Melaniinin kemia

Melaniini on tumma, luonnossa esiintyvä pigmentti, jota on useita muotoja ja joka vastaa suuresta osasta ihon väriä ihmisissä. Sitä tuottavat kutsutut solut melanosyytit, jotka istuvat ihon uloimman kerroksen syvimmässä osassa. Suuri osa melaniinista löytää tiensä soluiksi keratinosyytit, joita on paljon enemmän kuin melanosyyttejä.

Kun melaniini on syntetisoitu, se varastoidaan kappaleisiin, joita kutsutaan melanosyyteiksi melanosomit. Yleisimpiä melaniinityyppejä kutsutaan eumelaniini, mikä tarkoittaa "hyvää melaniinia". Kun paljon eumelaniinia on läsnä suurempina määrinä, tuloksena on tummempi, ruskeampi ihonväri, kun taas tämän pigmentin matala tiheys esiintyy ihmisillä, joilla on vaaleampi iho.

Kun ihmisillä on eroja ihonvärissä pääasiassa ihon melaniinipitoisuuden erojen vuoksi, tämä ei johdu siitä, että ihmiset eroavat suuresti määrä melanosyyteistä, joita heillä on. Sen sijaan jotkut ihmiset yksilö melanosyytit ovat paljon aktiivisempia kuin muissa.

Kuten monet kehon aineet, myös melaniinin kemiallinen koostumus sisältää hiilen, vedyn, hapen ja typen seoksen.

(Historiallisista syistä a mooli on aineen määrä grammoina, joka sisältää 6 x 10 ²³ ja on molekyylin koon perusmitta.)

Melaniini koostuu kolmesta kuusijäsenisestä renkaasta (kuusi atomia, jotka on järjestetty keskipisteen ympärille) linjassa, joista jokaisessa on viisijäseninen rengas, joka on kätkeytyneenä johonkin kulmaan itsensä ja naapurinsa välillä. Nämä viisijäseniset renkaat sisältävät kukin melaniinissa olevasta kahdesta typpiatomista ja istuvat molekyylin vastakkaisilla puolilla.

Melaniinin neljä happiatomia on sitoutunut hiileihin kuuden atomin renkaassa kummassakin päässä, kaksi kummassakin renkaassa. Nämä ovat kaksoissidottuja, ja C = O-järjestelyt ovat renkaan vastakkaisilla puolilla, mistä viisijäseniset renkaat ovat kiinnittyneet.

Jos haluat ilmaista melaniinin kaavan selkeämmässä muodossa käyttämättä a mallin, voit kirjoittaa sen muodossa, jota käytetään yksinkertaistetussa molekyylinsyöttöviivojen syöttöjärjestelmässä (SMILES):

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

missä numerot eivät ole alaindeksit, vaan viittaukset yksittäisten renkaiden atomien numeeriseen sijaintiin. Vety melaniinin atomeja ei sisällytetä, mutta niiden lukumäärä ja sijainti voidaan määrittää täyttämällä kaikki "aukot" yllä olevassa rakenteessa pitäen mielessä, että kukin hiili muodostaa neljä sidosta.

Ihmisen iho on kolme kerrosta, jotka uloimmasta sisimpään ovat orvaskeden, ihon ja ihonalaisen kudoksen kerroksen. Epidermis on itse jaettu lukuisiin kerroksiin, joista syvintä kutsutaan stratum germinativum (joskus kutsutaan stratum basale). Melanosyytit tuottavat tämän kerroksen, joka liittyy tyvikerrokseen, joka erottaa orvaskeden dermiksestä.

Mikroskopiassa melanosyyteillä on tyypillinen epäsäännöllinen muoto. Se, missä määrin melanosyytit tuottavat melaniinia, riippuu siitä, missä määrin geeni sillä melaniini on ilmaistutai päällä. Ajattele "geeniekspressiota" kytkemällä kytkin päälle tehtaalla tietyn tuotteen, tässä tapauksessa proteiinin, valmistamiseksi.

Lähes kaikilla ihmisillä on paljon melaniini "melanosyytit", mutta missä määrin ihmiset käyttävät näitä "tehtaita" vaihtelee suuresti sekä yksilöiden että etnisten populaatioiden välillä.

Auringonvalo laukaisee melaniinin tuotannon jossain määrin useimmilla ihmisillä; tämä on lyhytaikainen ihon tummenemisprosessi, joka tunnetaan nimellä "rusketus". Kevyen ärsykkeen tuottama melaniini suojaa muualla kehoa jossain määrin haitallinen ultraviolettisäteily (UV) auringonvalossa.

Kun keho ei enää tunnista runsaasti UV-säteitä ympäristössä, kuten syksyllä ja talvella tapahtuu, havaittu melaniinituotannon tarve vähenee samoin ja iho taipuu vaalentumaan näiden aikana vuodenajat.

