در فتوسنتز نقشی ندارد اما انرژی اضافه کلروفیل را دریافت و از ایجاد رادیکال آزاد در سلول جلوگیری می‌کند. این درشت‌مولکول، پیش‌ساز ویتامین A است.
  • «گزانتوفیل‌ها» (Xanthophylls): این درشت‌مولکول‌ها، زیرمجموعه‌ای از کارتنوئیدها هستند که نور آبی را جذب و رنگ زرد ایجاد می‌کنند. گزانتوفیل‌ها به دلیل وجود گروه‌های عاملی هیدروکسیل ($$OH$$) و کتون در ساختارشان، آبدوست هستند. این ترکیب، پیش‌ساز هورمون‌های گیاهی (به‌خصوص آبسیزیک اسید) است.
  • «لیکوپن» (Lycopene): لیکوپن آنتی‌اکسیدانی قوی است و از سلول‌ها در برابر رادیکال‌های آزاد محافظت می‌کند. رنگ موجود در گوجه‌فرنگی، هندوانه و پرتقال خونی به دلیل وجود این رنگدانه است.
    لیکوپن

آنتوسیانین

این رنگدانه‌ها در تمام بافت‌های گیاهان آلی وجود دارند و رنگ ساقه، گل، ریشه، میوه و برگ را ایجاد می‌کنند. آنتوسیانسن‌ها نور آبی-سبز از طیف مرئی را جذب می‌کنند و براساس pH محیط، رنگ قرمز (محیط اسیدی)، بنفش یا آبی (محیط خنثی) به‌وجود می‌آورند. این رنگدانه‌های محلول در آب، یک بخش قندی دارند و در واکوئل‌های سلول ذخیره می‌شوند.

فلاونوئید‌ها

فلاونوئید رنگدانه‌ای است که به لیمو، پرتقال، گریپ فوروت و گل‌های زرد، رنگ می‌دهد. این رنگدانه‌ها بیشتر در پلاستیدها و سیتوپلاسم سلول‌های گیاهی ذخیره می‌شوند. فلاونوئید‌ها آنتی‌اکسیدان هستند.

لگوموگلوبین

«لگوموگلوبین» (Leghemoglobin) پروتئین حمل اکسیژن در ریشه حبوبات است و ساختار و ترکیب شیمیایی شبیه به هموگلوبین جانوری دارد. این پروتئین آهن‌دار در پاسخ به همزیستی باکتری‌های ریزوبیوم ساخته می‌شود تا غلظت اکسیژن را برای فعالیت بهینه آنزیم نیتروژناز تنظیم کند.

رنگدانه زیستی باکتری‌ ها

سیانوباکترها، باکتری‌های فتوسنتزکننده‌ای هستند که رنگدانه‌های کلروفیل، کاروتنوئید، «فیکوبیلی‌پروتئین» (Phycobiliproteins) و «سیتونمین» (Scytonemin) دارند.

  • کلروفیل: شش کلروفیل مختلف در سیانوباکترها تولید می‌شود که فقط نوع a در فتوسنتز نقش دارد. ساختار کلروفیل این باکتری‌ها شبیه به کلروفیل گیاهی است.
  • کاروتنوئیدها: کاروتنوئیدهای سیانوباکتر ساختار و عملکرد نمونه گیاهی را دارد.
  • فیکوبیلی‌پروتئین: این پروتئین کروموفری دارد و بخشی از نور مرئی را جذب می‌کند که جذب کمی در کلروفیل دارد. این رنگدانه‌ها بر اساس طیف نوری که جذب می‌کنند به گروه‌های مختلف تقسیم می‌شوند. ساختار این رنگدانه شبیه به «بیلی‌روبین» (Bilirubin) حیوانی است که از هموگلوبین مشتق می‌شود.
  • سیتونمین: این رنگدانه، سپر خارج سلولی برای محافظت سیانوباکتر در برابر اشعه ماورابنفش است. سینونمین، اشعه فرابنفش را قبل از رسیدن به سیستم نوری سیانوباکتر جذب و از آسیب این سیستم جلوگیری می‌کند.

رنگدانه زیستی حیوانات

رنگدانه‌های بدن حیوانات در زوائد پوستی مرده مثل مو در پستانداران، بال پرندگان و فلس‌های لاک‌پشت‌ها و سلول‌های زنده پوست، وجود دارند.

