Pigment (Biologie)

Begriff, Farbentstehung und Aufgaben

Pigmente sind in der Biologie alle farbgebenden Substanzen und Strukturen in den Zellen ein- und mehrzelliger Organismen. Sie können für grundlegende Zellvorgänge unentbehrlich sein: Bakteriochlorophylle ermöglichen die anoxygene Photosynthese, Chlorophylle die oxygene Photosynthese mit Sauerstoffbildung, und Cytochrome werden für die Zellatmung benötigt.

In mehrzelligen Lebewesen dienen Pigmente unter anderem der Sauerstoffspeicherung (Myoglobine), dem Sauerstofftransport (Hämoglobine), der Lichtempfindung (Photopigmente) und dem Lichtschutz (Melanine). Außerdem erzeugen sie Tarnung oder auffällige Signale. Sie kommen deshalb beispielsweise in Cuticula und Fruchtschale, Blättern und Blüten sowie in Muschelschalen, Chitinpanzern, Schneckenhäusern, Schmetterlingsflügeln, Vogelfedern, Schuppen, Haaren und Haut vor.

Farbe kann entstehen, weil ein Chromophor, der farbtragende Anteil eines löslichen Farbstoffs oder unlöslichen Pigments, bestimmte Anteile des Lichts selektiv absorbiert. Ebenso können Reflexion, Streuung und Brechung an häufig mehrlagigen Strukturen Farbe hervorrufen; durch Interferenz sind irisierende Effekte möglich.

Speicherung in Zellen und Farbe bei Wirbeltieren

Biologische Pigmente sind meist in Membranen und Zellen eingelagert. Eine pigmenttragende Membranhülle in der Zelle heißt Chromatophor; auch ein membranumhülltes Plastid wird so bezeichnet. Die körnigen Lamellenstapel im Inneren von Chloroplasten heißen Grana. Eine Pigmentzelle wird ebenfalls Chromatophore genannt.

In der Haut von Primaten heißt eine Melanophore Melanozyt. In dessen membranumschlossenen Organellen, den Melanosomen, wird Melanin gebildet. Die Weitergabe des Melanins an hornbildende Zellen bestimmt die natürliche Farbe von Haut und Haar, auch beim Menschen. Eine verminderte Pigmentbildung heißt Hypopigmentierung, eine verstärkte Hyperpigmentierung.

Pigmente in Pflanzen und Algen

Die wichtigsten Pigmente in Pflanzen und Algen sind Chlorophylle. Bei Embryophyten und Grünalgen bewirken sie auch die Grünfärbung. Alle Pflanzen des Reichs Archaeplastida (= Plantae) und Algen enthalten Chlorophyll a. Die Archaeplastida werden, zusätzlich zu morphologischen Unterschieden, danach in drei Untergruppen unterschieden, ob sie außerdem Chlorophyll b, Xanthophylle und/oder Phycobiline enthalten.

Algen mit komplexen Plastiden, die aus einer Endosymbiose mit einer Rotalge hervorgegangen sind, enthalten meist Chlorophyll c statt Chlorophyll b. Phycobilisomen sind Lichtsammelkomplexe von Cyanobakterien, Rotalgen, Glaucocystophyceen und der thekaten Amöbe Paulinella chromatophora. Sie bestehen aus Biliproteinen. Phycocyanin und Allophycocyanin kommen in allen Phycobilisomen vor; Phycoerythrin wird nur von Rotalgen und Cyanobakterien gebildet, jedoch nicht von allen. Cryptophyceae besitzen statt Phycobilisomen nur ein einziges stark verändertes Phycoerythrin als Lichtsammelkomplex.

Weitere Pflanzenpigmente sind im Zellsaft gelöste Anthocyane und Flavone sowie Phlobaphene, die in den Wänden toter Zellen eingelagert sind.

Tierische Pigmente und wirtschaftliche Nutzung

Zu den wichtigsten tierischen Pigmenten gehören Melanine, Karotinoide, Guanin und Gallenfarbstoffe. Sie finden sich unter anderem in Haut, Netzhaut, Haaren, Schuppen, Federn und Chitinpanzern. Sie können in Pigmentzellen konzentriert oder in Körperflüssigkeiten gelöst sein. Schmetterlinge erzeugen zusätzliche Farbeffekte durch Interferenz an ihren Schuppen. Skelette und Schalen aus Calciumcarbonat (Kalk), etwa bei Schwämmen, Muscheln und Schnecken, können anorganische Pigmente enthalten.

Die Hautfarbe der Säugetiere entsteht vorwiegend durch Melanine. Hämoglobin, der Blutfarbstoff der Wirbeltiere, verändert bei Aufnahme und Abgabe von molekularem Sauerstoff die Farbe seines Eisen-Hämoglobin-Komplexes von rot bis rotviolett. Bei der Aufnahme von Sauerstoff wird es von dunkel- zu hellrot, bei der Abgabe umgekehrt. Die Ursache ist eine Strukturänderung; die Oxidationszahl des Eisenatoms im Häm bleibt dabei +II.

Einige wirtschaftlich genutzte organische Pigmente wurden direkt aus Pflanzen- oder Tierprodukten hergestellt, etwa Indischgelb aus Kuh-Urin, Crocin aus Safran, Purpur aus der Purpurschnecke, Alizarin aus der Wurzel des Färberkrapps, Karmin aus der Cochenilleschildlaus, Kermes aus Kermesschildlaus oder Kermesbeeren sowie Indigo aus indischer Indigopflanze oder den Blättern des Färberwaid. Diese Pigmente verloren an Bedeutung, seit Ende des 19. Jahrhunderts synthetische organische Pigmente verfügbar wurden.