La chimica della melanina

La melanina è un pigmento scuro e naturale che si presenta in diverse forme ed è responsabile di gran parte del colore della pelle negli esseri umani. È prodotto da cellule chiamate melanociti, che si trovano nella parte più profonda dello strato più esterno della pelle. Gran parte di questa melanina si fa strada nelle cellule chiamate cheratinociti, che sono molto più numerosi dei melanociti.

Dopo che la melanina è stata sintetizzata, viene immagazzinata nei corpi all'interno dei melanociti chiamati melanosomi. Il più comune dei vari tipi di melanina è chiamato eumelanina, che significa "buona melanina". Quando è presente molta eumelanina in quantità maggiori, si ottiene un colore della pelle più scuro e più marrone, mentre una bassa densità di questo pigmento si verifica nelle persone con pelle più chiara.

Quando le persone mostrano differenze nel colore della pelle dovute principalmente a differenze nel contenuto di melanina della pelle, non è perché le persone differiscono ampiamente in termini di

Come molte sostanze nel corpo, la composizione chimica della melanina include una miscela di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Il formula chimica della melanina è c₁₈H₁₀no₂oh₄, dando alla melanina un peso molecolare, o massa molare, di 318 grammi per mole (g/mol).

(Per ragioni storiche, a Talpa è la quantità di una sostanza in grammi che contiene 6 x 10 ²³ molecole, ed è una misura di base della dimensione di una molecola.)

La melanina consiste di tre anelli a sei membri (sei atomi disposti attorno a un punto centrale) in linea, ciascuno con un anello a cinque membri annidato in uno degli angoli tra se stesso e il suo vicino. Questi anelli a cinque membri contengono ciascuno uno dei due atomi di azoto nella melanina e si trovano sui lati opposti della molecola.

I quattro atomi di ossigeno nella melanina sono legati ai carboni sull'anello di sei atomi a ciascuna estremità, due a ciascun anello. Questi sono a doppio legame e le disposizioni C=O si trovano sui lati opposti dell'anello da cui sono attaccati gli anelli a cinque membri.

Se volessi esprimere la formula della melanina in una forma più esplicita senza ricorrere al disegno a modello, potresti scriverlo nel modulo utilizzato nel sistema di ingresso di linea a input molecolare semplificato (SMILES):

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

dove i numeri non sono pedici ma riferimenti alle posizioni numeriche degli atomi all'interno dei singoli anelli. Idrogeno gli atomi nella melanina non sono inclusi ma il loro numero e posizione possono essere determinati colmando eventuali "lacune" nella struttura di cui sopra, tenendo presente che ogni carbonio forma quattro legami.

Umano pelle ha tre strati, che dal più esterno al più interno sono l'epidermide, il derma e lo strato di tessuto sottocutaneo. L'epidermide è essa stessa suddivisa in numerosi strati, il più profondo dei quali è detto strato germinativo (a volte chiamato strato basale). Questo strato, che confina con la membrana basale che separa l'epidermide dal derma, è dove vengono prodotti i melanociti.

Al microscopio, i melanociti hanno una caratteristica forma irregolare. La misura in cui i melanociti producono melanina dipende dalla misura in cui gene per la melanina è espressoo acceso. Pensa all'"espressione genica" come accendere un interruttore in una fabbrica per realizzare un particolare prodotto, in questo caso una proteina.

Quasi tutti gli esseri umani ne hanno in abbondanza melanina "fabbriche" (melanociti), ma la misura in cui le persone utilizzano queste "fabbriche" varia ampiamente tra individui e popolazioni etniche.

La luce solare innesca in una certa misura la produzione di melanina nella maggior parte delle persone; questo è il processo di scurimento della pelle a breve termine noto come "abbronzatura". La melanina prodotta dallo stimolo luminoso agisce per schermare in una certa misura il resto del corpo da radiazioni ultraviolette (UV) dannose alla luce del sole.

Quando il corpo non percepisce più un'abbondanza di raggi UV nell'ambiente, come accade in autunno e in inverno, diminuisce anche il bisogno percepito di produzione di melanina e la pelle tende a schiarirsi durante questi le stagioni.

