Η Χημεία της Μελανίνης

Η μελανίνη είναι μια σκοτεινή, φυσική χρωστική ουσία που έρχεται σε διάφορες μορφές και είναι υπεύθυνη για μεγάλο μέρος του χρώματος του δέρματος στους ανθρώπους. Παράγεται από κύτταρα που ονομάζονται μελανοκύτταρα, που κάθονται στο βαθύτερο μέρος του εξώτατου στρώματος του δέρματος. Μεγάλο μέρος αυτής της μελανίνης βρίσκει το δρόμο του σε κύτταρα που ονομάζονται κερατινοκύτταρα, τα οποία είναι πολύ περισσότερα από τα μελανοκύτταρα.

Μετά τη σύνθεση της μελανίνης, αποθηκεύεται σε σώματα που ονομάζονται μελανοκύτταρα μελανοσώματα. Ο πιο κοινός από τους διάφορους τύπους μελανίνης ονομάζεται ευμελανίνη, που σημαίνει "καλή μελανίνη". Όταν υπάρχει μεγάλη ποσότητα ευμελανίνης σε υψηλότερες ποσότητες, προκύπτει ένα πιο σκούρο, πιο καφέ χρώμα δέρματος, ενώ χαμηλή πυκνότητα αυτής της χρωστικής εμφανίζεται σε άτομα με ανοιχτόχρωμο δέρμα.

Όταν οι άνθρωποι εμφανίζουν διαφορές στο χρώμα του δέρματος που οφείλονται κυρίως σε διαφορές στην περιεκτικότητα σε μελανίνη του δέρματος, αυτό δεν συμβαίνει επειδή οι άνθρωποι διαφέρουν πολύ από την άποψη της

Όπως πολλές ουσίες στο σώμα, η χημική σύνθεση της μελανίνης περιλαμβάνει ένα μείγμα άνθρακα, υδρογόνου, οξυγόνου και αζώτου. ο χημικός τύπος μελανίνης είναι Γ₁₈Η₁₀Ν₂Ο₄, δίνοντας μελανίνη μοριακό βάρος, ή μοριακή μάζα, 318 γραμμάρια ανά γραμμομόριο (g / mol).

(Για ιστορικούς λόγους, α ΕΛΙΑ δερματος είναι η ποσότητα μιας ουσίας σε γραμμάρια που περιέχει 6 x 10 ²³ μόρια και είναι ένα βασικό μέτρο του μεγέθους ενός μορίου.)

Η μελανίνη αποτελείται από τρεις εξαμελείς δακτυλίους (έξι άτομα διατεταγμένα γύρω από ένα κεντρικό σημείο) σε μια γραμμή, το καθένα με έναν πενταμελή δακτύλιο που βρίσκεται σε μία από τις γωνίες μεταξύ του και του γείτονά του. Αυτοί οι πενταμελείς δακτύλιοι το καθένα περιέχουν ένα από τα δύο άτομα αζώτου στη μελανίνη και κάθονται στις αντίθετες πλευρές του μορίου.

Τα τέσσερα άτομα οξυγόνου στη μελανίνη συνδέονται με άνθρακες στον δακτύλιο έξι ατόμων σε κάθε άκρο, δύο σε κάθε δακτύλιο. Αυτά είναι διπλά συνδεδεμένα και οι διευθετήσεις C = O βρίσκονται στις αντίθετες πλευρές του δακτυλίου από όπου συνδέονται οι πενταμελείς δακτύλιοι.

Εάν επιθυμείτε να εκφράσετε τον τύπο για τη μελανίνη σε μια πιο ρητή μορφή χωρίς να καταφύγετε στο σχέδιο α μοντέλο, θα μπορούσατε να το γράψετε με τη μορφή που χρησιμοποιείται στο απλοποιημένο σύστημα εισαγωγής γραμμής μοριακής εισαγωγής (SMILES):

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

όπου οι αριθμοί δεν είναι συνδρομητές αλλά αναφορές στις αριθμητικές θέσεις ατόμων εντός μεμονωμένων δακτυλίων. Υδρογόνο Τα άτομα στη μελανίνη δεν περιλαμβάνονται, αλλά ο αριθμός και οι θέσεις τους μπορούν να προσδιοριστούν συμπληρώνοντας τυχόν "κενά" στην παραπάνω δομή, έχοντας υπόψη ότι κάθε άνθρακας σχηματίζει τέσσερις δεσμούς.

