Chemia melaniny

Melanina jest ciemnym, naturalnie występującym pigmentem, który występuje w kilku postaciach i jest odpowiedzialny za większość koloru skóry u ludzi. Jest produkowany przez komórki zwane melanocyty, które znajdują się w najgłębszej części zewnętrznej warstwy skóry. Duża część tej melaniny trafia do komórek zwanych keratynocyty, które są znacznie liczniejsze niż melanocyty.

Po zsyntetyzowaniu melaniny jest ona magazynowana w ciałach w melanocytach zwanych melanosomy. Najpopularniejszy z różnych rodzajów melaniny nazywa się eumelanina, co oznacza „dobra melanina”. Gdy dużo eumelaniny jest obecne w większych ilościach, pojawia się ciemniejszy, bardziej brązowy kolor skóry, podczas gdy niska gęstość tego pigmentu występuje u osób o jaśniejszej skórze.

Kiedy ludzie wykazują różnice w kolorze skóry wynikające głównie z różnic w zawartości melaniny w skórze, nie dzieje się tak dlatego, że ludzie różnią się znacznie pod względem numer melanocytów, które mają. Zamiast tego niektórzy ludzie indywidualny melanocyty są znacznie bardziej aktywne niż u innych.

Jak wiele substancji w organizmie, skład chemiczny melaniny obejmuje mieszaninę węgla, wodoru, tlenu i azotu. wzór chemiczny melaniny jest C₁₈H₁₀N₂O₄, co daje melaninę masę cząsteczkową lub masę molową 318 gramów na mol (g/mol).

(Ze względów historycznych m.in kret to ilość substancji w gramach, która zawiera 6 x 10 ²³ cząsteczek i jest podstawową miarą wielkości cząsteczki.)

Melanina składa się z trzech sześcioczłonowych pierścieni (sześć atomów ułożonych wokół centralnego punktu) w linii, każdy z pięcioczłonowym pierścieniem umieszczonym pod jednym z kątów między nim a sąsiadem. Każdy z tych pięcioczłonowych pierścieni zawiera jeden z dwóch atomów azotu w melaninie i znajduje się po przeciwnych stronach cząsteczki.

Cztery atomy tlenu w melaninie są związane z węglami w sześcioatomowym pierścieniu na każdym końcu, po dwa na każdym pierścieniu. Są one wiązane podwójnie, a układy C=O leżą po przeciwnych stronach pierścienia, z których połączone są pierścienie pięcioczłonowe.

Jeśli chcesz wyrazić wzór na melaninę w bardziej jednoznaczny sposób bez uciekania się do rysowania? modelu, można go zapisać w postaci używanej w Uproszczonym Systemie Wprowadzania Linii Molekularnych (SMILES):

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

gdzie liczby nie są indeksami dolnymi, ale odniesieniami do numerycznych pozycji atomów w poszczególnych pierścieniach. Wodór atomy melaniny nie są uwzględnione, ale ich liczbę i pozycje można określić wypełniając wszelkie „luki” w powyższej strukturze, pamiętając, że każdy węgiel tworzy cztery wiązania.

Człowiek skóra ma trzy warstwy, które od zewnętrznej do wewnętrznej to naskórek, skóra właściwa i warstwa tkanki podskórnej. Sam naskórek podzielony jest na liczne warstwy, z których najgłębsza nazywana jest warstwa kiełkująca (czasami nazywana warstwą podstawową). W tej warstwie przylegającej do błony podstawnej oddzielającej naskórek od skóry właściwej powstają melanocyty.

Pod mikroskopem melanocyty mają charakterystyczny nieregularny kształt. Stopień, w jakim melanocyty wytwarzają melaninę, zależy od stopnia, w jakim gen dla melaniny jest wyrażonelub włączony. Pomyśl o „ekspresji genów” jako o włączeniu przełącznika w fabryce w celu wytworzenia konkretnego produktu, w tym przypadku białka.

Prawie wszyscy ludzie mają mnóstwo melanina „fabryki” (melanocyty), ale zakres, w jakim ludzie wykorzystują te „fabryki”, różni się znacznie między poszczególnymi osobami i populacjami etnicznymi.

U większości ludzi światło słoneczne w pewnym stopniu wyzwala produkcję melaniny; jest to proces krótkotrwałego ciemnienia skóry, znany jako „opalnica”. Melanina wytwarzana przez bodziec świetlny w pewnym stopniu chroni resztę ciała przed szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe (UV) w słońcu.

