Die Chemie von Melanin

Melanin ist ein dunkles, natürlich vorkommendes Pigment, das in verschiedenen Formen vorkommt und für einen Großteil der Hautfarbe des Menschen verantwortlich ist. Es wird von Zellen namens. produziert Melanozyten, die im tiefsten Teil der äußersten Hautschicht sitzen. Ein Großteil dieses Melanins findet seinen Weg in Zellen namens Keratinozyten, die weitaus zahlreicher sind als Melanozyten.

Nachdem Melanin synthetisiert wurde, wird es in Körpern in Melanozyten gespeichert, die als bezeichnet werden Melanosomen. Die häufigste der verschiedenen Arten von Melanin heißt Eumelanin, was "gutes Melanin" bedeutet. Wenn viel Eumelanin in höheren Mengen vorhanden ist, ergibt sich eine dunklere, braunere Hautfarbe, während bei Menschen mit hellerer Haut eine geringe Dichte dieses Pigments auftritt.

Wenn Menschen Unterschiede in der Hautfarbe aufweisen, die hauptsächlich auf Unterschiede im Melaningehalt der Haut zurückzuführen sind, liegt dies nicht daran, dass sich die Menschen in Bezug auf die Nummer

Wie viele andere Substanzen im Körper besteht die chemische Zusammensetzung von Melanin aus einer Mischung aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Das Melanin chemische Formel ist C₁₈H₁₀Nein₂Ö₄, was Melanin ein Molekulargewicht oder eine Molmasse von 318 Gramm pro Mol (g/mol) verleiht.

(Aus historischen Gründen, a Maulwurf ist die Menge einer Substanz in Gramm, die 6 x 10. enthält ²³ Moleküle und ist ein grundlegendes Maß für die Größe eines Moleküls.)

Melanin besteht aus drei sechsgliedrigen Ringen (sechs Atome, die um einen zentralen Punkt angeordnet sind) in einer Linie, wobei jeder fünfgliedrige Ring in einen der Winkel zwischen ihm und seinem Nachbarn eingebettet ist. Diese Fünfringe enthalten jeweils eines der beiden Stickstoffatome im Melanin und sitzen auf gegenüberliegenden Seiten des Moleküls.

Die vier Sauerstoffatome im Melanin sind an jedem Ende des Sechs-Atom-Rings an Kohlenstoffe gebunden, zwei an jedem Ring. Diese sind doppelt gebunden, und die C=O-Anordnungen liegen auf gegenüberliegenden Seiten des Rings, von wo aus die fünfgliedrigen Ringe angebracht sind.

Wenn Sie die Formel für Melanin in einer expliziteren Form ausdrücken möchten, ohne auf die Zeichnung zurückgreifen zu müssen Modell, könnten Sie es in der Form schreiben, die im Simplified Molecular-Input Line-Entry System (SMILES) verwendet wird:

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

wobei die Zahlen keine Indizes sind, sondern Verweise auf die numerischen Positionen von Atomen innerhalb einzelner Ringe. Wasserstoff Atome im Melanin sind nicht enthalten, aber ihre Anzahl und Positionen können bestimmt werden, indem alle "Lücken" in der obigen Struktur ausgefüllt werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass jeder Kohlenstoff vier Bindungen bildet.

Mensch Haut hat drei Schichten, die von außen nach innen die Epidermis, die Dermis und die Unterhautgewebeschicht sind. Die Epidermis selbst ist in zahlreiche Schichten unterteilt, von denen die tiefste als. bezeichnet wird Stratum keimativum (manchmal auch Stratum basale genannt). In dieser Schicht, die an die Basalmembran angrenzt, die die Epidermis von der Dermis trennt, werden Melanozyten produziert.

In der Mikroskopie haben Melanozyten eine charakteristische unregelmäßige Form. Das Ausmaß, in dem Melanozyten Melanin produzieren, hängt davon ab, inwieweit die Gen für Melanin ist ausgedrückt, oder eingeschaltet. Stellen Sie sich "Genexpression" als das Einschalten eines Schalters in einer Fabrik vor, um ein bestimmtes Produkt herzustellen, in diesem Fall ein Protein.

Fast alle Menschen haben viele Melanin "Fabriken" (Melanozyten), aber das Ausmaß, in dem Menschen diese "Fabriken" nutzen, variiert stark zwischen Individuen und ethnischen Gruppen.

Sonnenlicht löst bei den meisten Menschen bis zu einem gewissen Grad die Melaninproduktion aus; Dies ist der Prozess der kurzfristigen Verdunkelung der Haut, der als "Bräune" ​​bekannt ist. Das durch Lichtreize produzierte Melanin schützt den Rest des Körpers bis zu einem gewissen Grad vor schädliche ultraviolette (UV) Strahlung im Sonnenlicht.