Vaikka melanosyytit valmistavat melaniinia sekä varastoivat ja vapauttavat sen, paljon yleisemmät epidermaaliset solut tunnetaan nimellä keratinosyytit lopettaa pigmentin suurin vastaanottaja. Melaniinin liikkumista melanosyyteistä keratinosyytteihin helpottavat monet lonkerot (jopa noin 40), jotka ulottuvat jokaisesta melanosyytistä ulospäin.

Melanosyytteihin muodostuneet melanosomit kulkeutuvat keratinosyytteihin ja sijoittuvat solukalvon ja ytimen väliin auttaen suojaamaan DNA (deoksiribonukleiinihappo, ihmisten "geneettinen materiaali" ja kaikki tunnetut elämänmuodot) tuumassa UV-säteilyvahinkojen vuoksi.

Vaikka eumelaniini on yleisimmin tuotettu melaniinityyppi, se on kaukana ainoasta yleisestä tyypistä. Se on olemassa kahdessa muussa päämuodossa, feomelaniini ja neuromelaniini. Eumelaniinilla ja feomelaniinilla on paljon yhteistä toiminnallisesti ja kemiallisesti, kun taas neuromelaniini on jotain huijausta.

Eumelaniinia ja feomelaniinia tuottavat molemmat orvaskeden alimmassa kerroksessa olevat melanosyytit. Nämä solut alkavat melanoblastit kudoksessa, joka on peräisin hermoputkesta ihmisen alkion kehityksen aikana. Kunkin näistä synteesi alkaa tyrosiinista, molekyylistä, joka on läheisesti sukua aminohappofenyylialaniinille. Tyrosiini muuttuu pian dopaquinoniksi, joka voi seurata useita erilaisia ​​kemiallisia reittejä, jotka lopulta johtavat melaniinin tuotantoon.

Neuromelaniinia tuotetaan aivoissa osana välittäjäaineen hajoamista dopamiini, toinen fenyylialaniinin ja tyrosiinin läheinen kemiallinen sukulainen. Tämä tapahtuu aivojen osassa, jota kutsutaan substantia nigra. Neuromelaniini, toisin kuin ihmisen melaniinin kaksi muuta muotoa, ei osallistu ihonvärin määritykseen.

Melaninin väite biologiselle maineelle on sen vaikutus ihonväriin, mutta sillä on myös useita toisiinsa liittyviä ja etuyhteydettömiä fysiologisia toimintoja. Melaniini vaikuttaa hiusten väriin ja suojaa myös ihoa ja silmiä auringon ja muiden sähkömagneettisen säteilyn lähteiden vaurioilta.

Eumelaniini on väriltään ruskeanmustaa, kun taas feomelaniini on kellertävänpunaista. Henkilön ihon ylivärin määrää näiden kahden melaniinityypin ja melanosomien kokonaistiheyden yhdistelmä yksittäisissä soluissa.

Saman yksilön kehon eri osissa hallitsevat myös erityyppiset melaniinit. Esimerkiksi vaaleanpunaisemmissa huulissa on enemmän feomelaniinia.

Väriltään vaaleamman ihon tiheys on tyypillisesti kaksi tai kolme melanosomia ryhmää kohti melanosyyteissä, kun taas tummempi iho sisältää enemmän "liikkuvia" melanosyyttejä siinä mielessä, että nämä rakeet ovat taipuvaisempia leviämään naapureihin keratinosyytit.

Jossain vaiheessa ihmisen evoluutiota yksilöiden erilaiset populaatiot asettuivat kauas toisistaan jotkut jäävät lähemmäksi päiväntasaajaa ja toiset pyrkivät kohti pohjoisia leveysasteita, lähinnä Euroopassa ensimmäinen. Aurinkoisemmassa ja kuumemmassa ympäristössä olon seurauksena päiväntasaajaa lähempänä olevat ihmiset menettivät suuren osan kehon hiuksistaan ​​suhteessa pohjoisempiin alueisiinsa.

Tämän muutoksen suhteellisessa hiusten jakautumisessa uskotaan kannustaneen melanogeneesin erilaista kehitystä eri populaatioissa maailmanlaajuisesti. Lähempänä päiväntasaajaa asuvat ihmiset osoittavat nyt suurempaa eumelaniinin ja feomelaniinin suhdetta, mikä johtaa paitsi tummempaan ihoon myös suurempaan kykyyn absorboida UV-säteilyä. Ihmiset, jotka asuvat viileämmässä paikassa, jossa on vähemmän auringonvaloa, osoittavat sitä vastoin pienempää eumelaniinin ja feomelaniinin suhdetta ja ovat siten alttiimpia UV-ihovaurioille, mukaan lukien syöpä.

