Melanins kemi

Melanin er et mørkt, naturligt forekommende pigment, der kommer i flere former og er ansvarlig for meget af hudfarve hos mennesker. Det produceres af kaldte celler melanocytter, som sidder i den dybeste del af det yderste hudlag. Meget af denne melanin finder vej ind i kaldte celler keratinocytter, som er langt flere end melanocytter.

Efter at melanin er syntetiseret, opbevares den i legemer, der kaldes melanocytter melanosomer. Den mest almindelige af de forskellige typer melanin kaldes eumelanin, hvilket betyder "god melanin." Når der er meget eumelanin i større mængder, resulterer en mørkere, mere brun hudfarve, hvorimod en lav densitet af dette pigment forekommer hos mennesker med lysere hud.

Når folk viser forskelle i hudfarve, der hovedsagelig skyldes forskelle i hudens melaninindhold, er det ikke fordi folk adskiller sig meget med hensyn til nummer af melanocytter, de har. I stedet for nogle menneskers individuel melanocytter er langt mere aktive, end de er i andre.

Ligesom mange stoffer i kroppen inkluderer melanins kemiske sammensætning en blanding af kulstof, brint, ilt og nitrogen. Det melanin kemisk formel er C₁₈H₁₀N₂O₄, hvilket giver melanin en molekylvægt eller molær masse på 318 gram pr. mol (g / mol).

(Af historiske årsager er en muldvarp er mængden af ​​et stof i gram, der indeholder 6 x 10 ²³ molekyler og er et grundlæggende mål for et molekyls størrelse.)

Melanin består af tre seksleddede ringe (seks atomer arrangeret omkring et centralt punkt) i en linje, hver med en femleddet ring beliggende i en af ​​vinklerne mellem sig selv og dens nabo. Disse ringe med fem ledd indeholder hvert af de to nitrogenatomer i melanin og sidder på modsatte sider af molekylet.

De fire iltatomer i melanin er bundet til carbonatomer på seksatomringen i hver ende, to til hver ring. Disse er dobbeltbundet, og C = O-arrangementerne ligger på modsatte sider af ringen, hvorfra de femleddede ringe er fastgjort.

Hvis du ønsker at udtrykke formlen for melanin i en mere eksplicit form uden at ty til at tegne en model, kan du skrive det i den form, der bruges i det forenklede molekyl-input line-entry system (SMILES):

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

hvor tallene ikke er abonnementer, men henvisninger til atommers numeriske position inden for individuelle ringe. Brint atomer i melanin er ikke inkluderet, men deres antal og positioner kan bestemmes ved at udfylde eventuelle "huller" i ovenstående struktur under hensyntagen til, at hvert kulstof danner fire bindinger.

Human hud har tre lag, der fra yderste til inderste er epidermis, dermis og det subkutane vævslag. Epidermis er i sig selv opdelt i adskillige lag, hvoraf den dybeste kaldes stratum germinativum (undertiden kaldet stratum basale). Dette lag, der støder op til basalmembranen, der adskiller epidermis fra dermis, er hvor melanocytter produceres.

Ved mikroskopi har melanocytter en karakteristisk uregelmæssig form. I hvilket omfang melanocytter producerer melanin afhænger af, i hvilket omfang gen for melanin er gav udtryk foreller tændt. Tænk på "genekspression" som at tænde en switch på en fabrik for at fremstille et bestemt produkt, i dette tilfælde et protein.

Næsten alle mennesker har masser af melanin "fabrikker" (melanocytter), men i hvilket omfang folk bruger disse "fabrikker" til at variere meget mellem både enkeltpersoner og etniske befolkninger.

Sollys udløser melaninproduktion til en vis grad hos de fleste mennesker; dette er processen med kortvarig mørkfarvning af huden kendt som en "tan". Melanin produceret af lysstimulus virker til en vis grad for at beskytte resten af ​​kroppen mod skadelig ultraviolet (UV) stråling i sollys.