Ο άνθρωπος δέρμα έχει τρία στρώματα, τα οποία από το εξώτερο έως το εσωτερικό είναι η επιδερμίδα, το δέρμα και το υποδόριο στρώμα ιστού. Η επιδερμίδα χωρίζεται σε πολλά στρώματα, το βαθύτερο από τα οποία ονομάζεται στρώμα germinativum (μερικές φορές ονομάζεται βασικό στρώμα). Αυτό το στρώμα, το οποίο γειτνιάζει με τη βασική μεμβράνη που διαχωρίζει την επιδερμίδα από το χόριο, είναι εκεί όπου παράγονται μελανοκύτταρα.

Στη μικροσκόπηση, τα μελανοκύτταρα έχουν χαρακτηριστικό ακανόνιστο σχήμα. Ο βαθμός στον οποίο τα μελανοκύτταρα παράγουν μελανίνη εξαρτάται από το βαθμό στον οποίο η μελανίνη γονίδιο για τη μελανίνη είναι εκφράζεταιή ενεργοποιήθηκε. Σκεφτείτε τη «γονιδιακή έκφραση» ως ενεργοποίηση ενός διακόπτη σε ένα εργοστάσιο για να φτιάξετε ένα συγκεκριμένο προϊόν, στην περίπτωση αυτή μια πρωτεΐνη.

Σχεδόν όλα τα ανθρώπινα όντα έχουν πολλά μελανίνη "εργοστάσια" (μελανοκύτταρα), αλλά ο βαθμός στον οποίο οι άνθρωποι χρησιμοποιούν αυτά τα "εργοστάσια" ποικίλλει σημαντικά μεταξύ των ατόμων και των εθνικών πληθυσμών.

Το φως του ήλιου ενεργοποιεί την παραγωγή μελανίνης σε κάποιο βαθμό στους περισσότερους ανθρώπους. Αυτή είναι η διαδικασία της βραχυπρόθεσμης σκουρόχρωμης επιδερμίδας που είναι γνωστή ως «μαύρισμα». Η μελανίνη που παράγεται από ερέθισμα φωτός δρα για να προστατεύσει το υπόλοιπο σώμα σε κάποιο βαθμό από επιβλαβής υπεριώδης ακτινοβολία (UV) στο φως του ήλιου.

Όταν το σώμα δεν αισθάνεται πλέον αφθονία ακτίνων UV στο περιβάλλον, όπως συμβαίνει το φθινόπωρο και το χειμώνα, Η αντιληπτή ανάγκη για παραγωγή μελανίνης μειώνεται επίσης και το δέρμα τείνει να ελαφρύνει κατά τη διάρκεια αυτών εποχές.

Επίσης, ενώ τα μελανοκύτταρα παράγουν μελανίνη καθώς και αποθηκεύουν και απελευθερώνουν, τα πολύ πιο διαδεδομένα επιδερμικά κύτταρα γνωστά ως κερατινοκύτταρα καταλήγει ως ο μεγαλύτερος αποδέκτης της χρωστικής. Η μετακίνηση μελανίνης από μελανοκύτταρα σε κερατινοκύτταρα διευκολύνεται από τα πολλά πλοκάμια (έως 40 περίπου) που εκτείνονται προς τα έξω από κάθε μελανοκύτταρο.

Τα μελανοσώματα που σχηματίζονται στα μελανοκύτταρα ταξιδεύουν στα κερατινοκύτταρα και τοποθετούνται μεταξύ της κυτταρικής μεμβράνης και του πυρήνα, βοηθώντας στην προστασία του DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, το "γενετικό υλικό" των ανθρώπων και όλων των γνωστών μορφών ζωής) εντός αυτού του πυρήνα από βλάβη από την υπεριώδη ακτινοβολία.

