De chemie van melanine

Melanine is een donker, van nature voorkomend pigment dat in verschillende vormen voorkomt en verantwoordelijk is voor een groot deel van de huidskleur bij mensen. Het wordt geproduceerd door cellen genaamd melanocyten, die in het diepste deel van de buitenste huidlaag zitten. Veel van deze melanine vindt zijn weg naar cellen die keratinocyten, die veel talrijker zijn dan melanocyten.

Nadat melanine is gesynthetiseerd, wordt het opgeslagen in lichamen in melanocyten genaamd melanosomen. De meest voorkomende van de verschillende soorten melanine wordt genoemd eumelanine, wat 'goede melanine' betekent. Wanneer veel eumelanine in grotere hoeveelheden aanwezig is, ontstaat een donkerdere, meer bruine huidskleur, terwijl een lage dichtheid van dit pigment optreedt bij mensen met een lichtere huid.

Wanneer mensen verschillen in huidskleur vertonen die voornamelijk het gevolg zijn van verschillen in het melaninegehalte van de huid, is dit niet omdat mensen sterk verschillen in termen van de aantal

Zoals veel stoffen in het lichaam, omvat de chemische samenstelling van melanine een mengsel van koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof. De melanine chemische formule is C₁₈H₁₀nee₂O₄, waardoor melanine een molecuulgewicht of molaire massa van 318 gram per mol (g/mol) krijgt.

(Om historische redenen, a mol is de hoeveelheid van een stof in gram die 6 x 10. bevat ²³ moleculen, en is een basismaat voor de grootte van een molecuul.)

Melanine bestaat uit drie zesledige ringen (zes atomen gerangschikt rond een centraal punt) in een lijn, elk met een vijfledige ring genesteld in een van de hoeken tussen zichzelf en zijn buur. Deze vijfledige ringen bevatten elk een van de twee stikstofatomen in melanine en zitten aan weerszijden van het molecuul.

De vier zuurstofatomen in melanine zijn gebonden aan koolstofatomen op de zes-atoomring aan elk uiteinde, twee aan elke ring. Deze zijn dubbel gebonden en de C = O-rangschikkingen liggen aan weerszijden van de ring van waaruit de vijfledige ringen zijn bevestigd.

Als u de formule voor melanine in een meer expliciete vorm wilt uitdrukken zonder toevlucht te nemen tot het tekenen van een model, zou u het kunnen schrijven in de vorm die wordt gebruikt in het vereenvoudigde moleculaire invoerlijninvoersysteem (SMILES):

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

waarbij de nummers geen subscripts zijn, maar verwijzingen naar de numerieke posities van atomen binnen individuele ringen. Waterstof atomen in melanine zijn niet inbegrepen, maar hun aantal en posities kunnen worden bepaald door eventuele "gaten" in de bovenstaande structuur in te vullen, rekening houdend met het feit dat elke koolstof vier bindingen vormt.

Menselijk huid heeft drie lagen, die van buitenste naar binnenste de epidermis, de dermis en de onderhuidse weefsellaag zijn. De epidermis zelf is verdeeld in talrijke lagen, waarvan de diepste de wordt genoemd Stratum germinativum (ook wel het stratum basale genoemd). Deze laag, die grenst aan het basaalmembraan dat de epidermis van de dermis scheidt, is waar melanocyten worden geproduceerd.

Op microscopie hebben melanocyten een karakteristieke onregelmatige vorm. De mate waarin melanocyten melanine produceren, hangt af van de mate waarin de gen voor melanine is uitgedrukt, of ingeschakeld. Zie "genexpressie" als het aanzetten van een schakelaar in een fabriek om een ​​bepaald product te maken, in dit geval een eiwit.

Bijna alle mensen hebben genoeg melanine "fabrieken" (melanocyten), maar de mate waarin mensen deze "fabrieken" gebruiken, varieert sterk tussen individuen en etnische populaties.

Zonlicht veroorzaakt bij de meeste mensen tot op zekere hoogte de aanmaak van melanine; dit is het proces van huidverdonkering op korte termijn dat bekend staat als een "bruinkleuring". De melanine die door lichtprikkels wordt geproduceerd, beschermt de rest van het lichaam tot op zekere hoogte tegen schadelijke ultraviolette (UV) straling bij zonlicht.

Wanneer het lichaam niet langer een overvloed aan UV-stralen in de omgeving waarneemt, zoals in de herfst en winter, de waargenomen behoefte aan melanineproductie neemt ook af en de huid heeft de neiging om tijdens deze lichter te worden seizoenen.

