生物色素

カロテノイドは自然界で最も一般的な色素群です。^{[ 18 ]}動物、植物、微生物には600種類以上のカロテノイドが存在します。

海洋生物はカロテノイドを自ら合成することができないため、これらの色素を植物から得ています。カロテノプロテインは海洋生物に特に多く見られます。これらの複合体は、海洋無脊椎動物の交尾儀式やカモフラージュのために、様々な色（赤、紫、青、緑など）を生み出しています。カロテノプロテインには、A型とB型の2つの主要なタイプがあります。A型は、カロテノイド（発色団）が単純なタンパク質（糖タンパク質）と化学量論的に結合しています。B型は、カロテノイドがリポタンパク質と結合しており、通常は安定性が低くなっています。A型は海洋無脊椎動物の表面（殻や皮膚）によく見られますが、B型は通常、卵、卵巣、血液に見られます。これらのカロテノプロテイン複合体の色と特徴的な吸収は、発色団とタンパク質サブユニットの化学結合に基づいています。

例えば、青色のカロテノプロテインであるリンキアシアニンは、複合体1つあたり約100～200個のカロテノイド分子を含んでいます。^{[ 19 ]}さらに、これらの色素タンパク質複合体の機能によって、その化学構造も変化します。光合成構造内にあるカロテノプロテインはより一般的ですが、複雑です。光合成系外にある色素タンパク質複合体は一般的ではありませんが、より単純な構造をしています。例えば、クラゲのVelella velellaには、このような青色のアスタキサンチンタンパク質が2つしかなく、複合体1つあたり約100個のカロテノイドしか含まれていません。^{[ 20 ]}

動物によく見られるカロテノイドの一つにアスタキサンチンがあり、これは紫がかった青色や緑色の色素を発します。アスタキサンチンの色は、タンパク質と特定の順序で複合体を形成することによって生じます。例えば、クラストクリンは約20個のアスタキサンチン分子がタンパク質と結合した構造をしています。これらの複合体が励起子-励起子相互作用によって相互作用すると、吸収極大が低下し、様々な色の色素が変化するのです。

ロブスターには、さまざまなタイプのアスタキサンチン-タンパク質複合体が存在します。1つ目は、ロブスターの甲羅に見られるスレートブルーの色素であるクラスタシアニン（最大波長632  nm）です。2つ目は、甲羅の外層に見られる黄​​色の色素であるクラストクリン（最大波長409 nm）です。最後に、リポ糖タンパク質とオボベルジンは、甲羅の外層とロブスターの卵に通常存在する鮮やかな緑色の色素を形成します。^{[ 21 ] [ 22 ]}

テトラピロールは_、次に一般的な色素群です。^{[ 23 ]}テトラピロールは4つのピロール環を持ち、各環はC4H4NHで構成されています_。テトラピロールの主な役割は、生物学的酸化プロセスへの関与です。テトラピロールは電子伝達において重要な役割を果たし、多くの酵素の代替として機能します。また、海洋生物の組織の色素沈着にも関与しています。

メラニン^{[ 24 ]}は、海洋動物の暗い色、黄褐色、黄色/赤みがかった色素の原因となる、構造の異なる化合物のクラスです。メラニンは、アミノ酸チロシンがメラニンに変換されることで生成され、皮膚、毛髪、目に存在します。フェノールの好気性酸化によって生成されるポリマーです。