Kiedy organizm nie wyczuwa już obfitości promieni UV w otoczeniu, jak to ma miejsce jesienią i zimą, odczuwalne zapotrzebowanie na produkcję melaniny również spada, a skóra ma tendencję do rozjaśniania się w tym czasie pory roku.

Ponadto, podczas gdy melanocyty wytwarzają melaninę, a także ją przechowują i uwalniają, znacznie bardziej rozpowszechnione komórki naskórka znane jako keratynocyty skończyć jako największy odbiorca pigmentu. Przemieszczanie się melaniny z melanocytów do keratynocytów jest ułatwione przez wiele macek (do około 40) wystających na zewnątrz z każdego melanocytu.

Melanosomy powstałe w melanocytach wędrują do keratynocytów i ustawiają się między błoną komórkową a jądrem, pomagając chronić DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy, "materiał genetyczny" ludzi i wszystkich znanych form życia) w tym jądrze przed uszkodzeniem promieniowaniem UV.

Chociaż eumelanina jest najobficiej występującym typem melaniny wytwarzanej przez ludzi, nie jest to jedyny powszechny typ. Istnieje w dwóch innych głównych formach, feomelanina i neuromelanina. Eumelanina i feomelanina mają wiele wspólnego funkcjonalnie i chemicznie, podczas gdy neuromelanina jest czymś w rodzaju łobuza.

Eumelanina i feomelanina są wytwarzane przez melanocyty w najniższej warstwie (warstwie) naskórka. Te komórki zaczynają się jako melanoblasty w tkance pochodzącej z cewy nerwowej podczas rozwoju embrionalnego człowieka. Synteza każdego z nich rozpoczyna się od tyrozyny, cząsteczki blisko spokrewnionej z aminokwasem fenyloalaniną. Tyrozyna jest wkrótce przekształcana w dopachinon, który może podążać wieloma różnymi szlakami chemicznymi, które ostatecznie prowadzą do produkcji melaniny.

Neuromelanina jest wytwarzana w mózgu w ramach rozkładu neuroprzekaźnika dopamina, inny bliski chemiczny krewny fenyloalaniny i tyrozyny. Dzieje się tak w części mózgu zwanej istota czarna. Neuromelanina, w przeciwieństwie do dwóch pozostałych form ludzkiej melaniny, nie bierze udziału w określaniu koloru skóry.

Roszczenie melaniny do sławy biologicznej polega na jej wpływie na kolor skóry, ale pełni ona również szereg powiązanych i niepowiązanych funkcji fizjologicznych. Melanina wpływa na kolor włosów, a także chroni skórę i oczy przed promieniowaniem słonecznym i innymi źródłami promieniowania elektromagnetycznego.

Eumelanina jest bardziej brązowo-czarna, podczas gdy feomelanina jest bardziej żółtawo-czerwona. Zabarwienie skóry osoby jest określane przez kombinację stosunku tych dwóch rodzajów melaniny i ogólnej gęstości melanosomów w poszczególnych komórkach.

Ponadto u tej samej osoby w różnych częściach ciała przeważają różne rodzaje melaniny. Na przykład usta, które są bardziej różowe, mają wyższą zawartość feomelaniny.

Skóra o jaśniejszym kolorze zazwyczaj ma gęstość dwóch lub trzech melanosomów na klaster w melanocytach, podczas gdy ciemniejsza skóra ma bardziej „ruchliwe” melanocyty, ponieważ te ziarnistości są bardziej skłonne do rozprzestrzeniania się na sąsiednie keratynocyty.

W pewnym momencie ewolucji człowieka różne populacje osobników osiedliły się daleko od siebie, z niektórzy pozostają bliżej równika, a inni wyruszają w kierunku północnych szerokości geograficznych, głównie w Europie o pierwszy. W wyniku przebywania w bardziej słonecznym i cieplejszym środowisku ludzie bliżej równika stracili dużo włosów na ciele w porównaniu z ich bardziej na północ położonymi odpowiednikami.

Uważa się, że ta zmiana we względnym rozmieszczeniu włosów pobudziła zróżnicowany rozwój melanogenezy w różnych populacjach na całym świecie. Ludzie mieszkający bliżej równika wykazują teraz wyższy stosunek eumelaniny do feomelaniny, co skutkuje nie tylko ciemniejszą skórą, ale także większą zdolnością pochłaniania promieniowania UV. Z drugiej strony osoby mieszkające w chłodniejszych obszarach o mniejszym nasłonecznieniu wykazują niższy stosunek eumelaniny do feomelaniny, a co za tym idzie, są bardziej podatne na uszkodzenia skóry spowodowane promieniowaniem UV, w tym na raka.

