Химията на меланина

Меланинът е тъмен, естествен пигмент, който се предлага в няколко форми и е отговорен за голяма част от цвета на кожата при хората. Той се произвежда от клетки, наречени меланоцити, които седят в най-дълбоката част на най-външния слой на кожата. Голяма част от този меланин попада в наречените клетки кератиноцити, които са далеч по-многобройни от меланоцитите.

След като меланинът се синтезира, той се съхранява в органи, наречени меланоцити меланозоми. Най-често срещаният от различните видове меланин се нарича евмеланин, което означава „добър меланин“. Когато много евмеланин присъства в по-големи количества, се получава по-тъмен, по-кафяв цвят на кожата, докато ниска плътност на този пигмент се среща при хора с по-светла кожа.

Когато хората показват разлики в цвета на кожата, произтичащи главно от разликите в съдържанието на меланин в кожата, това не е така, защото хората се различават значително по отношение на номер на меланоцитите, които имат. Вместо това, някои хора индивидуален меланоцитите са много по-активни, отколкото при други.

Подобно на много вещества в тялото, химическият състав на меланина включва смес от въглерод, водород, кислород и азот. The меланин химична формула е С₁₈Н₁₀н₂О₄, придавайки на меланина молекулно тегло или моларна маса от 318 грама на мол (g / mol).

(По исторически причини a къртица е количеството вещество в грамове, което съдържа 6 х 10 ²³ и е основна мярка за размера на молекулата.)

Меланинът се състои от три шестчленни пръстена (шест атома, разположени около централна точка) в една линия, всеки с петчленен пръстен, сгушен в един от ъглите между себе си и съседа си. Тези петчленни пръстени съдържат по един от двата азотни атома в меланина и седят от противоположните страни на молекулата.

Четирите кислородни атома в меланина са свързани с въглероди на шест-атомния пръстен на всеки край, по два на всеки пръстен. Те са двойно свързани и C = O разположенията лежат от противоположните страни на пръстена от мястото, където са прикрепени петчленните пръстени.

Ако искате да изразите формулата за меланин в по-ясна форма, без да прибягвате до рисуване на модел, можете да го напишете във формата, използвана в опростената система за въвеждане на линейно въвеждане (SMILES):

CC1 = C2C3 = C (C4 = CNC5 = C (C (= O) C (= O) C (= C45) C3 = CN2) C) C (= O) C1 = O

където числата не са индекси, а препратки към числовите позиции на атомите в рамките на отделни пръстени. Водород атомите в меланина не са включени, но техният брой и позиции могат да бъдат определени чрез запълване на всякакви "пропуски" в горната структура, като се има предвид, че всеки въглерод образува четири връзки.

Човек кожата има три слоя, които от най-външния до най-вътрешния са епидермисът, дермата и подкожната тъкан. Самият епидермис е разделен на множество слоеве, най-дълбокият от които се нарича stratum germinativum (понякога наричан stratum basale). Този слой, който приляга на базалната мембрана, разделяща епидермиса от дермата, е мястото, където се произвеждат меланоцитите.

При микроскопия меланоцитите имат характерна неправилна форма. Степента, до която меланоцитите произвеждат меланин, зависи от степента, до която ген за меланин е изразено, или включен. Помислете за „генната експресия“ като включване на превключвател във фабрика, за да се получи определен продукт, в случая протеин.

Почти всички хора имат много меланин „фабрики“ (меланоцити), но степента, в която хората използват тези „фабрики“, варира в широки граници както между индивидите, така и от етническите популации.

Слънчевата светлина задейства до известна степен производството на меланин при повечето хора; това е процесът на краткотрайно потъмняване на кожата, известен като „тен“. Меланинът, произведен от светлинен стимул, действа, за да предпази до известна степен останалата част от тялото вредно ултравиолетово (UV) лъчение на слънчева светлина.

Когато тялото вече не усеща изобилие от UV лъчи в околната среда, както се случва през есента и зимата, усещаната нужда от производство на меланин също намалява и кожата има тенденция да изсветлява по време на тях сезони.

Също така, докато меланоцитите произвеждат меланин, както и да го съхраняват и освобождават, далеч по-разпространените епидермални клетки, известни като кератиноцити завършва като най-големият получател на пигмента. Движението на меланин от меланоцити към кератиноцити се улеснява от многото пипала (до 40 или повече), простиращи се навън от всеки меланоцит.

Меланозомите, образувани в меланоцитите, пътуват до кератиноцитите и се позиционират между клетъчната мембрана и ядрото, помагайки да се защити ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина, „генетичният материал“ на хората и всички известни форми на живот) в това ядро ​​от увреждане с UV лъчение.

Докато еумеланинът е най-разпространеният вид меланин, произвеждан от хората, той далеч не е единственият често срещан тип. Съществува в две други основни форми, феомеланин и невромеланин. Евмеланинът и феомеланинът имат много общо помежду си функционално и химически, докато невромеланинът е нещо като мошеник.

Евмеланинът и феомеланинът се произвеждат от меланоцитите в най-ниския слой (слой) на епидермиса. Тези клетки започват като меланобласти в тъкан, която се получава от нервната тръба по време на човешкото ембрионално развитие. Синтезът на всеки от тях започва с тирозин, молекула, тясно свързана с аминокиселината фенилаланин. Тирозинът скоро се превръща в допахинон, който може да следва редица различни химически пътища, които в крайна сметка водят до производството на меланин.

Невромеланинът се произвежда в мозъка като част от разлагането на невротрансмитера допамин, друг близък химически роднина на фенилаланин и тирозин. Това се случва в част от мозъка, наречена substantia nigra. Невромеланинът, за разлика от другите две форми на човешки меланин, не участва в определянето на цвета на кожата.