رنگدانه زیستی بدن انسان

رنگدانه‌های موجود در بدن انسان، علاوه بر ایجاد رنگ، وظایف مهمی در فعالیت‌های روزانه او دارند. برای مثال ملانین رنگدانه پوستی است که سبب می‌شود رنگ پوست زرد تا قهوه‌ای دیده شود و از پوست در برابر آسیب نور خوشید محافظت می‌کند. رودوبسین رنگدانه بنفش در چشم است که به دید در نور کم کمک می‌کند و در نهایت، هموگلوبین یکی از شناخته‌شده‌ترین رنگدانه‌ها است که در انتقال اکسیژن به بافت‌های مختلف نقش دارد.

رنگدانه زیستی ملانین

ملانین، رنگدانه فراوان در پوست است که سلول‌های ملانوسیت آن را می‌سازند. رنگ پوست فقط به دلیل رنگدانه ملانین نیست و حضور رگ‌های خونی نزدیک به پوست که رنگدانه هموگلوبین دارند هم، در ایجاد رنگ پوست دخالت دارد. این رنگدانه در ایجاد رنگ مو و عنبیه نیز نقش دارد. دو گروه ملانین در بدن ساخته می‌شوند.

  •  «یوملانین» (Eumelanin): قهوه‌ای یا قهوه‌ای-مشکی است.
  • «فئوملانین» (Pheomelanin): زرد تا قرمز است.

کار ملانین در پوست چیست ؟

ملانین نزدیک سطح پوست جمع می‌شود و علاوه بر ایجاد رنگ پوست، بخش زیادی از اشعه فرابنفش خورشید را جذب و از نفوذ آن به بخش‌های زیرین و آسیب DNA سلول‌ها جلوگیری می‌کند.

غلظت ملانین

غلظت ملانین در پوست‌های روشن کمتر از پوست‌های تیره است و به همین دلیل محافظت کمتری در برابر اشعه فرابنفش دارد. تغییر رنگ پوست در نور آفتاب به این معنی است که پوست در تنش قرار دارد. در این شرایط، ملانوسیت‌ها رنگدانه بیشتری تولید می‌کند و پوست تیره‌تر می‌شود.

رنگ پوست
تغییر غلظت ملانین موجود در پوست، رنگ آن را تغییر می‌دهد.

کار ملانین در عنبیه چیست؟

ملانین در ایجاد رنگ چشم نقش دارد. استروما، بخش خارجی و ضخیم عنبیه است که سلول‌های ملانوسیت را در خود جای می‌دهد. اپیدرم رنگی پشت عنبیه، حاوی رنگدانه ملانین است. غلظت ملانین عنبیه رنگ چشم را تعیین می‌کند.

  • قهوه‌ای: بیشترین غلظت ملانین
  • سبز : غلظت متوسط ملانین
  • آبی: فاقد ملانین

رنگدانه رودوبسین

«رودوبسین» (Rhodopsin) رنگدانه موجود در سلول‌های استوانه‌ای شبکیه چشم و از گیرنده‌های متصل به G پروتئین است. این رنگدانه به انسان کمک می‌کند در نور بسیار کم، اجسام را ببیند. در نور زیاد، این مولکول جذب نور ندارد و به رتینال و پروتئین اُپسین شکسته می‌شود.

رنگدانه هموگلوبین

هموگلوبین رنگدانه قرمز در گلبول قرمز خون است که گازهای تنفسی را در اندام‌های مختلف منتقل می‌کند. این پروتئین از یک حلقه هیدروکربنی تشکیل شده است که آهن در مرکز آن قرار می‌گیرد و جذب نور در این ساختار، رنگ قرمز ایجاد می‌کند.

میوگلوبین

میوگلوبین، هموگلوبین موجود در ماهیچه‌های مخطط در بدن است و سبب قرمز دیده شدن ماهیچه‌ها می‌شود. این رنگدانه اکسیژن لازم برای فعالیت‌های ماهیچه را تامین می‌کند.

رنگدانه های زیستی در صفرا

عمر گلبول‌های قرمز ۱۲۰ روز است و پس از مرگ در کبد و طحال تجزیه می‌شوند. پس از تجزیه، هموگلوبین موجود در این سلول‌ها به رنگدانه سبز «بیلی‌وردین« (Biliverdin) تبدیل می‌شود. در مرحله بعد رنگدانه بیلی‌وردین به بیلی‌روبین تبدیل و وارد صفرا می‌شود. تغییرات بعدی بیلی‌روبین را تبدیل به دو رنگدانه استروکوبیلین و یوروبیلین می‌کند.