Ook, terwijl melanocyten melanine produceren en opslaan en afgeven, zijn de veel meer voorkomende epidermale cellen bekend als keratinocyten eindigen als de grootste ontvanger van het pigment. De beweging van melanine van melanocyten naar keratinocyten wordt vergemakkelijkt door de vele tentakels (tot 40 of zo) die zich vanaf elke melanocyt naar buiten uitstrekken.

Melanosomen gevormd in melanocyten reizen naar de keratinocyten en positioneren zich tussen het celmembraan en de kern, waardoor de DNA (deoxyribonucleïnezuur, het "genetische materiaal" van mensen en alle bekende levensvormen) in die kern tegen schade door UV-straling.

Hoewel eumelanine het meest voorkomende type melanine is dat door mensen wordt geproduceerd, is het verre van het enige veel voorkomende type. Het bestaat in twee andere hoofdvormen, pheomelanine en neuromelanine. Eumelanine en pheomelanine hebben functioneel en chemisch veel gemeen, terwijl neuromelanine een schurk is.

Eumelanine en pheomelanine worden beide gemaakt door melanocyten in de onderste laag (laag) van de epidermis. Deze cellen beginnen als melanoblasten in weefsel dat is afgeleid van de neurale buis tijdens de menselijke embryonale ontwikkeling. De synthese van elk van deze begint met tyrosine, een molecuul dat nauw verwant is aan het aminozuur fenylalanine. De tyrosine wordt snel omgezet in dopaquinon, dat een aantal verschillende chemische routes kan volgen die uiteindelijk resulteren in de productie van melanine.

Neuromelanine wordt in de hersenen geproduceerd als onderdeel van de afbraak van de neurotransmitter dopamine, een andere nauwe chemische verwant van fenylalanine en tyrosine. Dit gebeurt in een deel van de hersenen dat de zwarte kern. Neuromelanine is, in tegenstelling tot de andere twee vormen van menselijke melanine, geen deelnemer in de bepaling van de huidskleur.

Melanine's aanspraak op biologische roem is zijn bijdrage aan de huidskleur, maar het vervult ook een aantal gerelateerde en niet-gerelateerde fysiologische functies. Melanine beïnvloedt de haarkleur en het beschermt ook de huid en de ogen tegen lichte schade van de zon en andere bronnen van elektromagnetische straling.

Eumelanine is meer bruinzwart van kleur, terwijl pheomelanine meer geelachtig rood is. De overkleur van iemands huid wordt bepaald door een combinatie van de verhouding van deze twee soorten melanine en de algehele dichtheid van melanosomen in individuele cellen.

Ook overheersen verschillende soorten melanine in verschillende delen van het lichaam bij hetzelfde individu. De lippen, die meer roze zijn, bevatten bijvoorbeeld meer pheomelanine.

Huid die lichter van kleur is, heeft doorgaans een dichtheid van twee of drie melanosomen per cluster binnen de melanocyten, terwijl een donkerdere huid heeft meer "mobiele" melanocyten omdat deze korrels meer geneigd zijn om zich naar aangrenzende te verspreiden keratinocyten.

Op een bepaald moment in de menselijke evolutie vestigden verschillende populaties van individuen zich ver van elkaar, met sommigen blijven dichter bij de evenaar en anderen wagen zich in de richting van noordelijke breedtegraden, meestal in Europa op eerste. Als gevolg van het feit dat ze zich in een zonnigere en warmere omgeving bevonden, verloren mensen die dichter bij de evenaar waren veel van hun lichaamshaar in vergelijking met hun meer noordelijk gelegen tegenhangers.

Het is deze verandering in relatieve haarverdeling waarvan wordt aangenomen dat deze de differentiële ontwikkeling van melanogenese in verschillende populaties wereldwijd heeft gestimuleerd. Mensen die dichter bij de evenaar wonen, vertonen nu een hogere verhouding van eumelanine tot pheomelanine, wat niet alleen resulteert in een donkerdere huid, maar ook in een groter vermogen om UV-straling te absorberen. Mensen die in koelere gebieden met minder zonlicht wonen, hebben daarentegen een lagere verhouding van eumelanine tot pheomelanine en zijn bijgevolg vatbaarder voor huidbeschadiging door UV-straling, waaronder kanker.