メラニンは窒素含有メラニンなどのより小さな構成分子の集合体であるため、いくつかの異なるタイプがあります。色素には2つのクラスがあります。黒色および褐色の不溶性ユーメラニンは、チロシナーゼの存在下でチロシンの好気性酸化によって生成され、アルカリ可溶性フェオメラニンは、黄色から赤褐色までの色調を持ち、システインおよび/またはグルタチオンの介入によるユーメラニン経路の逸脱によって生じます。ユーメラニンは通常、皮膚と目に存在します。いくつかの異なるメラニンには、メラノプロテイン（コウイカ Sepia Officianalis の墨袋に高濃度で蓄積される暗褐色のメラニン）、ウニ類（タコノマクラやウニの心臓に見られる）、ナマコ類（ナマコに見られる）、クモヒトデ類（クモヒトデやヘビヒトデに見られる）などがあります。これらのメラニンは、単純な二官能性モノマー中間体、あるいは高分子量の化合物が繰り返し結合して生じるポリマーであると考えられる。ベンゾチアゾール環系およびテトラヒドロイソキノリン環系は、紫外線吸収化合物として作用する。

深海における唯一の光源である海洋生物は、化学発光の一種である生物発光と呼ばれる可視光エネルギーを発します。 [ 25 ]^これは、化学エネルギーが光エネルギーに変換される化学反応です。深海生物の90%が何らかの生物発光を起こすと推定されています。可視光スペクトルの大部分が深海に到達する前に吸収されることを考慮すると、海洋生物から放出される光のほとんどは青と緑です。しかし、一部の種は赤色や赤外線を放出する可能性があり、黄色生物発光を起こす属も発見されています。生物発光の放出を担う器官は発光器として知られています。このタイプの発光器はイカと魚にのみ存在し、腹面を照らすことで捕食者からシルエットを隠すために使用されます。海洋生物の発光器の用途は、色の強度や生成される光の強度を制御するレンズなど、様々です。イカは発光器と色素胞の両方を持っており、これら両方の強度を制御しています。クラゲが発する光のバーストに見られる生物発光の放出に関与するもう1つのものは、ルシフェリン（光発生物質）から始まり、発光体（発光体）で終わります。ルシフェリン、ルシフェラーゼ、塩、酸素が反応して結合し、光タンパク質と呼ばれる単一のユニットを形成します。これは、Ca+などの別の分子と反応すると光を生成します。クラゲはこれを防御機構として使用します。より小さな捕食者がクラゲを食べようとすると、光を点滅させ、それによってより大きな捕食者をおびき寄せ、より小さな捕食者を追い払います。これは交尾行動にも使用されます。

造礁サンゴやイソギンチャクでは、これらの色素は蛍光を発します。つまり、ある波長の光が吸収され、別の波長の光が再放出されるのです。これらの色素は、天然の日焼け止めとして機能したり、光合成を助けたり、警告色として機能したり、配偶者を引き付けたり、ライバルに警告したり、捕食者を混乱させたりするのに役立つと考えられています。

色素胞は、中枢運動ニューロンによって直接刺激される色素変化細胞です。主に、環境への迅速な適応とカモフラージュに利用されます。皮膚の色素変化のプロセスは、高度に発達した単一の色素胞細胞と、多数の筋肉、神経、グリア細胞、鞘細胞に依存しています。色素胞は収縮し、3種類の液体色素を貯蔵する小胞を含んでいます。それぞれの色は、赤色素胞、黒色素胞、黄色色素胞の3種類の色素胞細胞によって示されます。最初の種類は赤色素胞で、カロテノイドやプテリジンなどの赤みがかった色素を含みます。2番目の種類は黒色素胞で、メラニンなどの黒色や褐色の色素を含みます。3番目の種類は黄色色素胞で、カロテノイドの形で黄色の色素を含みます。さまざまな色は、色素胞の異なる層の組み合わせによって作られます。これらの細胞は通常、動物の皮膚や鱗の下に位置しています。細胞によって生成される色は、生体色と構造色という2つのカテゴリーに分けられます。生体色は、化学的に形成された微細な天然色素です。その化学組成は、光のある色を取り込み、残りの色を反射するように作られています。一方、構造色（構造色）は、無色の表面からの光の反射と組織による屈折によって生成される色です。構造色はプリズムのように働き、可視光を周囲に屈折・分散させ、最終的に特定の色の組み合わせを反射します。これらのカテゴリーは、色素胞内の色素の動きによって決まります。生理的な色の変化は、魚類に見られるように、短期間で急速に起こり、動物が環境の変化に反応した結果です。一方、形態的な色の変化は、動物のさまざまな段階で起こる長期的な変化であり、色素胞の数の変化によるものです。色素の色、透明度、または不透明度を変化させるために、細胞は形や大きさを変え、外側の被膜を伸縮させる。