Når kroppen ikke længere registrerer en overflod af UV-stråler i miljøet, som det sker om efteråret og vinteren, det opfattede behov for melaninproduktion falder også, og huden har tendens til at blive lysere under disse årstider.

Mens melanocytter fremstiller melanin såvel som opbevarer det og frigiver det, er de langt mere udbredte epidermale celler kendt som keratinocytter afvikle som den største modtager af pigmentet. Bevægelsen af ​​melanin fra melanocytter til keratinocytter letter ved de mange fangarme (op til 40 eller deromkring), der strækker sig udad fra hver melanocyt.

Melanosomer dannet i melanocytter rejser til keratinocytterne og placerer sig mellem cellemembranen og kernen og hjælper med at beskytte DNA (deoxyribonukleinsyre, det "genetiske materiale" hos mennesker og alle kendte livsformer) inden for denne kerne fra UV-strålingsskader.

Mens eumelanin er den mest almindelige type melanin, der produceres af mennesker, er det langt fra den eneste almindelige type. Den findes i to andre hovedformer, pheomelanin og neuromelanin. Eumelanin og pheomelanin har meget til fælles funktionelt og kemisk, mens neuromelanin er noget af en slyngel.

Eumelanin og pheomelanin er begge fremstillet af melanocytter i det nederste lag (epidemis) af epidermis. Disse celler begynder som melanoblaster i væv, der stammer fra det neurale rør under human embryonal udvikling. Syntesen af ​​hver af disse starter med tyrosin, et molekyle tæt beslægtet med aminosyren phenylalanin. Tyrosinen omdannes snart til dopaquinon, som kan følge en række forskellige kemiske veje, der i sidste ende resulterer i melaninproduktion.

Neuromelanin produceres i hjernen som en del af nedbrydningen af ​​neurotransmitteren dopamin, en anden tæt kemisk slægtning af phenylalanin og tyrosin. Dette sker i en del af hjernen kaldet substantia nigra. Neuromelanin er i modsætning til de to andre former for human melanin ikke en deltager i bestemmelsen af ​​hudfarve.

Melanins påstand om biologisk berømmelse er dens bidrag til hudfarve, men det udfører også en række relaterede og ikke-relaterede fysiologiske funktioner. Melanin påvirker hårfarven, og den beskytter også huden og øjnene mod lysskader fra solen og andre kilder til elektromagnetisk stråling.

Eumelanin er mere brun-sort i farve, mens pheomelanin er mere gulrød. Overfarven på en persons hud bestemmes af en kombination af forholdet mellem disse to typer melanin og den samlede tæthed af melanosomer i individuelle celler.

Også forskellige typer melanin dominerer i forskellige dele af kroppen i det samme individ. For eksempel har læberne, som er mere lyserøde, højere pheomelanin.

Hud, der er lysere i farve, har typisk en tæthed på to eller tre melanosomer pr. Klynge inden i melanocytterne, mens mørkere hud har mere "mobile" melanocytter, idet disse granulater er mere tilbøjelige til at sprede sig til nabolandet keratinocytter.

På et eller andet tidspunkt i den menneskelige udvikling bosatte forskellige befolkningsgrupper sig enkeltvis langt fra hinanden med nogle forbliver tættere på ækvator, og andre vover mod nordlige breddegrader, mest i Europa kl først. Som en konsekvens af at være i et solrigere og varmere miljø, mistede folk tættere på ækvator meget af deres kropshår i forhold til deres mere nordlige kolleger.

Det er denne ændring i den relative hårfordeling, der menes at have ansporet den differentielle udvikling af melanogenese i forskellige populationer verden over. Mennesker, der bor tættere på ækvator, viser nu et højere forhold mellem eumelanin og pheomelanin, hvilket ikke kun resulterer i mørkere hud, men i større kapacitet til at absorbere UV-stråling. Mennesker, der bor i køligere områder med mindre sollys, viser derimod et lavere forhold mellem eumelanin og pheomelanin og er følgelig mere modtagelige for UV-hudskader, herunder kræft.

