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Cuaderno Nº 122  

Los pigmentos en la naturaleza
 

Cuando se observa la naturaleza, el color es una de las características que se destaca por la gran diversidad que presenta. En la naturaleza, el color cumple funciones importantes, entre ellas la capacidad fotosintética de los vegetales, ya que la principal molécula involucrada en la absorción de energía lumínica es la clorofila, uno de los pigmentos predominantes en la naturaleza (ver Cuadernos nº 106, 107).
El color de las plantas también influye sobre el potencial de una planta para reproducirse. En particular, el color de las flores (ver Cuaderno nº 72) atrae a los polinizadores que transportan el polen y facilitan la fecundación, mientras que la pigmentación de frutas y semillas atrae a los animales consumidores que luego dispersan las semillas y la especie hacia nuevos espacios.

El color y los pigmentos

En biología, un pigmento es cualquier molécula que produce color en las células animales, vegetales, bacterias y hongos. Muchas estructuras biológicas, como la piel, los ojos y el pelo en mamíferos contienen pigmentos —como la melanina— localizados en células especializadas llamadas cromatóforos. En mamíferos, se denominan específicamente Melanocitos. Si bien todos los cromatóforos contienen pigmentos, no todas las celulas que presentan pigmentos son cromatóforos: el grupo hemo por ejemplo es responsable del color rojo de la sangre y se encuentra en los eritrocitos. Esta denominación diferencial está asociada al origen embrionario de cada tipo de célula.  Dentro de los cromatóforos, los pigmentos se localizan en vacuolas o vesículas. En los vegetales, los pigmentos pueden localizarse en diferentes organelas denominadas plástidos. Estas moléculas son capaces de absorber ciertas longitudes de onda y reflejar otras, de acuerdo a su estructura química. Las longitudes que se reflejan son aquellas que los ojos reciben y que el cerebro interpreta como “color”.
La luz blanca es una mezcla del espectro visible de luz. Cuando esta luz se encuentra con un pigmento, algunas ondas son absorbidas por los pigmentos, mientras otras son reflejadas. El espectro de luz reflejado se percibe como color. Por ejemplo, un pigmento azul marino refleja la luz azul y absorbe los demás colores. Por reflejar las longitudes de onda en la gama del azul, el cerebro recibe y decodifica esa información.

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La clorofila y otros pigmentos

En general, el color que presenta un determinado tejido u órgano vegetal, depende del predominio de un pigmento o de la combinación de varios de ellos. A simple vista el color verde es el mayoritario en las especies vegetales. Esta coloración es debida a la presencia de dos de los principales pigmentos vegetales, la clorofila a y la clorofila b, que se encuentran en prácticamente todas las plantas con semillas, los helechos, musgos y algas. La síntesis de la clorofila depende de la presencia de la luz, por lo tanto, aunque podría fabricarse en diferentes órganos de las plantas, su expresión dependerá de la exposición de cada tejido a la luz. Otros pigmentos también están presentes en las plantas verdes, pero enmascarados por la clorofila. La síntesis, el tipo de pigmento y su concentración en una planta pueden ir variando ya que responden a factores externos como las condiciones climáticas o al estrés originado por el ataque de algún patógeno. Esto explica la variación de color en especies forestales a lo largo de las estaciones del año. En el otoño cuando la energía lumínica se reduce, disminuye también la producción de clorofila, por lo cual se manifiestan los pigmentos naranja, morado y amarillo que estaban enmascarados por la clorofila, ahora ausente.

Los pigmentos en los vegetales

Los pigmentos se localizan en diferentes organelas según el tipo de molécula y su función. La clorofila se encuentra específicamente en las organelas vegetales  llamadas cloroplastos, en las membranas internas o tilacoides (Ver cuaderno nº 106). Asociados con la clorofila, existen también en los cloroplastos otra clase de pigmentos denominados “accesorios” que forman parte del complejo antena de la fotosíntesis,  de color amarillo y amarillo-anaranjado, denominados xantófilas  y carotenoides, respectivamente. Estos pigmentos se alojan además en otros plástidos, dando el color característico de las flores o frutos. Otros pigmentos son las antocianinas. Son pigmentos hidrosolubles que se hallan en las vacuolas de las células vegetales y que otorgan el color rojo, púrpura o azul, dependiendo del pH vacuolar, a hojas, flores y frutas. Desde el punto de vista químico, las antocianinas pertenecen a un grupo denominado flavonoides y se encuentran ampliamente distribuidos entre las plantas.

Diferentes tipos de plástidos.
Los carotenoides pueden estar localizados en diferentes plástidos como los cromoplastos, amiloplastos, elioplastos, leucoplastos y etioplastos.