Wenn der Körper keine UV-Strahlen mehr in der Umwelt wahrnimmt, wie es im Herbst und Winter der Fall ist, auch der wahrgenommene Bedarf an Melaninproduktion nimmt ab und die Haut neigt dazu, sich aufzuhellen Jahreszeiten.

Während Melanozyten Melanin herstellen, es speichern und freisetzen, sind die weitaus häufigeren epidermalen Zellen bekannt als Keratinozyten enden als der größte Empfänger des Pigments. Die Bewegung von Melanin von Melanozyten zu Keratinozyten wird durch die vielen Tentakel (bis zu 40 oder so) erleichtert, die sich von jedem Melanozyten nach außen erstrecken.

Melanosomen, die in Melanozyten gebildet werden, wandern zu den Keratinozyten und positionieren sich zwischen der Zellmembran und dem Zellkern und helfen, die DNA (Desoxyribonukleinsäure, das "genetische Material" des Menschen und aller bekannten Lebensformen) innerhalb dieses Zellkerns vor Schäden durch UV-Strahlung.

Während Eumelanin die am häufigsten vom Menschen produzierte Art von Melanin ist, ist es bei weitem nicht die einzige häufige Art. Es existiert in zwei anderen Hauptformen, Phäomelanin und Neuromelanin. Eumelanin und Phäomelanin haben funktionell und chemisch viele Gemeinsamkeiten, während Neuromelanin so etwas wie ein Schurke ist.

Eumelanin und Phäomelanin werden beide von Melanozyten in der untersten Schicht (Schicht) der Epidermis gebildet. Diese Zellen beginnen als Melanoblasten in Gewebe, das während der menschlichen Embryonalentwicklung aus dem Neuralrohr gewonnen wird. Die Synthese jedes dieser Stoffe beginnt mit Tyrosin, einem Molekül, das eng mit der Aminosäure Phenylalanin verwandt ist. Das Tyrosin wird bald in Dopachinon umgewandelt, das einer Reihe verschiedener chemischer Wege folgen kann, die letztendlich zur Melaninproduktion führen.

Neuromelanin wird im Gehirn als Teil des Abbaus der Neurotransmitter gebildet Dopamin, ein weiterer enger chemischer Verwandter von Phenylalanin und Tyrosin. Dies geschieht in einem Teil des Gehirns, der als substantia nigra. Neuromelanin ist im Gegensatz zu den anderen beiden Formen des menschlichen Melanins nicht an der Bestimmung der Hautfarbe beteiligt.

Melanins Anspruch auf biologischen Ruhm ist sein Beitrag zur Hautfarbe, aber es erfüllt auch eine Reihe verwandter und nicht verwandter physiologischer Funktionen. Melanin beeinflusst die Haarfarbe und schützt Haut und Augen vor Lichtschäden durch Sonne und andere elektromagnetische Strahlungsquellen.

Eumelanin hat eine eher bräunlich-schwarze Farbe, während Phäomelanin eher gelblich-rot ist. Die Überfarbe der Haut einer Person wird durch eine Kombination des Verhältnisses dieser beiden Melanintypen und der Gesamtdichte der Melanosomen innerhalb einzelner Zellen bestimmt.

Außerdem überwiegen verschiedene Arten von Melanin in verschiedenen Körperteilen desselben Individuums. Zum Beispiel haben die Lippen, die mehr rosa sind, mehr Phäomelanin.

Haut mit hellerer Farbe hat typischerweise eine Dichte von zwei oder drei Melanosomen pro Cluster innerhalb der Melanozyten, während dunklere Haut weist mehr "mobile" Melanozyten auf, da diese Granula eher dazu neigen, sich auf benachbarte Zellen auszubreiten Keratinozyten.

Irgendwann in der menschlichen Evolution siedelten sich verschiedene Populationen von Individuen weit voneinander an, mit einige bleiben näher am Äquator und andere wagen sich in nördliche Breiten vor, hauptsächlich in Europa bei zuerst. Als Folge davon, dass sie sich in einer sonnigeren und heißeren Umgebung aufhielten, verloren Menschen, die näher am Äquator waren, im Vergleich zu ihren nördlicheren Artgenossen einen Großteil ihrer Körperbehaarung.

Es wird angenommen, dass diese Veränderung der relativen Haarverteilung die unterschiedliche Entwicklung der Melanogenese in verschiedenen Populationen weltweit angespornt hat. Menschen, die näher am Äquator leben, weisen jetzt ein höheres Verhältnis von Eumelanin zu Phäomelanin auf, was nicht nur zu einer dunkleren Haut führt, sondern auch zu einer höheren Fähigkeit, UV-Strahlung zu absorbieren. Menschen, die in kühleren Gegenden mit weniger Sonnenlicht leben, weisen dagegen ein geringeres Verhältnis von Eumelanin zu Phäomelanin auf und sind daher anfälliger für UV-Hautschäden, einschließlich Krebs.