I 2015 rapporterede forskere ved Yale University, at de havde fundet en måde, hvorpå UV-lys reagerer i melanin hos mus på en måde, der fremmer kræftdannelse i løbet af få timer. Dette syntes at fremhæve melanins udsøgte "tokantede" natur. For hvert område, hvor det kan tjene som et sundhedsaktiv, ser det ud til at udgøre et sundhedsansvar et andet sted.

Vitamin D, som er vigtig i kroppens håndtering af mineralet calcium, skal være udsat for UV-lys for at blive konverteret til sin aktive form, efter at det er indtaget. Dette betyder, at mennesker, der bor på nordlige breddegrader, generelt er mere modtagelige for vitamin D-mangel, fordi deres kroppe i gennemsnit modtager mindre sollys hele året end mennesker tættere på ækvator gør.

En anden implikation af forholdet mellem UV-lys og melanin er dog, at mørkere mennesker, uanset hvor de live (men især dem i meget nordlige eller sydlige placeringer), bør overvåges for problemer med D-vitamin niveauer, fordi deres høje tæthed af melanosomer, mens de yder beskyttelse mod farerne ved UV-stråler, viser også deres få gavnlige effekter.

En række forhold mellem UV-lys, melanin og hudens opførsel er endnu ikke klarlagt. Det er for eksempel kendt, at indgivelse af UV-lys til huden kan undertrykke immunfunktionen på kort sigt. Dette kan være ønskeligt, når man prøver at kontrollere opblussen af ​​inflammatoriske hudtilstande med en immunkomponent, såsom psoriasis.

Uanset hvilken immunrolle melanin måtte spille i kroppen, skal det belyses.

Et antal kliniske tilstande, der involverer forstyrrelser i melaninsyntese og transport, er velkendte. Disse kan påvirke hvert trin i melanindannelses- og melanindistributionsprocessen.

Disse inkluderer:

Forstyrrelser af melanoblaster. Disse celler, som du måske husker, er forløberne for melanocytter. De formodes at migrere fra deres dannelsessteder i fosterudvikling og føtale udvikling til de steder, hvor de i sidste ende vil spille deres tildelte roller.

Men nogle gange undgår melanoblaster at nå det sted, hvor de skal hen. Et resultat er Waardenburg syndrom, hvor de berørte mennesker har områder med meget lys hud og for tidligt gråt hår på grund af manglende melanoblaster til at tage ophold i disse områder tidligere i livet.

Forstyrrelser i melanocytter. Blandt de mere berygtede af disse er den tilstand, der kaldes vitiligo, som involverer den autoimmune medierede ødelæggelse af melanocytter på en ikke-ensartet måde i hele huden.

På grund af den asymmetriske måde, hvorpå kroppen angriber sine egne celler, viser huden tydelige pletter af lys hud blandet med upåvirkede hudområder.

Forstyrrelser i melanosomer. To af de mere almindelige lidelser, der involverer lagringsstederne for melanin, er Chédiak-Higashi syndrom og Griscelli syndrom, begge involverer synlige hudpigmenteringsproblemer, men inkluderer også effekter i andre kropssystemer.

I Chédiak-Higashi syndrom, som kan producere albinisme (en næsten total mangel på pigmentering i hud og øjne), menes det, at genmutation ansvarlig for melaninkomponenten i forstyrrelsen forhindrer også syntesen af ​​vigtige immunsystemkemikalier.

Forstyrrelser relateret til tyrosinase. Tyrosinase er det enzym eller biologiske katalysatorprotein, der omdanner en mellemforbindelse i melanin- og pheomelaninsyntese, kaldet dihydroxyphenylalanin, til dopaquinon. Når dette enzym ikke fungerer korrekt eller er fraværende, kan den syntetiske melaninvej forstyrres.

For eksempel i den arvelige sygdom phenylketonuri (PKU), svigt af et andet enzym fører til en signifikant ophobning af phenylalanin, som har sekundære, hæmmende virkninger på tyrosinase. Dette fører til ujævn hud takket være et "nedstrøms" fald i melaninsyntese.