Ενώ η εμελανίνη είναι ο πιο άφθονος τύπος μελανίνης που παράγεται από τον άνθρωπο, απέχει πολύ από τον μοναδικό κοινό τύπο. Υπάρχει σε δύο άλλες κύριες μορφές, φαιομελανίνη και νευρομελανίνη. Η ευμελανίνη και η φαιομελανίνη έχουν πολλά κοινά λειτουργικά και χημικά, ενώ η νευρομελανίνη είναι κάτι αδίστακτος.

Η ευμελανίνη και η φαιομελανίνη παράγονται και τα δύο από μελανοκύτταρα στο χαμηλότερο στρώμα (στρώμα) της επιδερμίδας. Αυτά τα κύτταρα ξεκινούν ως μελανοβλάστες σε ιστό που προέρχεται από το νευρικό σωλήνα κατά τη διάρκεια της ανθρώπινης εμβρυϊκής ανάπτυξης. Η σύνθεση καθενός από αυτά ξεκινά με τυροσίνη, ένα μόριο που σχετίζεται στενά με το αμινοξύ φαινυλαλανίνη. Η τυροσίνη μετατρέπεται σύντομα σε ντοπακινόνη, η οποία μπορεί να ακολουθήσει μια σειρά διαφορετικών χημικών οδών που τελικά οδηγούν στην παραγωγή μελανίνης.

Η νευρομελανίνη παράγεται στον εγκέφαλο ως μέρος της αποσύνθεσης του νευροδιαβιβαστή ντοπαμίνη, ένας άλλος στενός χημικός συγγενής της φαινυλαλανίνης και της τυροσίνης. Αυτό συμβαίνει σε ένα μέρος του εγκεφάλου που ονομάζεται μέλαινα ουσία. Η νευρομελανίνη, σε αντίθεση με τις άλλες δύο μορφές ανθρώπινης μελανίνης, δεν συμμετέχει στον προσδιορισμό του χρώματος του δέρματος.

Ο ισχυρισμός της Melanin για τη βιολογική φήμη είναι η συμβολή του στο χρώμα του δέρματος, αλλά εκτελεί επίσης πολλές σχετικές και άσχετες φυσιολογικές λειτουργίες. Η μελανίνη επηρεάζει το χρώμα των μαλλιών και προστατεύει επίσης το δέρμα και τα μάτια από βλάβη από τον ήλιο και άλλες πηγές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Η εμελανίνη έχει περισσότερο καφέ-μαύρο χρώμα, ενώ η φαιομελανίνη είναι πιο κιτρινωπή-κόκκινη. Το υπερβολικό χρώμα του δέρματος ενός ατόμου καθορίζεται από ένα συνδυασμό της αναλογίας αυτών των δύο τύπων μελανίνης και της συνολικής πυκνότητας των μελανοσωμάτων μέσα σε μεμονωμένα κύτταρα.

Επίσης, διαφορετικοί τύποι μελανίνης κυριαρχούν σε διαφορετικά μέρη του σώματος στο ίδιο άτομο. Για παράδειγμα, τα χείλη, τα οποία είναι πιο ροζ, έχουν υψηλότερη περιεκτικότητα σε φαιομελανίνη.

Το δέρμα που είναι πιο ανοιχτόχρωμο έχει συνήθως πυκνότητα δύο ή τριών μελανοσωμάτων ανά συστάδα εντός των μελανοκυττάρων, ενώ Το πιο σκούρο δέρμα διαθέτει περισσότερα «κινητά» μελανοκύτταρα, καθώς αυτοί οι κόκκοι τείνουν να εξαπλώνονται σε γειτονικά κερατινοκύτταρα.

Σε κάποιο σημείο της ανθρώπινης εξέλιξης, διαφορετικοί πληθυσμοί ατόμων εγκαταστάθηκαν μακριά ο ένας από τον άλλο, με Μερικοί παραμένουν πιο κοντά στον ισημερινό και άλλοι που πηγαίνουν προς βόρεια γεωγραφικά πλάτη, κυρίως στην Ευρώπη πρώτα. Ως συνέπεια του ότι βρίσκονται σε ένα πιο ηλιόλουστο και πιο ζεστό περιβάλλον, οι άνθρωποι πιο κοντά στον ισημερινό έχασαν μεγάλο μέρος της τρίχας του σώματός τους σε σχέση με τους πιο βόρειους ομολόγους τους.