Претенцията на Меланин за биологична слава е нейният принос за цвета на кожата, но той изпълнява редица свързани и несвързани физиологични функции. Меланинът влияе върху цвета на косата, а също така предпазва кожата и очите от светлинно увреждане от слънцето и други източници на електромагнитно излъчване.

Евмеланинът има по-кафеникаво-черен цвят, докато феомеланинът е по-жълтеникаво-червен. Прекомерният цвят на кожата на човек се определя от комбинация от съотношението на тези два вида меланин и общата плътност на меланозомите в отделните клетки.

Също така, различни видове меланин преобладават в различни части на тялото при един и същи индивид. Например, устните, които са по-розови, са с по-високо съдържание на феомеланин.

Кожата с по-светъл цвят обикновено има плътност от две или три меланозоми на клъстер в рамките на меланоцитите, докато по-тъмната кожа има повече „подвижни“ меланоцити, тъй като тези гранули са по-склонни да се разпространяват в съседни кератиноцити.

В някакъв момент от човешката еволюция различни популации от индивиди се заселват далеч един от друг, с някои остават по-близо до екватора, а други се отправят към северните ширини, най-вече в Европа на първо. В резултат на това, че са в по-слънчева и гореща среда, хората по-близо до екватора са загубили голяма част от космите по тялото си в сравнение с по-северните си колеги.

Смята се, че именно тази промяна в относителното разпределение на космите е стимулирала диференциалното развитие на меланогенезата при различни популации по света. Хората, живеещи по-близо до екватора, сега демонстрират по-високо съотношение на еумеланин към феомеланин, което води не само до по-тъмна кожа, но и до по-голяма способност да абсорбира UV радиацията. Хората, живеещи в по-хладни райони с по-малко слънчева светлина, от друга страна, показват по-ниско съотношение на еумеланин към феомеланин и следователно са по-податливи на UV увреждане на кожата, включително рак.

През 2015 г. изследователи от Йейлския университет съобщиха, че са намерили начин, по който UV светлината реагира на меланин при мишки по начин, който насърчава образуването на рак за броени часове. Това като че ли подчертаваше изящната „двуостра“ природа на меланина. Изглежда, че за всяка област, в която може да служи като здравен актив, това представлява здравна отговорност някъде другаде.

Витамин D, който е важен при боравенето на организма с минерала калций, трябва да бъде подложен на UV светлина, за да се превърне в активната си форма след поглъщането му. Това означава, че хората, живеещи в северните ширини, обикновено са по-податливи на дефицит на витамин D, тъй като телата им получават средно по-малко слънчева светлина през годината, отколкото хората по-близо до екватора направете.

Друго значение на връзката между UV светлината и меланина обаче е, че хората с по-тъмна кожа, независимо къде се намират на живо (но особено тези на много северни или южни места), трябва да се наблюдават за проблеми с нивата на витамин D, тъй като тяхната висока плътност на меланозомите, макар и да осигуряват защита срещу опасностите от ултравиолетовите лъчи, също така разкрива малкото им полезни вещества ефекти.

Редица връзки между UV светлината, меланина и поведението на кожата все още не са напълно изяснени. Известно е например, че прилагането на UV светлина върху кожата може да потисне имунната функция в краткосрочен план. Това може да е желателно, когато се опитвате да контролирате обострянето на възпалителни кожни състояния с имунен компонент, като псориазис.

Каквато и имунна роля да играе меланинът в организма, предстои да бъде изяснено.

Редица клинични състояния, включващи нарушения в синтеза и транспорта на меланин, са добре известни. Те могат да повлияят на всяка стъпка от процеса на образуване на меланин и разпределение на меланин.

Те включват:

Нарушения на меланобластите. Тези клетки, както си спомняте, са предшествениците на меланоцитите. Те трябва да мигрират от местата си на формиране в ембрионално и фетално развитие до местата, където в крайна сметка ще играят възложените им роли.

Понякога обаче меланобластите не успяват да стигнат до мястото, където трябва да отидат. Един резултат е Синдром на Ваарденбург, в който засегнатите хора имат области с много светла кожа и преждевременно побеляла коса поради неуспех на меланобластите да се настанят в тези области по-рано в живота.

Нарушения на меланоцитите. Сред по-известните от тях е състоянието, наречено витилиго, което включва автоимунно медиирано унищожаване на меланоцитите по неравномерен начин в кожата.

Поради асиметричния начин, по който тялото атакува собствените си клетки, кожата показва отделни петна от светла кожа, смесени с незасегнати участъци от кожата.

Нарушения на меланозомите. Две от най-честите нарушения, включващи местата за съхранение на меланин, са Синдром на Chédiak-Higashi и Синдром на Гричели, и двете включват видими проблеми с пигментацията на кожата, но също така включват ефекти и в други телесни системи.

При синдром на Chédiak-Higashi, който може да произведе албинизъм (почти пълна липса на пигментация в кожата и очите), се смята, че генна мутация отговорен за меланиновия компонент на разстройството също така предотвратява синтеза на важни химикали на имунната система.

Нарушения, свързани с тирозиназата. Тирозиназата е ензимът или биологичният катализаторен протеин, който превръща междинно съединение в синтеза на меланин и феомеланин, наречено дихидроксифенилаланин, в допахинон. Когато този ензим не работи правилно или липсва, синтетичният път на меланин може да бъде нарушен.

Например при наследственото заболяване фенилкетонурия (PKU), отказът на различен ензим води до значително натрупване на фенилаланин, който има вторични, инхибиращи ефекти върху тирозиназата. Това води до неравномерна кожа благодарение на намаляването на синтеза на меланин "надолу по веригата".