Las antocianinas
Figura 1: Estructura química de las cianidina.Una de las principales antocianinas. Provee un color rojo. Es el pigmento presente en las rosas rojas. Presenta la estructura típica de las antocianinas con tres anillos saturados.

Las funciones de las antocianinas en las plantas son múltiples, desde la protección de la radiación ultravioleta hasta la atracción de insectos polinizadores. Las antocianinas se encuentran en muchas frutas oscuras (como la frambuesa, zarzamora, cereza, mora y uva) y muchas verduras. Hasta ahora fueron reconocidas 19 diferentes antocianinas, y presentan un abanico inmenso de colores que varían entre el púrpura, azul, rojo-violeta, rojo-salmón, entre otros. Un factor que contribuye a la variedad de colores en flores, hojas y frutas es la coexistencia de varias antocianinas en un mismo tejido, por ejemplo en las flores de la malva real se puede encontrar malvidina y delfinidina.
El color está dado por los grupos hidroxilos de los anillos fenólicos y el benzopirilio, de modo tal que en medio ácido (pH menor a 5) toma coloraciones rojizas, mientras que en un medio alcalino (pH mayor a 7) adquiere coloración púrpura. En algunos árboles, como el arce rojo Americano (Acer rubrum) o el roble escarlata (Quercus coccinea), los flavonoles se convierten en antocianinas rojas cuando la clorofila de sus hojas se degrada en otoño. Esta transformación química que consiste en la pérdida de un átomo de oxígeno es la responsable de la percepción de los colores del otoño. Las antocianinas que aparecen en el otoño probablemente son las que protegen a las hojas del efecto de los rayos UV del sol.

Los carotenoides

El otro gran grupo de pigmentos son los carotenoides, que dan color rojo-anaranjado o amarillo a las flores, hojas, frutos y semillas, y se diferencian de las antocianinas por su estructura química y su localización celular. Los carotenoides no son solubles en agua, sino que se encuentran unidos a las proteínas de la membrana tilacoidal de los cloroplastos o asociados a proteínas o en forma de cristales en otro tipo de plástidos. El β-caroteno es el carotenoide más abundante en la naturaleza y el más importante para la dieta humana. Al ser ingerido, el β-caroteno es transformado en Vitamina A en la mucosa del intestino delgado, y ésta es almacenada principalmente en el hígado en forma de retinol. La vitamina A es esencial para la visión nocturna y mantener saludable la piel y los tejidos superficiales. Es necesaria para el crecimiento y la diferenciación del tejido epitelial, y se requiere en el crecimiento del hueso, la reproducción y el desarrollo embrionario. Junto con algunos carotenoides, la vitamina A refuerza el sistema inmune. El β-caroteno también puede ser absorbido y almacenado en el tejido graso sin ser modificado, produciendo una coloración ligeramente amarilla o anaranjada en las palmas de las manos y las plantas de los pies, debido a un exceso en el consumo de β-caroteno denominado pseudoictericia

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Los carotenoides resultan esenciales para la fotosíntesis como pigmentos accesorios en la absorción de luz y protegiendo a las plantas de la luz solar, además se unen a moléculas dañinas y evitan que dañen el ADN de las células. Diversos tipos de carotenoides se acumulan en los diferentes tejidos vegetales: en los frutos del tomate (Lycopersicum esculentum) se acumula gran cantidad de licopeno; capsantina, capsorubina y ketocarotenoides son carotenoides típicos de ajíes rojos (Capsicum annuum) y en las raíces engrosadas de batata y zanahoria se acumula principalmente b-caroteno. Más del 90% de los carotenoides de los pétalos de los crisantemos (Chrysanthemum x morifolium) y caléndulas (Tapetes sp) son carotenoides denominados luteína o derivados de luteína.

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Los carotenoides se nombraron en función de la fuente de la que se aislaron por primera vez. Así, el término caroteno proviene del nombre científico de la zanahoria (Daucus carota L.), mientras que los pigmentos aislados del pensamiento (Viola tricolor L.) y algunas algas del género Fucus se denominaron violaxantina y fucoxantina, respectivamente.

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Las betalaínas

Al igual que los carotenoides y flavonoides, las betalaínas también cumplen una función importante en la atracción de animales, pero se cree que tienen funciones adicionales como la absorción de luz ultravioleta y protección contra los herbívoros. Estos pigmentos, rojo-violeta y amarillos, están presentes en 10 familias de plantas. Las betalaínas y las antocianinas son mutuamente excluyentes, por lo que cuando se encuentran betalaínas en una planta, estarán ausentes las antocianinas, y viceversa.

