Tom 60 2011 Numer 1–2 (290–291) Strony 173–177 Marta BałaBusta, Krystyna Maria Janas Katedra Ekofizjologii i Rozwoju Roślin Uniwersytet Łódzki Banacha 12/16, 90-237 Łódź E-mail: [email protected] DO CZEGO ROŚLINIE POTRZEBNY JEST BARWNIK ZWIERZĘCY — BILIRUBINA? WSTĘP W 2009 r. Cary Pirone, z Institute of Bio- logical Science, Florida Interational Universi- ty, opublikował sensacyjne doniesienie, że w osnówce nasion (zgrubienie rozwijające się wokół nasienia i stanowiące jego otoczkę) strelicji (Strelitzia nicolai Regel & Koern.), zwanej białym rajskim ptakiem, znajduje się bilirubina (Pirone i współaut. 2009), znana jako związek syntetyzowany tylko u zwierząt. Ryc. 1. Struktura bilirubiny-IX a. Bilirubina (Ryc. 1) jest produktem degra- dacji hemoglobiny u zwierząt. Część białko- rozpowszechnioną w klimacie tropikalnym. wa hemoglobiny ulega rozpadowi do amino- Owoce jej są skórzaste, suche, pękające, z kwasów, natomiast z hemu powstaje liniowy intensywnie pomarańczowymi wypustkami i tetrapirol biliwerdyna, która następnie redu- licznymi nasionami w środku (Pierce i Wsler kowana jest do bilirubiny (Murray i współ- 1995). Identyfikacja barwników występują- aut. 1990). Atom żelaza zostaje włączony do cych w osnówce nasion, przy wykorzystaniu ogólnej puli żelaza obecnej w organizmie. U wysokosprawnej chromatografii cieczowej człowieka przekształcenie hemu do bilirubi- (HPLC) wykazała, że w ekstraktach pojawiał ny przez komórki siateczkowo-śródbłonkowe się jeden główny związek, który pochłaniał można zaobserwować in vivo na przykładzie światło UV o maksimum 444 nm. Związek krwiaka, w którym czerwonawa barwa prze- ten zidentyfikowano jako bilirubinę-IX a wy- chodzi powoli w żółte zabarwienie, spowo- korzystując w tym celu metodę spektroskopii dowane przemianą czerwonego hemu do magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) żółtej bilirubiny. oraz sprzężenie spektrometru masowego z Strelitzia nicolai jest rośliną naturalnie chromatografem cieczowym (LC-ESI) (Pirone występującą w Południowej Afryce, szeroko i współaut. 2009). WYSTĘPOWANIE BILIRUBINY Wykazano, że występowanie bilirubiny aut. 2009). Wyniki analiz ekstraktów otrzy- nie jest ograniczone tylko do S. nicolai. Jej manych z tych roślin jednoznacznie wykazały obecność stwierdzono u innych gatunków obecność w nich barwników, których czas należących do Strelitziaceae jak np. Phenako- retencji i zakres absorpcji promieniowania spermum guyanense Endl. i strelicji królew- UV były porównywalne z tym, które uzyska- skiej (Strelitzia reginae Ait.) (Pirone i współ- no dla bilirubiny (Pirone i współaut. 2010a). 174 Marta BałaBusta, Krystyna Maria Janas Analiza chromatograficzna barwnika z W dojrzałych tkankach osnówki nasion dziesięciu badanych gatunków roślin wykaza- bilirubina kumuluje się w komórkach w po- ła, że związek ten występuje w ośmiu gatun- staci ziarnistych ciał rozmieszczonych nie- kach: Musa balbisiana (rodz. Musacea; rząd równomiernie. Natomiast w preparatach mi- Zingiberales), Heliconia collinsiana (rodz. kroskopowych z dojrzałych działek kielicha Heliconiaceae; rząd Zingiberales), Costus lu- obserwowano występowanie wydłużonych canusianus (rodz. Costaceae; rząd Zingibera- struktur, które, jak