Melanina to nazwa biologicznego pigmentu, który określa ogólny kolor skóry i włosów u ludzi. Formy melaniny są odpowiedzialne za ubarwienie w całym świecie zwierząt; na przykład zabarwienie skrzydeł u ptaków jest spowodowane przez melaninę. Ponadto komórki wytwarzające melaninę, zwane melanocytami, mogą zwiększać lub zmniejszać swój poziom melaniny produkcja w odpowiedzi na zmiany w środowisku zewnętrznym (na przykład wzrost lub spadek nasłonecznienia) narażenie).
Chociaż melanina jest nadal znana głównie ze swojej roli w fizjologii, naukowcy zaczęli badać substancji i jej pochodnych w celu ustalenia, czy melanina może mieć zastosowanie w wielu różnych branże.
Synteza melaniny
Melanina jest produkowana przez komórki melanocytów w naskórku lub najbardziej zewnętrznej warstwie skóry (grubsza, twardsza warstwa pod spodem nazywana jest skórą właściwą). Te melanocyty leżą w najniższej warstwie naskórka, zwanej warstwą podstawną lub „warstwą podstawną”. Melanina występuje w kilku podtypach, z których najczęstszym jest eumelanina i typ wtórny znany jako feomelanina.
Melanina jest substancją chemiczną o dość niskiej masie cząsteczkowej (318,3 g/mol, mniej niż dwukrotność glukozy). Jego wzór cząsteczkowy to C18H10N2O4. Osoby o ciemniejszej skórze w rzeczywistości nie mają więcej melanocytów niż osoby o jaśniejszej skórze; zamiast tego u osób o ciemniejszej karnacji włącza się wyższy ułamek genów w melanocytach, które są odpowiedzialne za produkcję melaniny. Oznacza to, że o wiele więcej melaniny jest produkowane na komórkę u osób o ciemniejszej karnacji, a nie, że osoby o ciemniejszej karnacji mają więcej komórek, które dają ten sam poziom produkcji. Ma to ważne implikacje dla antropologii ewolucyjnej, ponieważ sugeruje, że europejscy mieszkańcy o jaśniejszej karnacji dziś mają głębokie pochodzenie z mieszkańcami Afryki, których skóra pozostaje dziś ciemniejsza dzięki różnym środkom środowiskowym warunki. Wiele osób z Europy Północno-Zachodniej utraciło zdolność do opalania się, ponieważ nić DNA, którą posiadają, kodująca dodatkową melaninę, istnieje, ale nie może być już aktywowana. Ogólnie rzecz biorąc, zdolność takich osób do tolerowania światła ultrafioletowego (UV) jest znacznie zmniejszona.
W badaniu mikroskopowym eumelanina wydaje się brązowa, o drobnoziarnistym wyglądzie. Substancja nie rozprasza światła w znaczącym stopniu, jak można się spodziewać po czymś, co wydaje się ciemne. Poszczególne granulki melaniny mają maksymalną średnicę około 800 nanometrów, czyli nieco poniżej jednej milionowej metra (odpowiednik jednej tysięcznej milimetra). To odróżnia melaninę od niektórych popularnych metabolitów barwników we krwi, które mają tendencję do bycia większymi i bardziej rozpraszają światło i są w kolorze zielonym, żółtym lub czerwono-brązowym, w przeciwieństwie do zwykłego brązu melanina.
Funkcja melaniny
Cel melaniny nie ma nic wspólnego z ludzką próżnością, a wszystko z ochroną organizmu. Promieniowanie UV ze słońca jest dobrze znanym czynnikiem rakotwórczym i przy wystarczająco wysokiej ekspozycji może prowadzić do wielu pokrewnych typów czerniaka, które są nowotworami złośliwymi skóry. Czerniaki mogą być śmiertelne; z około 54 000 Amerykanów, u których co roku diagnozuje się czerniaka, umiera z niego około 8 000. Ryzyko zachorowania na czerniaka złośliwego wśród osób pochodzenia europejskiego jest 10 razy większe niż wśród Afroamerykanów.
Niektórzy ludzie i zwierzęta mają w swoich ciałach bardzo mało melaniny. Ten stan jest znany jako albinizm i powoduje, że dotknięte nim osoby są bardziej podatne na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem UV.