In 2015 meldden onderzoekers van Yale University dat ze een manier hadden gevonden om UV-licht reageert in melanine bij muizen op een manier die de vorming van kanker binnen enkele uren bevordert. Dit leek de voortreffelijke "tweesnijdende" aard van melanine te benadrukken. Voor elk gebied waarop het als gezondheidstroef kan dienen, lijkt het ergens anders een gezondheidsaansprakelijkheid te vormen.

Vitamine D, dat belangrijk is bij het omgaan met het mineraal calcium door het lichaam, moet worden blootgesteld aan UV-licht om te worden omgezet in zijn actieve vorm nadat het is ingenomen. Dit betekent dat mensen die op noordelijke breedtegraden wonen over het algemeen vatbaarder zijn voor vitamine D-tekort, omdat hun lichaam het hele jaar door gemiddeld minder zonlicht ontvangt dan mensen die zich dichter bij de evenaar bevinden Doen.

Een andere implicatie van de relatie tussen UV-licht en melanine is echter dat mensen met een donkere huidskleur, ongeacht waar ze leven (maar vooral die in zeer noordelijke of zuidelijke locaties), moeten worden gecontroleerd op problemen met vitamine D-spiegels, omdat, hun hoge dichtheid aan melanosomen, terwijl ze bescherming bieden tegen de gevaren van UV-stralen, schermt ook hun weinige heilzame Effecten.

Een aantal relaties tussen UV-licht, melanine en het gedrag van de huid moeten nog volledig worden opgehelderd. Het is bijvoorbeeld bekend dat het toedienen van UV-licht aan de huid de immuunfunctie op korte termijn kan onderdrukken. Dit kan wenselijk zijn bij het beheersen van opflakkeringen van inflammatoire huidaandoeningen met een immuuncomponent, zoals psoriasis.

Welke immuunrol melanine ook in het lichaam kan spelen, moet nog worden opgehelderd.

Een aantal klinische aandoeningen waarbij stoornissen in de melaninesynthese en -transport betrokken zijn, zijn algemeen bekend. Deze kunnen elke stap van het melaninevormings- en melaninedistributieproces beïnvloeden.

Waaronder:

Aandoeningen van melanoblasten. Deze cellen zijn, zoals u zich wellicht herinnert, de voorlopers van melanocyten. Ze worden verondersteld te migreren van hun plaats van vorming in de embryonale en foetale ontwikkeling naar de plaatsen waar ze uiteindelijk hun toegewezen rollen zullen spelen.

Soms slagen melanoblasten er echter niet in om te komen waar ze zouden moeten gaan. Een resultaat is: Waardenburg-syndroom, waarbij getroffen mensen gebieden hebben met een zeer lichte huid en voortijdig grijs haar als gevolg van het falen van melanoblasten om zich eerder in het leven in deze gebieden te vestigen.

Aandoeningen van melanocyten. Een van de meer beruchte hiervan is de aandoening genaamd vitiligo, die de auto-immuun-gemedieerde vernietiging van melanocyten inhoudt op een niet-uniforme manier door de hele huid.

Vanwege de asymmetrische manier waarop het lichaam zijn eigen cellen aanvalt, vertoont de huid duidelijke plekken met een lichte huid vermengd met onaangetaste delen van de huid.

Aandoeningen van melanosomen. Twee van de meest voorkomende aandoeningen waarbij de opslagplaatsen van melanine betrokken zijn, zijn: Chédiak-Higashi-syndroom en Griscelli-syndroom, die beide betrekking hebben op zichtbare huidpigmentatieproblemen, maar ook op effecten in andere lichaamssystemen.

Bij het Chédiak-Higashi-syndroom, dat kan leiden tot: albinisme (een bijna totaal gebrek aan pigmentatie in de huid en ogen), wordt aangenomen dat de genmutatie die verantwoordelijk is voor de melaninecomponent van de aandoening, voorkomt ook de synthese van belangrijke chemicaliën van het immuunsysteem.

Aandoeningen gerelateerd aan tyrosinase. Tyrosinase is het enzym, of biologisch katalysatoreiwit, dat een tussenverbinding in de melanine- en feomelaninesynthese, dihydroxyfenylalanine genaamd, omzet in dopaquinon. Wanneer dit enzym niet goed werkt of afwezig is, kan de melaninesyntheseroute worden verstoord.

Bijvoorbeeld bij de erfelijke ziekte fenylketonurie (PKU), leidt het falen van een ander enzym tot een aanzienlijke ophoping van fenylalanine, wat secundaire, remmende effecten op tyrosinase heeft. Dit leidt tot een vlekkerige huid dankzij een "stroomafwaartse" afname van de melaninesynthese.