wcześniej wykazano, za- les), Ravenala madagascariensis (rodz. Stre- wierają karotenoidy (siMPson i współaut. litziaceae; rząd Zingiberales), Phenakosper- 1975), ale jest wysoce prawdopodobne, że mum guyanense (rodz. Strelitziaceae; rząd również i bilirubinę, aczkolwiek żadnych, Zingiberales), Hedychium coronarium (rodz. specjalnych struktur zawierających ten pig- Zingiberaceae; rząd Zingiberales), Gastrococ- ment nie znaleziono (Pirone i współaut. cus crispa (rodz. Arecaceae; rząd Arecales) 2010). i Eugenia luschnathiana (rodz. Myrtaceae; Z dotychczas przeprowadzonych badań rząd Myrtales). Stwierdzono natomiast, że na- wynika, że na rozpad bilirubiny wpływają daje on kolor tylko w gatunkach należących podwyższona temperatura, światło i tlen. Jed- do rodziny strelicjowatych (Strelitziaceae). nak wstępne analizy wykazały, że związek ten W większości badanych roślin bilirubina jest stabilny nawet przez wiele lat w osnów- występowała w owocach, łącznie ze skór- ce nasion i przez kilka miesięcy w działkach ką, osnówce nasion oraz w niewielkich stę- kielicha strelicji. Przypuszcza się, że utrzyma- żeniach w działkach kielicha a także kwia- nie zabarwienia może wynikać z wysokiej za- tach. W S. reginae stężenie tego związku w wartości lipidów w tych organach (Pirone i ekstraktach wahało się w granicach od <44 współaut. 2010). ng g—1 świeżej masy w działkach kielicha do Synteza bilirubiny w roślinach może też 21,97 mg g—1 świeżej masy w osnówce na- zależeć od innych czynników takich jak np. sion (Pirone i współaut. 2010). Zatem biliru- stadium rozwojowe rośliny. Stwierdzono naj- bina wydaje się być najważniejszym pigmen- wyższą zawartość bilirubiny w osnówce doj- tem osnówki i to ona jest odpowiedzialna rzałych nasion S. nicolai (Pirone i współaut. za jej kolor. Natomiast za żółte zabarwienie 2010a). Można zatem wysunąć hipotezę, że działek kielicha odpowiedzialne są głównie brak bilirubiny u niektórych gatunków roślin karotenoidy, występujące w wysokich stę- może być wynikiem zróżnicowanej intensyw- żeniach, maskujących bilirubinę (siMPson i ności syntezy barwnika w czasie wzrostu i współaut. 1975). rozwoju (Pirone i współaut. 2010b). SYNTEZA BILIRUBINY W ROŚLINACH Tetrapirole są związkami szeroko rozpo- stępnie, po wbudowaniu atomu magnezu, wszechnionymi w świecie roślin, syntetyzo- powstaje protoporfiryna IX. Ten układ prze- wanymi wyłącznie w plastydach. Pełnią bar- kształca się w protochlorofilid, który w wyni- dzo istotne funkcje, stąd niekiedy określa się ku szeregu reakcji, katalizowanych światłem, je mianem barwników życia. Do najbardziej ulega przemianie w chlorofil (Ryc. 2) (Mło- rozpowszechnionych pochodnych tetrapirolu dzińsKa 2009 ). należą chlorofil oraz hem. Barwniki pirolowe Obok chlorofili, w komórkach roślinnych są związkami barwnymi, zawierającymi 5-czło- występują jeszcze dwie ważne grupy barw- nowe pierścienie pirolowe z atomem azotu ników, które określa się mianem barwników (MłodzińsKa 2009). Początkowe etapy syn- pomocniczych: karotenoidy i fikobiliny. Fiko- tezy chlorofilu i hemu są wspólne (Ryc. 2). biliny, występujące u niektórych glonów, są Najpopularniejszym barwnikiem roślinnym zbudowane z 4 pierścieni pirolowych