Melanina i pigmentacja skóry
Kiedy melanina jest produkowana w melanocytach, pigment ten jest pakowany w granulki, podobnie jak chlorofil z zielonym pigmentem pakowany jest do wyspecjalizowanych wewnątrzkomórkowych „pojemników” w roślinach. Stymulowany przez światło UV, którego całkowity poziom wzrasta w większości części świata w określonych porach roku, podczas gdy maleje w inne melanocyty wytwarzają coraz większe granulki, co pozwala skórze człowieka przystosować się w ciągu lata i stać się „opaloną”. Tak jak zauważono jednak, że u niektórych osób ta zdolność jest genetycznie ograniczona, a w niektórych przypadkach prawie nieobecna, podczas gdy u innych jest ona zasadniczo zbędny. Bez wątpienia widziałeś ludzi, którzy są znani ze skłonności do oparzeń słonecznych, a być może sam nimi jesteś: ludzi opisywanych jako „jasnej karnacji” i często piegowatych z rudymi włosami. Takie osoby jako grupa mają najmniej skuteczną obronę przed promieniowaniem UV i zaleca się specjalne naleganie, aby unikać wychodzenia na słońce bez ochrony przeciwsłonecznej, która może w znacznym stopniu odfiltrować szkodliwe promieniowanie UV UV stopień.
Pigmentacja skóry a ewolucja człowieka
Zbyt mało melaniny w skórze może narazić osoby na większe ryzyko oparzeń słonecznych i skóry nowotwory złośliwe, osoby z niezwykle wysokim poziomem melaniny w organizmie mogą być predysponowane do witaminy D niedobór. Dzieje się tak, ponieważ głównym źródłem tej witaminy w organizmie jest w rzeczywistości naturalny prekursor witaminy D, który pod wpływem światła słonecznego przekształca się w aktywną formę witaminy. Ponieważ ciemniejsze powierzchnie mają tendencję do odbijania, a nie pochłaniania promieniowania UV, osoby o ciemniejszej skórze pochłaniają mniejszą część promieniowania UV, na które są narażeni niż inni. W pewnym sensie stanowi to jeden z niezliczonych ewolucyjnych kompromisów widocznych w świecie żywych istot.
Kiedy potomkowie współczesnych ludzi po raz pierwszy przenieśli się na otwarte przestrzenie spod osłony drzew, by polować i szukać wody, wystawili się na więcej światła słonecznego. W trakcie tego procesu musieli oczywiście być w stanie tolerować nie tylko więcej światła, ale także dodatkowe ciepło, które się z nim wiązało. Aby zachować chłód w kontekście większej ekspozycji na słońce, oznaczało to możliwość pocenia się bardziej obficie i efektywnie. Aby pokryć skórę większą gęstością gruczołów potowych, musiało iść coś innego, a tym „coś” były włosy. Ludzie wyraźnie nadal mają włosy na rękach, nogach i tułowiach (niektórzy znacznie więcej niż inne), ale w porównaniu z innymi małpami człekokształtnymi, ludzie stracili praktycznie wszystkie włosy na ciele. W rezultacie nowa, zdolna do pocenia się skóra wczesnych ludzi była bardziej podatna na uszkodzenia słoneczne. To z kolei pobudziło wzrost osadów granulek melaniny obserwowanych obecnie na tropikalnych szerokościach geograficznych.
Niedobór witaminy D został wymieniony jako niepożądana konsekwencja zbyt dużej ilości melaniny w skórze. Witamina D jest potrzebna do najefektywniejszego wchłaniania przez jelita pierwiastków wapniowych i fosforowych. Oba są niezbędne do prawidłowego wzrostu i utrzymania kości. Chociaż niektóre witaminy D mogą pochodzić ze źródeł pokarmowych, takich jak żółtka jaj i niektóre ryby, 90 procent jest syntetyzowane w skórze z pochodnych cholesterolu. Dlatego witamina D jest nie tylko potrzebna do integralności szkieletu, ale może być również pomocna w zapobieganiu niektórym formom raka.
Inne zastosowania melaniny
W 2017 roku grupa naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego otrzymała grant w wysokości 7,5 miliona dolarów na zbadanie potencjalnych zastosowań melaniny, o których teoretycznie się mówiło, ale nigdy formalnie nie stosowano. Naukowcy zaangażowani w projekt mieli nadzieję poznać sekwencję reakcji zaangażowanych w syntezę melaniny na głębszym niż dotychczas poziomie oraz dowiedzieć się więcej o różnych typach melaniny w nadziei na kontynuowanie syntezy pokrewnych chemikaliów o niektórych znanych właściwościach ochronnych melanina ma. Możliwość oferowania materiałów niebiologicznych niektórych z tych samych podstawowych zabezpieczeń przed uszkodzeniami słonecznymi, które melanina zapewnia żywym istotom z pewnością byłby atutem w różnych gałęziach przemysłu, ponieważ uszkodzenia lakieru i różnych usług spowodowane promieniowaniem słonecznym są niemalże powszechne sprawa.