  • «استروکوبیلین» (Stercobilin): بیلی‌روبین به همراه غذای هضم نشده وارد روده بزرگ می‌شود و فعالیت باکتری‌ها و واکنش‌های شیمیایی روده آن را به رنگدانه قهوه‌ای رنگ استروکوبیلین تبدیل می‌کند. رنگ مدفوع به دلیل حضور این رنگدانه است.
  • «یوروبیلین» (Urobilin): بخشی از بیلی‌روبین به رنگدانه زرد یوروبیلین تبدیل می‌شود. این رنگدانه از غشای سلول‌های دیواره روده وارد رگ می‌شود. تراوش گلومرولی در کلیه سبب ورود این رنگدانه به نفرون و ایجاد رنگ زردِ ادرار می‌شود.

اختلال رنگدانه های زیستی

کمبود رنگدانه‌ها در بدن یا افزایش تولید آن‌ها بیماری‌های متفاوتی در انسان به وجود می‌آورد. «پیسی» (Vitiligo)، «یرقان» (Jaundice)، «ملانوما» (Melanoma) و کم‌خونی وابسته به آهن و ملانوما، ۴ اختلال رایج مربوط به رنگدانه‌ها هستند.

  • پیسی: پیسی، بیماری است که در آن ملانوسیت‌های پوست از بین می‌روند. در نتیجه بخش‌های فاقد ملانین پوست سفید می‌شوند. علت اصلی این بیماری مشخص نیست اما ممکن است برخی ژن‌ها در ایجاد آن دخیل باشند.
    پیسی
    اختلال در تولید رنگدانه ملانین سبب ایجاد بیماری پیسی می‌شود.
  • یرقان: در یرقان یا «هایپربیلی‌روبینمیا» (Hyperbilirubinemia) غلظت رنگدانه بیلی‌روبین در بدن افزایش می‌باید و سبب تجمع آن در پوست می‌شود. علت رنگ زرد پوست و چشم در این بیماری به دلیل تجمع همین رنگدانه است. یرقان به سه دلیل به‌وجود می‌آید.
    • تعداد گلبول‌های قرمزی که در کبد تجزیه می‌شوند زیاد است، به همین دلیل غلظت هموگلوبین و به دنبال آن غلظت بیلی‌روبین افزایش می‌یابد.
    • آسیب کبدی مانع ورود بیلی‌روبین به روده می‌شود.
    • گرفتگی مجراری صفرا به بیلی‌روبین اجازه خروج از بدن نمی‌دهد.

    یرقان در نوزادان تازه متولد شده به دلیل نارَس بودن کبد به‌وجود می‌آید که بنا به تشخیص پزشک ممکن است نیاز به درمان داشته باشد.

  • کم‌خونی فقر آهن: یکی از رایج‌ترین انواع کم‌خونی، کم‌خونی فقر آهن است. هموگلوبین برای اینکه ساختار عملکردی داشته باشد به آهن نیاز دارد. کمبود آهن سبب اختلال در تولید هموگلوبین می‌شود.در نتیجه اکسیژن‌رسانی به بافت‌ها با مشکل موجه خواهد شد.
  • ملانوما: ملانوما سرطانی است که سلول‌های تولیدکننده ملانین را درگیر می‌کند. در این بیماری ملانوسیت‌ها به سرعت تقسیم می‌شوند و افزایش تعداد آن‌ها، غلظت ملانین موجود در پوست را افزایش می‌دهد.ملانوما

رنگدانه های طبیعی در صنعت

به دلیل ضررهای رنگدانه‌های طبیعی برای انسان و محیط زیست، استفاده از رنگدانه‌های طبیعی در صنعت توجه زیادی به خود جلب کرده است. برای مثال، کاروتنوئیدها در مکمل‌های غذایی، غنی‌سازی موادغذایی، رنگ غذا، تغذیه حیوانات و صنایع داروسازی و لوازم آرایشی استفاده می‌شود. فلاونوئیدها یکی دیگر از رنگدانه‌ها هستند که در صنعت داروسازی از آن‌ها بهره برده می‌شود. در صنایع غذایی از این رنگدانه‌ها برای نگهداری غذا، ایجاد رنگ و طعم، مکمل‌های غذایی استفاده می‌شود.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۹ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

مرضیه پیمان فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد نانوفناوری پزشکی است. در زمینه ترجمه متون تخصصی و کاربردهای نانو‌ساختارها در پزشکی فعالیت می‌کند. در حال حاضر در زمینه تولید‌ محتوای زیست‌شناسی با فرادرس همکاری می‌کند.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.