Химия меланина

Меланин - это темный естественный пигмент, который бывает нескольких форм и отвечает за большую часть цвета кожи у людей. Его производят клетки, называемые меланоциты, которые находятся в самой глубокой части внешнего слоя кожи. Большая часть этого меланина попадает в клетки, называемые кератиноциты, которых намного больше, чем меланоцитов.

После того, как меланин синтезируется, он откладывается в телах внутри меланоцитов, называемых меланосомы. Самый распространенный из различных типов меланина называется эумеланин, что означает «хороший меланин». Когда большое количество эумеланина присутствует в больших количествах, получается более темный, более коричневый цвет кожи, тогда как низкая плотность этого пигмента наблюдается у людей с более светлой кожей.

Когда люди демонстрируют различия в цвете кожи, главным образом из-за различий в содержании меланина в коже, это не потому, что люди сильно различаются с точки зрения номер меланоцитов у них есть. Вместо этого некоторые люди физическое лицо меланоциты намного активнее, чем в других.

Как и многие вещества в организме, химический состав меланина включает смесь углерода, водорода, кислорода и азота. В химическая формула меланина это C₁₈ЧАС₁₀N₂О₄, что дает меланину молекулярную массу или молярную массу 318 грамм на моль (г / моль).

(По историческим причинам крот это количество вещества в граммах, которое содержит 6 x 10 ²³ молекул, и является основной мерой размера молекулы.)

Меланин состоит из трех шестичленных колец (шесть атомов, расположенных вокруг центральной точки) в линию, каждое с пятичленным кольцом, расположенным в одном из углов между ним и его соседом. Каждое из этих пятичленных колец содержит один из двух атомов азота в меланине и находится на противоположных сторонах молекулы.

Четыре атома кислорода в меланине связаны с атомами углерода на шестиатомном кольце на каждом конце, по два на каждое кольцо. Они связаны двойной связью, а расположение C = O лежит на противоположных сторонах кольца, от которого присоединены пятичленные кольца.

Если вы хотите выразить формулу меланина в более явной форме, не прибегая к рисованию модель, вы можете записать ее в форме, используемой в упрощенной системе линейного ввода с молекулярным вводом (SMILES):

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

где числа не являются индексами, а относятся к числовым позициям атомов в отдельных кольцах. Водород атомы в меланине не включены, но их количество и положение можно определить, заполнив любые «пробелы» в приведенной выше структуре, имея в виду, что каждый углерод образует четыре связи.

Человек кожа состоит из трех слоев, от внешнего до внутреннего - это эпидермис, дерма и слой подкожной ткани. Сам эпидермис разделен на множество слоев, самый глубокий из которых называется зародышевый слой (иногда называемый базальным слоем). В этом слое, примыкающем к базальной мембране, отделяющей эпидермис от дермы, образуются меланоциты.

При микроскопии меланоциты имеют характерную неправильную форму. Степень, в которой меланоциты продуцируют меланин, зависит от степени, в которой ген для меланина это выразил, или включен. Думайте о «экспрессии генов» как о включении переключателя на заводе для производства определенного продукта, в данном случае белка.

Почти у всех людей есть много меланин «фабрики» (меланоциты), но степень, в которой люди используют эти «фабрики», широко варьируется как у отдельных людей, так и у этнических групп населения.

Солнечный свет в некоторой степени вызывает выработку меланина у большинства людей; это процесс кратковременного потемнения кожи, известный как «загар». Меланин, вырабатываемый световым раздражителем, в некоторой степени защищает остальное тело от вредное ультрафиолетовое (УФ) излучение в солнечном свете.

Когда организм больше не чувствует обилие УФ-лучей в окружающей среде, как это происходит осенью и зимой, воспринимаемая потребность в производстве меланина также уменьшается, и кожа имеет тенденцию светлеть во время этих времена года.

Кроме того, в то время как меланоциты производят меланин, а также хранят его и высвобождают, гораздо более распространенные эпидермальные клетки, известные как кератиноциты в конечном итоге как лучший получатель пигмента. Движению меланина от меланоцитов к кератиноцитам способствует множество щупалец (до 40 или около того), выходящих наружу от каждого меланоцита.

Меланосомы, образованные в меланоцитах, перемещаются к кератиноцитам и располагаются между клеточной мембраной и ядром, помогая защитить ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота, «генетический материал» человека и всех известных форм жизни) в этом ядре от повреждения УФ-излучением.

Хотя эумеланин является наиболее распространенным типом меланина, вырабатываемым людьми, это далеко не единственный распространенный тип. Он существует в двух других основных формах: феомеланин а также нейромеланин. Эумеланин и феомеланин имеют много общего функционально и химически, в то время как нейромеланин является чем-то вроде мошенника.

И эумеланин, и феомеланин производятся меланоцитами в самом нижнем слое эпидермиса. Эти клетки начинаются как меланобласты в ткани, которая происходит из нервной трубки во время эмбрионального развития человека. Синтез каждого из них начинается с тирозина, молекулы, тесно связанной с фенилаланином аминокислоты. Тирозин вскоре превращается в допахинон, который может следовать ряду различных химических путей, которые в конечном итоге приводят к выработке меланина.

Нейромеланин вырабатывается в головном мозге как часть разложения нейромедиатора. дофамин, еще один близкий химический родственник фенилаланина и тирозина. Это происходит в части мозга, называемой черная субстанция. Нейромеланин, в отличие от двух других форм меланина человека, не участвует в определении цвета кожи.