La biotecnología y los pigmentos

Muchos pigmentos tendrían efectos beneficiosos en la salud humana. Los carotenoides son precursores de la vitamina A. Las dietas deficitarias en vitamina A en los niños serían causantes de ceguera y de la reducción en la respuesta inmune, aumentando el riesgo de infecciones severas. Por eso, el desarrollo de nuevas o más potentes fuentes de carotenoides en las hortalizas u otros productos de consumo masivo podría realizar un importante aporte en el mejoramiento de la salud humana. En este sentido, el desarrollo de variedades genéticamente modificadas es una interesante estrategia (ver Cuaderno nº23).

Ejemplo 1: El arroz dorado

El arroz blanco y el arroz dorado

En la actualidad no hay ninguna variedad de arroz capaz de acumular beta-carotenos en el endosperma del grano. Por lo cual, el programa de biofortificación en pro-vitamina A quedó enfocado exclusivamente a la introducción por ingeniería genética de los genes necesarios para lograr ese objetivo. Así se creo el Proyecto Golden Rice (GR) o Arroz Dorado.
En el arroz dorado se han introducido por ingeniería genética dos genes al material genético del arroz. Esto genes codifican para las enzimas fitoeno sintetasa y fitoeno desaturasa, necesarias para completar la ruta metabólica que permite la síntesis y acumulación de beta-carotenos en los granos de arroz. De hecho, la intensidad del color dorado en el nuevo arroz es un indicador de la concentración de beta-carotenos en el endosperma.

Figura 2. Ruta simplificada de biosíntesis de carotenoides. Arriba se muestra la ruta de biosíntesis de los carotenoides en plantas, las enzimas nombradas fueron las que están ausentes en el endosperma de arroz y fueron introducidos para la obtención del producto beta caroteno. Los genes que sintetizan para la enzima Fitoeno sintasa y Fitoeno desaturasa provienen del Narciso (Narcissus spp), mientras que el gen de la Licopeno ciclasa proviene de la bacteria Erwinia uredovora

En el caso de las antocianinas, el interés por estos pigmentos se ha intensificado recientemente debido a hallazgos acerca de posibles propiedades farmacológicas y terapéuticas. Estas incluirían reducción de las enfermedades coronarias, efectos antitumorales, antiinflamatorios y antidiabéticos, además del mejoramiento de la agudeza visual. Se cree que los efectos terapéuticos de las antocianinas están relacionados con su actividad antioxidante.

Muchas de las investigaciones sobre pigmentos en cultivos vegetales, frutas u ornamentales estuvieron centradas en la función que desempeñan en la atracción de insectos o en la preferencia visual.
Si bien el mejoramiento genético tradicional para el contenido de antocianinas y carotenoides ha sido exitoso en una variedad de vegetales y plantas ornamentales, la utilización de la ingeniería genética abre un abanico de oportunidades, como introducir nuevos genes ampliando la ruta metabólica, o anular algún gen para permitir la acumulación de un determinado pigmento (ver Cuaderno nº 115). Como ejemplos cabe mencionar el tomate con altos niveles de antocianinas y las flores azules. 

Ejemplo 2: La rosa azul

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Los proyectos de investigación en el área de plantas ornamentales se encuentran en constante avance (ver Cuaderno nº 72). De hecho, en los primeros trabajos de investigación sobre las antocianinas se utilizaron como modelo la planta ornamental petunia y posteriormente las del  género Ipomoea (la “campanita violeta”).  Actualmente se comercializan variedades del clavel Dianthus caryophyllus en diversos tonos de azul que lleva la inserción de un gen proveniente de Petunia que permite la expresión del pigmento azul Delfidina

Otro importante avance relacionado con el área ornamental es la  obtención de la “rosa azul” liberada al mercado en Japón hacia fines de 2009, y obtenida mediante técnicas de ingeniería genética. El color azul está dado por la presencia de una antocianina denominada delfinidina. Las rosas no poseen el gen necesario para la síntesis de este pigmento, por lo que no hubiese sido posible obtenerla por lo clásicos métodos de cruzamiento. El gen que permite sintetizar el pigmento azul en las nuevas rosas proviene de la petunia. Además de ese gen, se incluyó también mediante transformación un “gen silenciador”, cuyo propósito exclusivo es inhibir la fabricación del pigmento rojo, la cianidina.

Es decir que los nuevos desarrollos biotecnológicos ponen el foco en el mejoramiento de las plantas por su aporte a mejorar las propiedades nutricionales de los cultivos, y también sus características ornamentales.

 
 

Ver cuaderno anterior

 
 
 

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