Αυτή η αλλαγή στη σχετική κατανομή των μαλλιών πιστεύεται ότι ώθησε τη διαφορική ανάπτυξη της μελανογένεσης σε διαφορετικούς πληθυσμούς παγκοσμίως. Τα άτομα που ζουν πιο κοντά στον ισημερινό παρουσιάζουν υψηλότερη αναλογία εμελανίνης προς φαμομελανίνη, με αποτέλεσμα όχι μόνο το πιο σκούρο δέρμα αλλά και την μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης της υπεριώδους ακτινοβολίας. Τα άτομα που ζουν σε ψυχρότερες περιοχές με λιγότερο ηλιακό φως, από την άλλη πλευρά, παρουσιάζουν χαμηλότερη αναλογία εμελανίνης προς φαμομελανίνη και, κατά συνέπεια, είναι πιο ευαίσθητα σε βλάβες του δέρματος UV, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου.

Το 2015, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Yale ανέφεραν ότι είχαν βρει έναν τρόπο με τον οποίο Το υπεριώδες φως αντιδρά στη μελανίνη σε ποντίκια με τρόπο που προάγει τον σχηματισμό καρκίνου σε λίγες ώρες. Αυτό φάνηκε να υπογραμμίζει την υπέροχη "δίκοπη" φύση της μελανίνης. Για κάθε τομέα στον οποίο μπορεί να χρησιμεύσει ως περιουσιακό στοιχείο υγείας, φαίνεται να παρουσιάζει ευθύνη για την υγεία κάπου αλλού.

Βιταμίνη Το D, το οποίο είναι σημαντικό για τον χειρισμό του ανόργανου ασβεστίου στο σώμα, πρέπει να υπόκειται σε υπεριώδες φως για να μετατραπεί στην ενεργή του μορφή μετά την κατάποση. Αυτό σημαίνει ότι οι άνθρωποι που ζουν σε βόρεια γεωγραφικά πλάτη γενικά είναι πιο ευαίσθητοι σε ανεπάρκεια βιταμίνης D, επειδή τα σώματά τους λαμβάνουν κατά μέσο όρο λιγότερο ηλιακό φως καθ 'όλη τη διάρκεια του έτους από ό, τι τα άτομα που βρίσκονται πιο κοντά στον ισημερινό κάνω.

Μια άλλη επίπτωση της σχέσης μεταξύ του υπεριώδους φωτός και της μελανίνης, ωστόσο, είναι ότι οι άνθρωποι με πιο σκούρο δέρμα, όπου κι αν ζωντανά (αλλά ειδικά εκείνα σε πολύ βόρεια ή νότια σημεία), θα πρέπει να παρακολουθούνται για προβλήματα με τα επίπεδα βιταμίνης D, επειδή Η υψηλή πυκνότητα των μελανοσωμάτων τους, ενώ παράλληλα παρέχει προστασία έναντι των κινδύνων από τις ακτίνες UV, αποτρέπει επίσης τα λίγα ευεργετικά τους υπάρχοντα.

Ορισμένες σχέσεις μεταξύ του υπεριώδους φωτός, της μελανίνης και της συμπεριφοράς του δέρματος δεν έχουν ακόμη αποσαφηνιστεί πλήρως. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι η χορήγηση υπεριώδους φωτός στο δέρμα μπορεί να καταστέλλει την ανοσολογική λειτουργία βραχυπρόθεσμα. Αυτό μπορεί να είναι επιθυμητό όταν προσπαθείτε να ελέγξετε τις εξάρσεις φλεγμονωδών παθήσεων του δέρματος με ένα ανοσοποιητικό συστατικό, όπως η ψωρίαση.

Όποιος και αν είναι ο ανοσοποιητικός ρόλος που μπορεί να διαδραματίσει η μελανίνη στο σώμα, πρέπει να διευκρινιστεί.