Inoltre, mentre i melanociti producono melanina, la immagazzinano e la rilasciano, le cellule epidermiche molto più diffuse note come cheratinociti finiscono per essere il maggior destinatario del pigmento. Il movimento della melanina dai melanociti ai cheratinociti è facilitato dai numerosi tentacoli (fino a 40 circa) che si estendono verso l'esterno da ciascun melanocita.

I melanosomi formati nei melanociti viaggiano verso i cheratinociti e si posizionano tra la membrana cellulare e il nucleo, aiutando a schermare il DNA (acido desossiribonucleico, il "materiale genetico" degli esseri umani e di tutte le forme di vita conosciute) all'interno di quel nucleo dai danni delle radiazioni UV.

Mentre l'eumelanina è il tipo più abbondante di melanina prodotta dall'uomo, è tutt'altro che l'unico tipo comune. Esiste in altre due forme principali, feomelanina e neuromelanina. L'eumelanina e la feomelanina hanno molto in comune dal punto di vista funzionale e chimico, mentre la neuromelanina è una specie di canaglia.

L'eumelanina e la feomelanina sono entrambe prodotte dai melanociti nello strato più basso (strato) dell'epidermide. Queste cellule iniziano come melanoblasti nel tessuto derivato dal tubo neurale durante lo sviluppo embrionale umano. La sintesi di ciascuno di questi inizia con la tirosina, una molecola strettamente correlata all'aminoacido fenilalanina. La tirosina viene presto convertita in dopachinone, che può seguire una serie di diverse vie chimiche che alla fine portano alla produzione di melanina.

La neuromelanina è prodotta nel cervello come parte della decomposizione del neurotrasmettitore dopamina, un altro stretto parente chimico della fenilalanina e della tirosina. Ciò si verifica in una parte del cervello chiamata sostanza nera. La neuromelanina, a differenza delle altre due forme di melanina umana, non partecipa alla determinazione del colore della pelle.

L'affermazione della melanina alla fama biologica è il suo contributo al colore della pelle, ma svolge anche una serie di funzioni fisiologiche correlate e non correlate. La melanina influenza il colore dei capelli e protegge anche la pelle e gli occhi dai danni della luce solare e da altre fonti di radiazioni elettromagnetiche.

L'eumelanina è di colore più brunastro-nero, mentre la feomelanina è più giallastra-rosso. Il colore eccessivo della pelle di una persona è determinato da una combinazione del rapporto tra questi due tipi di melanina e la densità complessiva dei melanosomi all'interno delle singole cellule.

Inoltre, diversi tipi di melanina predominano in diverse parti del corpo nello stesso individuo. Ad esempio, le labbra, che sono più rosa, sono più ricche di feomelanina.

La pelle di colore più chiaro ha tipicamente una densità di due o tre melanosomi per cluster all'interno dei melanociti, mentre la pelle più scura presenta melanociti più "mobili" in quanto questi granuli sono più inclini a diffondersi ai vicini cheratinociti.

Ad un certo punto dell'evoluzione umana, diverse popolazioni di individui si stabilirono lontano l'uno dall'altro, con alcuni rimangono più vicini all'equatore e altri si avventurano verso latitudini settentrionali, per lo più in Europa a primo. Come conseguenza dell'essere in un ambiente più soleggiato e caldo, le persone più vicine all'equatore hanno perso gran parte dei loro peli corporei rispetto alle loro controparti più settentrionali.

È questo cambiamento nella distribuzione relativa dei capelli che si ritiene abbia stimolato lo sviluppo differenziale della melanogenesi in diverse popolazioni in tutto il mondo. Le persone che vivono più vicino all'equatore ora mostrano un rapporto più elevato tra eumelanina e feomelanina, che si traduce non solo in una pelle più scura, ma in una maggiore capacità di assorbire le radiazioni UV. Le persone che vivono in aree più fresche con meno luce solare, d'altra parte, mostrano un rapporto inferiore tra eumelanina e feomelanina e, di conseguenza, sono più suscettibili ai danni alla pelle dei raggi UV, incluso il cancro.