W 2015 roku naukowcy z Yale University poinformowali, że znaleźli sposób, w jaki: Światło UV reaguje na melaninę u myszy w sposób, który sprzyja powstawaniu raka w ciągu kilku godzin. Wydawało się, że podkreśla to znakomicie „obustronną” naturę melaniny. W każdym obszarze, w którym może służyć jako składnik aktywów zdrowotnych, wydaje się, że stanowi zagrożenie dla zdrowia gdzie indziej.

Witamina D, który jest ważny w radzeniu sobie z mineralnym wapniem, musi być wystawiony na działanie światła UV, aby po spożyciu przekształcił się w jego aktywną formę. Oznacza to, że ludzie żyjący na północnych szerokościach geograficznych są na ogół bardziej podatni na niedobór witaminy D, ponieważ ich ciała średnio otrzymują mniej światła słonecznego przez cały rok niż ludzie bliżej równika zrobić.

Inną implikacją związku między światłem UV a melaniną jest jednak to, że osoby o ciemniejszej karnacji, bez względu na to, gdzie się znajdują żywych (ale szczególnie tych w bardzo północnych lub południowych lokalizacjach), należy monitorować pod kątem problemów z poziomem witaminy D, ponieważ ich wysoka gęstość melanosomów, zapewniając jednocześnie ochronę przed niebezpieczeństwem promieniowania UV, odsłania również ich kilka korzystnych efekty.

Szereg zależności między światłem UV, melaniną i zachowaniem skóry nie zostało jeszcze w pełni wyjaśnionych. Wiadomo na przykład, że podawanie światła UV na skórę może w krótkim czasie hamować działanie układu odpornościowego. Może to być pożądane przy próbie kontrolowania zaostrzeń stanów zapalnych skóry za pomocą składnika immunologicznego, takiego jak łuszczyca.

Jakakolwiek rola immunologiczna, jaką melanina może odgrywać w organizmie, pozostaje do wyjaśnienia.

Szereg stanów klinicznych obejmujących zaburzenia syntezy i transportu melaniny jest dobrze znanych. Mogą one wpływać na każdy etap procesu tworzenia i dystrybucji melaniny.

Obejmują one:

Zaburzenia melanoblastów. Te komórki, jak być może pamiętasz, są prekursorami melanocytów. Powinny one migrować ze swoich miejsc formacji w rozwoju embrionalnym i płodowym do miejsc, w których ostatecznie będą odgrywać przypisane im role.

Czasami jednak melanoblastom nie udaje się dotrzeć tam, gdzie powinny. Jeden wynik to Zespół Waardenburga, w którym osoby dotknięte chorobą mają obszary o bardzo jasnej skórze i przedwcześnie siwych włosach z powodu niezdolności melanoblastów do zamieszkiwania tych obszarów we wcześniejszym okresie życia.

Zaburzenia melanocytów. Wśród bardziej znanych z nich jest stan zwany bielactwo nabyte, który obejmuje autoimmunologiczne niszczenie melanocytów w niejednorodny sposób w całej skórze.

Ze względu na asymetryczny sposób, w jaki organizm atakuje własne komórki, na skórze widoczne są wyraźne plamy jasnej skóry przeplatane z nienaruszonymi obszarami skóry.

Zaburzenia melanosomów. Dwa z najczęstszych zaburzeń związanych z miejscami magazynowania melaniny to: Zespół Chédiaka-Higashi i Zespół Griscellego, z których oba dotyczą widocznych problemów z pigmentacją skóry, ale obejmują również wpływ na inne układy organizmu.

W zespole Chédiaka-Higashi, który może powodować bielactwo (niemal całkowity brak pigmentacji skóry i oczu), uważa się, że mutacja genów odpowiedzialny za melaninowy składnik zaburzenia zapobiega również syntezie ważnych substancji chemicznych układu odpornościowego.

Zaburzenia związane z tyrozynazą. Tyrozynaza jest enzymem lub biologicznym białkiem katalitycznym, które przekształca związek pośredni w syntezie melaniny i feomelaniny, zwany dihydroksyfenyloalaniną, w dopachinon. Gdy ten enzym nie działa prawidłowo lub jest nieobecny, szlak syntezy melaniny może zostać zakłócony.

Na przykład w chorobie dziedzicznej fenyloketonuria (PKU), awaria innego enzymu prowadzi do znacznego nagromadzenia fenyloalaniny, która ma drugorzędny, hamujący wpływ na tyrozynazę. Prowadzi to do niejednolitej skóry dzięki spadkowi syntezy melaniny „w dół”.