Претензия меланина на биологическую известность - это его вклад в цвет кожи, но он также выполняет ряд связанных и не связанных физиологических функций. Меланин влияет на цвет волос, а также защищает кожу и глаза от светового воздействия солнца и других источников электромагнитного излучения.

Эумеланин имеет более коричневато-черный цвет, тогда как феомеланин более желтовато-красный цвет. Избыточный цвет кожи человека определяется сочетанием соотношения этих двух типов меланина и общей плотности меланосом в отдельных клетках.

Кроме того, у одного и того же человека в разных частях тела преобладают разные типы меланина. Например, более розовые губы содержат больше феомеланина.

Кожа более светлого цвета обычно имеет плотность двух или трех меланосом на кластер внутри меланоцитов, тогда как более темная кожа имеет более «подвижные» меланоциты, поскольку эти гранулы более склонны распространяться на соседние кератиноциты.

В какой-то момент эволюции человека разные популяции особей расселились далеко друг от друга. некоторые остаются ближе к экватору, а другие отваживаются к северным широтам, в основном в Европе на первый. В результате пребывания в более солнечной и жаркой окружающей среде люди, расположенные ближе к экватору, потеряли большую часть волос на теле по сравнению с их более северными коллегами.

Считается, что именно это изменение в относительном распределении волос стимулировало дифференцированное развитие меланогенеза в разных популяциях во всем мире. Люди, живущие ближе к экватору, теперь демонстрируют более высокое соотношение эумеланина и феомеланина, что приводит не только к более темной коже, но и к большей способности поглощать УФ-излучение. С другой стороны, люди, живущие в более прохладных районах с меньшим количеством солнечного света, имеют более низкое соотношение эумеланина и феомеланина и, следовательно, более восприимчивы к УФ-повреждению кожи, включая рак.

В 2015 году исследователи из Йельского университета сообщили, что они нашли способ, которым Ультрафиолетовый свет реагирует на меланин у мышей таким образом, который способствует образованию рака в считанные часы. Это, казалось, подчеркивало изысканную «обоюдоострую» природу меланина. Кажется, что для каждой области, в которой он может служить активом для здоровья, он представляет угрозу для здоровья где-то еще.

Витамин D, который важен для обработки организмом минерального кальция, должен подвергаться воздействию ультрафиолета, чтобы преобразоваться в свою активную форму после приема внутрь. Это означает, что люди, живущие в северных широтах, как правило, более восприимчивы к дефициту витамина D, потому что их тела в среднем получают меньше солнечного света в течение года, чем люди ближе к экватору делать.

Однако еще одно следствие связи между ультрафиолетовым светом и меланином заключается в том, что темнокожие люди, независимо от того, где они живые (но особенно те, которые находятся в очень северных или южных районах), следует контролировать на предмет проблем с уровнем витамина D, потому что их высокая плотность меланосом, обеспечивая защиту от опасностей УФ-лучей, также экранирует их немногочисленные полезные эффекты.

Ряд взаимосвязей между УФ-светом, меланином и поведением кожи еще предстоит полностью выяснить. Известно, например, что воздействие ультрафиолетового света на кожу может на короткое время подавить иммунную функцию. Это может быть желательно при попытке контролировать обострения воспалительных состояний кожи с помощью иммунного компонента, таких как псориаз.

Какую бы иммунную роль меланин ни играл в организме, еще предстоит выяснить.

Хорошо известен ряд клинических состояний, включающих нарушения синтеза и транспорта меланина. Они могут влиять на каждый этап процесса образования и распределения меланина.

Это включает:

Заболевания меланобластов. Эти клетки, как вы помните, являются предшественниками меланоцитов. Предполагается, что они мигрируют со своих мест формирования в период эмбрионального и внутриутробного развития в места, где в конечном итоге будут играть отведенные им роли.

Однако иногда меланобласты не могут попасть туда, куда они должны были попасть. Один результат Синдром Ваарденбурга, у которых пораженные люди имеют участки с очень светлой кожей и преждевременно седые волосы из-за неспособности меланобластов поселиться в этих областях в более раннем возрасте.

Нарушения меланоцитов. Среди наиболее известных из них - состояние, называемое витилиго, который включает аутоиммунно-опосредованное разрушение меланоцитов неравномерным образом по всей коже.

Из-за асимметричного способа, которым тело атакует собственные клетки, на коже видны отдельные участки светлой кожи, смешанные с непораженными участками кожи.

Заболевания меланосом. Двумя наиболее распространенными заболеваниями, связанными с местами накопления меланина, являются: Синдром Чедиака-Хигаши а также Синдром Грищелли, оба из которых связаны с видимыми проблемами пигментации кожи, но также влияют на другие системы организма.

При синдроме Чедиака-Хигаши, который может вызывать альбинизм (почти полное отсутствие пигментации кожи и глаз), считается, что генная мутация ответственный за меланиновый компонент расстройства, также предотвращает синтез важных химических веществ иммунной системы.

Заболевания, связанные с тирозиназой. Тирозиназа - это фермент или белок биологического катализатора, который превращает промежуточное соединение в синтезе меланина и феомеланина, называемое дигидроксифенилаланином, в допахинон. Когда этот фермент не работает должным образом или отсутствует, синтез меланина может быть нарушен.

Например, при наследственном заболевании фенилкетонурия (PKU), отказ другого фермента приводит к значительному накоплению фенилаланина, который оказывает вторичное ингибирующее действие на тирозиназу. Это приводит к образованию пятен на коже из-за «нисходящего» снижения синтеза меланина.