Nel 2015, i ricercatori della Yale University hanno riferito di aver trovato un modo in cui La luce UV reagisce con la melanina nei topi in un modo che promuove la formazione del cancro in poche ore. Questo sembrava evidenziare la natura squisitamente "a doppio taglio" della melanina. Per ogni area in cui può fungere da bene sanitario, sembra presentare una responsabilità sanitaria da qualche altra parte.

Vitamina D, che è importante nella gestione del calcio minerale da parte dell'organismo, deve essere sottoposto ai raggi UV per essere convertito nella sua forma attiva dopo essere stato ingerito. Ciò significa che le persone che vivono alle latitudini settentrionali sono generalmente più suscettibili alla carenza di vitamina D, perché i loro corpi ricevono in media meno luce solare durante tutto l'anno rispetto alle persone più vicine all'equatore fare.

Un'altra implicazione della relazione tra luce UV e melanina, tuttavia, è che le persone dalla pelle più scura, non importa dove si trovino dal vivo (ma soprattutto quelli in località molto settentrionali o meridionali), dovrebbero essere monitorati per problemi con i livelli di vitamina D, perché la loro elevata densità di melanosomi, oltre a conferire protezione contro i pericoli dei raggi UV, ne esclude anche i pochi benefici effetti.

Un certo numero di relazioni tra luce UV, melanina e comportamento della pelle devono ancora essere completamente chiarite. È noto, ad esempio, che la somministrazione di luce UV sulla pelle può sopprimere la funzione immunitaria a breve termine. Questo può essere desiderabile quando si cerca di controllare le riacutizzazioni di condizioni infiammatorie della pelle con una componente immunitaria, come la psoriasi.

Qualunque sia il ruolo immunitario che la melanina può svolgere nel corpo resta da chiarire.

Sono ben note numerose condizioni cliniche che comportano squilibri nella sintesi e nel trasporto della melanina. Questi possono influenzare ogni fase del processo di formazione e distribuzione della melanina.

Questi includono:

Disturbi dei melanoblasti. Queste cellule, come ricorderete, sono i precursori dei melanociti. Dovrebbero migrare dai loro siti di formazione nello sviluppo embrionale e fetale ai luoghi in cui alla fine svolgeranno i ruoli assegnati.

Tuttavia, a volte i melanoblasti non riescono ad arrivare dove dovrebbero andare. Un risultato è Sindrome di Waardenburg, in cui le persone colpite hanno aree di pelle molto chiara e capelli prematuramente grigi a causa dell'incapacità dei melanoblasti di stabilirsi in queste aree prima nella vita.

Disturbi dei melanociti. Tra le più note di queste c'è la condizione chiamata vitiligine, che comporta la distruzione autoimmune dei melanociti in modo non uniforme in tutta la pelle.

A causa del modo asimmetrico con cui il corpo attacca le proprie cellule, la pelle mostra chiazze distinte di pelle chiara mescolate con aree di pelle non colpite.

Disturbi dei melanosomi. Due dei disturbi più comuni che coinvolgono i siti di stoccaggio della melanina sono Sindrome di Chédiak-Higashi e Sindrome di Griscelli, entrambi comportano problemi visibili di pigmentazione della pelle, ma includono anche effetti in altri sistemi del corpo.

Nella sindrome di Chédiak-Higashi, che può produrre albinismo (una quasi totale mancanza di pigmentazione nella pelle e negli occhi), si ritiene che il mutazione genetica responsabile della componente melanina del disturbo impedisce anche la sintesi di importanti sostanze chimiche del sistema immunitario.

Disturbi legati alla tirosinasi. La tirosinasi è l'enzima, o proteina catalizzatrice biologica, che converte un composto intermedio nella sintesi di melanina e feomelanina, chiamato diidrossifenilalanina, in dopachinone. Quando questo enzima non funziona correttamente o è assente, il percorso sintetico della melanina può essere interrotto.

Ad esempio, nella malattia ereditaria fenilchetonuria (PKU), il fallimento di un diverso enzima porta a un significativo accumulo di fenilalanina, che ha effetti inibitori secondari sulla tirosinasi. Questo porta a chiazze cutanee grazie ad una diminuzione "a valle" della sintesi di melanina.