UV-AとUV-Bによるダメージを避けるため、海洋生物は紫外線を吸収して日焼け止めとして機能する化合物を進化させてきた。ミコスポリン様アミノ酸（MAA）は310～360nmの紫外線を吸収する 。メラニンもまた、よく知られた紫外線防御物質である。カロテノイドと光色素は、酸素フリーラジカルを消去することで間接的に光防御色素として機能する。また、青色領域の光エネルギーを吸収する光合成色素を補う役割も果たす。

動物が体色を使って捕食者を威嚇することはよく知られているが、ある海綿の色素が、海綿を捕食するヨコエビの脱皮を制御する化学物質を模倣していることが観察されている。つまり、そのヨコエビが海綿を食べると、色素が脱皮を阻害し、最終的にヨコエビは死んでしまうのだ。

無脊椎動物の体色は、水深、水温、餌、海流、地理的位置、光量、堆積物などによって変化します。例えば、あるイソギンチャクのカロテノイドの量は、海が深くなるにつれて減少します。そのため、色素の減少により、深海に生息する海洋生物は、日当たりの良い場所に生息する生物よりも色が鮮やかではありません。群体性ホヤとシアノバクテリアの共生関係にあるTrididemnum solidumの群体では、生息する光環境によって体色が異なります。直射日光にさらされる群体は、石灰化が進み、厚く、白色です。一方、日陰に生息する群体は、フィコシアニン（赤色を吸収する色素）に比べてフィコエリトリン（緑色を吸収する色素）が多く、薄く、紫色です。日陰になっている群体に見られる紫色は、主に藻類のフィコビリン色素によるものであり、つまり、光への曝露量の変化によってこれらの群体の色が変化するということである。

警告色とは、捕食者に近づかないように警告する色のことです。多くのクロモドリ科のウミウシは、海綿動物から放出される不快な有毒物質を取り込み、外套膜の縁にある忌避腺に蓄えます。ウミウシの捕食者は、これらのウミウシの鮮やかな体色パターンに基づいて、特定のウミウシを避けることを学習しています。また、ウミウシも、さまざまな有機化合物や無機化合物からなる有毒物質によって身を守ります。

海洋生物の色素は、防御以外にも様々な役割を果たしている。一部の色素は紫外線から保護する働きがあることが知られている（光防御色素を参照）。ウミウシの一種であるNembrotha Kubaryanaでは、テトラピロール色素13が強力な抗菌剤であることが分かっている。また、この生物では、タムジャミンA、B、C、E、Fが抗菌作用、抗腫瘍作用、免疫抑制作用を示すことが確認されている。

セスキテルペノイドは青色や紫色で知られていますが、抗菌作用、免疫調節作用、抗微生物作用、細胞毒性作用、受精ウニやホヤの卵の細胞分裂阻害作用など、さまざまな生物活性を示すことも報告されています。他にもいくつかの色素が細胞毒性を示すことが分かっています。実際、Phakellia stellidermaという海綿から単離された2つの新しいカロテノイドは、マウス白血病細胞に対して軽度の細胞毒性を示しました。医学的関心のある他の色素としては、シトネミン、トプセンチン、デブロモヒメニアルジシンがあり、それぞれ炎症、関節リウマチ、変形性関節症の分野でいくつかのリード化合物が存在します。トプセンチンは免疫原性炎症の強力なメディエーターであり、トプセンチンとシトネミンは神経原性炎症の強力な阻害剤であるという証拠があります。