Vuonna 2015 Yalen yliopiston tutkijat kertoivat löytäneensä tavan UV-valo reagoi melaniinissa hiirissä tavalla, joka edistää syövän muodostumista muutamassa tunnissa. Tämä näytti korostavan melaniinin hienosti "kaksiteräistä" luonnetta. Jokaisella alueella, jolla se voi toimia terveyshyödykkeenä, se näyttää olevan terveysvastuu muualla.

Vitamiini D, joka on tärkeä kehon mineraalikalsiumin käsittelyssä, on altistettava UV-valolle, jotta se muuttuu aktiiviseksi muodoksi sen nauttimisen jälkeen. Tämä tarkoittaa, että pohjoisilla leveysasteilla asuvat ihmiset ovat yleensä alttiimpia D-vitamiinin puutokselle, koska heidän ruumiinsa saavat keskimäärin vähemmän auringonvaloa läpi vuoden kuin ihmiset, jotka ovat lähempänä päiväntasaajaa tehdä.

Toinen UV-valon ja melaniinin välisen suhteen merkitys on, että tummempiarvoiset ihmiset ovat missä tahansa eläviä (mutta erityisesti hyvin pohjoisilla tai eteläisillä alueilla), tulisi seurata D-vitamiinipitoisuuksien varalta, koska niiden suuri melanosomien tiheys, samalla kun ne suojaavat UV-säteilyn vaaroilta, suojaavat myös niiden muutamia hyödyllisiä vaikutuksia.

Useita UV-valon, melaniinin ja ihon käyttäytymisen välisiä suhteita ei ole vielä täysin selvitetty. Tiedetään esimerkiksi, että UV-valon antaminen iholle voi tukahduttaa immuunitoiminnan lyhyellä aikavälillä. Tämä voi olla toivottavaa, kun yritetään hallita tulehduksellisten ihosairauksien puhkeamista immuunikomponentilla, kuten psoriaasilla.

Mikä tahansa immuunirooli melaniinilla voi olla elimistössä, on vielä selvitettävä.

Useat kliiniset tilat, joihin liittyy häiriöitä melaniinin synteesissä ja kuljetuksessa, ovat hyvin tunnettuja. Nämä voivat vaikuttaa melaniinin muodostumisen ja melaniinin jakeluprosessin jokaiseen vaiheeseen.

Nämä sisältävät:

Melanoblastien häiriöt. Nämä solut, kuten muistatte, ovat melanosyyttien edeltäjiä. Heidän oletetaan siirtyvän alkion ja sikiön kehityksen muodostumispaikoiltaan paikkoihin, joissa he lopulta suorittavat sille määrätyt roolit.

Joskus melanoblastit eivät kuitenkaan pääse sinne, missä heidän on tarkoitus mennä. Yksi tulos on Waardenburgin oireyhtymä, jossa sairastuneilla ihmisillä on erittäin vaalea iho ja ennenaikaisesti harmaat hiukset, koska melanoblastit eivät ole asettuneet asumaan näille alueille aikaisemmin elämässä.

Melanosyyttien häiriöt. Näistä tunnetuimpien joukossa on kutsuttu tila vitiligo, johon liittyy melanosyyttien autoimmuunivälitteinen tuhoaminen epätasaisella tavalla koko ihossa.

Epäsymmetrisen tavan takia, jolla keho hyökkää omiin soluihinsa, iholla on erillisiä vaalean ihon laikkuja sekoitettuna koskemattomiin ihoalueisiin.

Melanosomien häiriöt. Kaksi yleisimpiä häiriöitä, joihin liittyy melaniinin varastointipaikkoja, ovat Chédiak-Higashin oireyhtymä ja Griscellin oireyhtymä, jotka molemmat sisältävät näkyviä ihon pigmenttiongelmia, mutta sisältävät myös vaikutuksia muihin kehon järjestelmiin.

Chédiak-Higashin oireyhtymässä, joka voi tuottaa albinismi (lähes täydellinen pigmentaation puute ihossa ja silmissä), uskotaan geenimutaatio häiriön melaniinikomponentista vastaava estää myös tärkeiden immuunijärjestelmän kemikaalien synteesin.

Tyrosinaasiin liittyvät häiriöt. Tyrosinaasi on entsyymi tai biologinen katalyyttiproteiini, joka muuntaa melaniini- ja feomelaniinisynteesin välituoteyhdisteen, nimeltään dihydroksifenyylialaniini, dopaquinoniksi. Kun tämä entsyymi ei toimi kunnolla tai sitä ei ole, melaniinin synteettinen reitti voi häiriintyä.

Esimerkiksi perinnöllisessä sairaudessa fenyyliketonuria (PKU), toisen entsyymin epäonnistuminen johtaa merkittävään fenyylialaniinin kertymiseen, jolla on toissijaisia, inhiboivia vaikutuksia tyrosinaasiin. Tämä johtaa ihon hajanaisuuteen melaniinisynteesin "loppupään" vähenemisen ansiosta.