Είναι γνωστές ορισμένες κλινικές καταστάσεις που περιλαμβάνουν διαταραχές στη σύνθεση και τη μεταφορά μελανίνης. Αυτά μπορούν να επηρεάσουν κάθε βήμα της διαδικασίας σχηματισμού μελανίνης και διανομής μελανίνης.

Αυτά περιλαμβάνουν:

Διαταραχές των μελανοβλαστών. Αυτά τα κύτταρα, όπως θυμάστε, είναι οι πρόδρομοι των μελανοκυττάρων. Υποτίθεται ότι πρέπει να μεταναστεύσουν από τους τόπους σχηματισμού τους στην εμβρυϊκή και εμβρυϊκή ανάπτυξη στα μέρη όπου τελικά θα διαδραματίσουν τους καθορισμένους ρόλους τους.

Ωστόσο, μερικές φορές οι μελανοβλάστες δεν καταφέρνουν να φτάσουν στο σημείο που πρέπει να πάνε. Ένα αποτέλεσμα είναι Σύνδρομο Waardenburg, στις οποίες τα άτομα που έχουν προσβληθεί έχουν περιοχές με πολύ ανοιχτόχρωμο δέρμα και πρόωρα γκρίζα μαλλιά λόγω της αποτυχίας των μελανοβλαστών να εγκατασταθούν σε αυτές τις περιοχές νωρίτερα στη ζωή τους.

Διαταραχές των μελανοκυττάρων. Μεταξύ των πιο διαβόητων αυτών είναι η κατάσταση που ονομάζεται λεύκη, η οποία συνεπάγεται την αυτοάνοση καταστροφή μελανοκυττάρων με μη ομοιόμορφο τρόπο σε ολόκληρο το δέρμα.

Λόγω του ασύμμετρου τρόπου με τον οποίο το σώμα επιτίθεται στα δικά του κύτταρα, το δέρμα εμφανίζει ξεχωριστές κηλίδες ελαφρού δέρματος που συνδυάζονται με μη επηρεασμένες περιοχές του δέρματος.

Διαταραχές των μελανοσωμάτων. Δύο από τις πιο συχνές διαταραχές που αφορούν τις θέσεις αποθήκευσης της μελανίνης είναι Σύνδρομο Chédiak-Higashi και Σύνδρομο Griscelli, και τα δύο περιλαμβάνουν ορατά προβλήματα μελάγχρωσης του δέρματος, αλλά επίσης περιλαμβάνουν επιδράσεις και σε άλλα συστήματα του σώματος.

Στο σύνδρομο Chédiak-Higashi, το οποίο μπορεί να παράγει αλβινισμός (σχεδόν συνολική έλλειψη χρώσης στο δέρμα και τα μάτια), πιστεύεται ότι το γονιδιακή μετάλλαξη υπεύθυνη για το συστατικό της μελανίνης της διαταραχής αποτρέπει επίσης τη σύνθεση σημαντικών χημικών του ανοσοποιητικού συστήματος.

Διαταραχές που σχετίζονται με την τυροσινάση. Η τυροσινάση είναι το ένζυμο, ή βιολογική καταλυτική πρωτεΐνη, που μετατρέπει μια ενδιάμεση ένωση στη σύνθεση μελανίνης και φαμομελανίνης, που ονομάζεται διυδροξυφαινυλαλανίνη, σε ντοπακινόνη. Όταν αυτό το ένζυμο δεν λειτουργεί σωστά ή απουσιάζει, η συνθετική οδός μελανίνης μπορεί να διαταραχθεί.

Για παράδειγμα, στην κληρονομική νόσο φαινυλκετονουρία (PKU), η αποτυχία ενός διαφορετικού ενζύμου οδηγεί σε σημαντική συσσώρευση φαινυλαλανίνης, η οποία έχει δευτερεύουσες, ανασταλτικές επιδράσεις στην τυροσινάση. Αυτό οδηγεί σε σπασμένο δέρμα χάρη στη «κατάντη» μείωση της σύνθεσης μελανίνης.