połą- jest chlorofil, wyjściowo syntetyzowany z czonych liniowo, podobnie jak bilirubina. W kwasu glutaminowego. Zostaje on przekształ- swojej budowie nie zawierają one ani atomu cony do kwasu δ-aminolewulinowego (ALA), magnezu ani fitolu (nienasycony alkohol di- który jest prekursorem dla syntezy chlorofilu terpenowy występujący w cząsteczce chloro- i hemu. Kolejnym etapem w biosyntezie te- filu) (deMMeyer i FranKenBerg-dinKel 2008). trapiroli jest kondensacja 2 cząsteczek ALA Karotenoidy należą do grupy terpeno- do 4 cząsteczek porfobilinogenu, w wyni- idów. Dzielą się na pomarańczowe — ka- ku czego powstaje uroporfirynogen III. Na- roteny i żółtopomarańczowe — ksantofile. Barwnik zwierzęcy — bilirubina u roślin 175 u roślin — do chromobiliny. U roślin rozpad hemu prowadzi do powstania biliwerdyny, która następnie przekształcana jest do fito- chromobiliny, prekursora chromoforowej części fitochromu (receptor światła czerwo- nego i dalekiej czerwieni u roślin) (Pirone i współaut. 2010a). Prowadzone w ostatnich latach bada- nia doprowadziły do odkrycia bilirubiny u S. nicolai oraz S. reginae, co zrewolu- cjonizowało dotychczasowy stan wiedzy. Bilirubina została uznana za pierwszy, od- powiadający za nadanie barwy związek, syntetyzowany na drodze szlaku tetrapiroli (Pirone i współaut. 2010a). Biochemicz- ny szlak syntezy bilirubiny u roślin wciąż jednak jest niepoznany. U zwierząt bili- werdyna-IX a jest redukowana do biliru- biny-IX a przez reduktazę biliwerdyny-IX a zależną od NADPH (Maines i traKshel 1993). Odwrotnie natomiast jest u roślin. Tutaj biliwerdyna-IX a jest przekształca- na do strukturalnego izomeru bilirubiny, 3Z-fitochromobiliny, prekursora chromo- forowej części fitochromu (tanaKa i ta- naKa 2007), przez enzym reduktazę biliny zależną od ferredoksyny (Ryc. 3) (terry i współaut. 1995, Kohchi i współaut. 2001). U cyjanobakterii i glonów, biliwerdyna-IX a Ryc. 2. Schemat biosyntezy chlorofilu i hemu w jest także redukowana do fikobiliny przez roślinach. reduktazę biliny zależną od ferredoksyny (Beale 1993, FranKenBergi współaut. 2001, Biosynteza tych barwników rozpoczyna się demmeyer i FranKenBerg-dinKel 2008). od połączenia dwóch cząsteczek pirofosfo- Zwierzęcy enzym reduktaza biliwerdyny-IX ranu geranylogeranylu, co prowadzi do po- a zależna od NADPH została zidentyfiko- wstania fitoenu. Następnie w wyniku szere- wana i sklonowana u cyjanobakterii Syne- gu przemian dochodzi do wytworzenia li- chocystis oraz u różnych gatunków bakterii kopenu, który stanowi substrat w reakcjach (schluchter i glazer 1997). Jest więc moż- cyklizacji prowadzących do wytworzenia liwe, że u roślin także bilirubina-IX a po- pierścieniowych form karotenoidów (Mło- wstaje poprzez redukcję biliwerdyny-IX a, dzińsKa 2009). z udziałem enzymu reduktazy biliwerdyny- U kręgowców, podobnie jak u roślin, bi- IX a zależnej od NADPH. Jest prawdopo- liwerdyna jest pochodną hemu, z tą różnicą, dobne, że jest ona syntetyzowana w zupeł- że jest przekształcana bezpośrednio do żółto- nie inny, dotąd jeszcze niepoznany sposób pomarańczowego barwnika — bilirubiny (ta- (Pirone i współaut. 2010b). naKa i tanaKa 2007), a nie jak ma to miejsce Ryc.3. Biosynteza bilin w organizmach