Im Jahr 2015 berichteten Forscher der Yale University, dass sie einen Weg gefunden haben, UV-Licht reagiert in Melanin bei Mäusen auf eine Weise, die die Krebsbildung innerhalb von Stunden fördert. Dies schien die exquisit "zweischneidige" Natur von Melanin hervorzuheben. Für jeden Bereich, in dem es als Gesundheitsguthaben dienen kann, scheint es an anderer Stelle eine gesundheitliche Belastung darzustellen.

Vitamin D, das für den körpereigenen Umgang mit dem Mineralstoff Calcium wichtig ist, muss nach der Einnahme UV-Licht ausgesetzt werden, um in seine aktive Form umgewandelt zu werden. Dies bedeutet, dass Menschen, die in nördlichen Breiten leben, im Allgemeinen anfälliger für Vitamin-D-Mangel sind. weil ihr Körper das ganze Jahr über im Durchschnitt weniger Sonnenlicht erhält als Menschen, die näher am Äquator liegen tun.

Eine weitere Implikation der Beziehung zwischen UV-Licht und Melanin ist jedoch, dass Menschen mit dunklerer Haut, egal wo sie leben (aber besonders an sehr nördlichen oder südlichen Standorten), sollten auf Probleme mit dem Vitamin-D-Spiegel überwacht werden, weil ihre hohe Dichte an Melanosomen schützt zwar vor den Gefahren von UV-Strahlen, blendet aber auch ihre wenigen nützlichen aus Auswirkungen.

Eine Reihe von Zusammenhängen zwischen UV-Licht, Melanin und dem Verhalten der Haut sind noch nicht vollständig geklärt. Es ist beispielsweise bekannt, dass die Verabreichung von UV-Licht auf die Haut kurzfristig die Immunfunktion unterdrücken kann. Dies kann wünschenswert sein, wenn versucht wird, das Aufflammen entzündlicher Hauterkrankungen mit einer Immunkomponente wie Psoriasis zu kontrollieren.

Welche Rolle Melanin auch immer im Körper spielen mag, muss noch geklärt werden.

Eine Reihe von klinischen Zuständen, die Störungen der Melaninsynthese und des Melanintransports beinhalten, sind gut bekannt. Diese können jeden Schritt des Melaninbildungs- und Melaninverteilungsprozesses beeinflussen.

Diese schließen ein:

Störungen der Melanoblasten. Diese Zellen sind, wie Sie sich vielleicht erinnern, die Vorläufer von Melanozyten. Sie sollen von ihren Entstehungsorten in der embryonalen und fötalen Entwicklung zu den Orten wandern, an denen sie letztendlich ihre zugewiesenen Rollen spielen.

Manchmal schaffen es Melanoblasten jedoch nicht, dorthin zu gelangen, wo sie hin sollen. Ein Ergebnis ist Waardenburg-Syndrom, bei dem Betroffene sehr helle Hautpartien und vorzeitig ergraute Haare haben, weil sich Melanoblasten nicht früher in diesen Gebieten ansiedeln.

Störungen der Melanozyten. Zu den berüchtigtsten gehört die Bedingung namens Vitiligo, die die Autoimmun-vermittelte Zerstörung von Melanozyten auf ungleichmäßige Weise durch die Haut beinhaltet.

Aufgrund der asymmetrischen Art und Weise, in der der Körper seine eigenen Zellen angreift, zeigt die Haut deutliche Flecken heller Haut, die mit nicht betroffenen Hautbereichen vermischt sind.

Störungen der Melanosomen. Zwei der häufigeren Erkrankungen, die die Speicherorte von Melanin betreffen, sind Chédiak-Higashi-Syndrom und Griscelli-Syndrom, die beide sichtbare Hautpigmentierungsprobleme beinhalten, aber auch Auswirkungen auf andere Körpersysteme haben.

Beim Chédiak-Higashi-Syndrom, das Albinismus (ein fast vollständiger Mangel an Pigmentierung in Haut und Augen), wird angenommen, dass die Gen Mutation verantwortlich für die Melaninkomponente der Erkrankung verhindert auch die Synthese wichtiger Chemikalien des Immunsystems.

Störungen im Zusammenhang mit Tyrosinase. Tyrosinase ist das Enzym oder biologische Katalysatorprotein, das eine Zwischenverbindung bei der Melanin- und Phäomelanin-Synthese, Dihydroxyphenylalanin genannt, in Dopachinon umwandelt. Wenn dieses Enzym nicht richtig funktioniert oder fehlt, kann der Melanin-Syntheseweg gestört werden.

Zum Beispiel bei der Erbkrankheit Phenylketonurie (PKU) führt das Versagen eines anderen Enzyms zu einem signifikanten Aufbau von Phenylalanin, das sekundäre, hemmende Wirkungen auf die Tyrosinase hat. Dies führt zu einer fleckigen Haut dank einer "nachgelagerten" Abnahme der Melaninsynthese.