Melanins kemi

Melanin är ett mörkt, naturligt förekommande pigment som finns i flera former och ansvarar för mycket av hudfärgen hos människor. Det produceras av celler som kallas melanocyter, som sitter i den djupaste delen av det yttersta hudskiktet. Mycket av detta melanin hittar sin väg in i celler som kallas keratinocyter, som är mycket fler än melanocyter.

Efter att melanin har syntetiserats lagras det i kroppar i melanocyter som kallas melanosomer. Den vanligaste av de olika typerna av melanin kallas eumelanin, vilket betyder "bra melanin." När massor av eumelanin förekommer i högre mängder, blir en mörkare, mer brun hudfärg, medan en låg densitet av detta pigment förekommer hos personer med ljusare hud.

När människor uppvisar skillnader i hudfärg som främst beror på skillnader i hudens melanininnehåll beror det inte på att människor skiljer sig mycket åt när det gäller siffra av melanocyter de har. Istället vissa människors enskild melanocyter är mycket mer aktiva än i andra.

Liksom många ämnen i kroppen innehåller melanins kemiska sammansättning en blandning av kol, väte, syre och kväve. De melanin kemisk formel är C₁₈H₁₀N₂O₄vilket ger melanin en molekylvikt, eller molmassa, av 318 gram per mol (g / mol).

(Av historiska skäl, a mol är mängden av ett ämne i gram som innehåller 6 x 10 ²³ molekyler, och är ett grundläggande mått på en molekyls storlek.)

Melanin består av tre sexledade ringar (sex atomer ordnade runt en central punkt) i en linje, var och en med en femledad ring inbäddad i en av vinklarna mellan sig själv och sin granne. Dessa ringar med fem ledningar innehåller vardera en av de två kväveatomerna i melanin och sitter på motsatta sidor av molekylen.

De fyra syreatomerna i melanin är bundna till kol på sexatomringen i varje ände, två till varje ring. Dessa är dubbelbundna och C = O-arrangemangen ligger på motsatta sidor av ringen varifrån de femledda ringarna är fästa.

Om du vill uttrycka formeln för melanin i en mer uttrycklig form utan att använda en modell, kan du skriva den i den form som används i det förenklade molekyl-ingångslinjeinmatningssystemet (SMILES):

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

där siffrorna inte är prenumerationer utan referenser till de numeriska positionerna för atomer inom enskilda ringar. Väte atomer i melanin ingår inte men deras antal och positioner kan bestämmas genom att fylla i eventuella "luckor" i ovanstående struktur, med tanke på att varje kol bildar fyra bindningar.

Mänsklig hud har tre skikt, som från yttersta till innersta är överhuden, dermis och det subkutana vävnadsskiktet. Själva epidermis är uppdelad i flera lager, varav den djupaste kallas stratum germinativum (kallas ibland stratum basale). Detta lager, som gränsar till basalmembranet som skiljer epidermis från dermis, är där melanocyter produceras.

Vid mikroskopi har melanocyter en karakteristisk oregelbunden form. I vilken utsträckning melanocyter producerar melanin beror på i vilken utsträckning gen för melanin är uttryckteller påslagen. Tänk på "genuttryck" som att sätta på en omkopplare på en fabrik för att göra en viss produkt, i detta fall ett protein.

Nästan alla människor har gott om melanin "fabriker" (melanocyter), men i vilken utsträckning människor använder dessa "fabriker" varierar mycket mellan både individer och etniska befolkningar.

Solljus utlöser melaninproduktion i viss utsträckning hos de flesta människor; detta är processen med kortvarig mörkare hud som kallas "solbränna". Melaninet som produceras av ljusstimulans verkar för att skydda resten av kroppen till viss del från skadlig ultraviolett (UV) strålning i solljus.

När kroppen inte längre känner av ett överflöd av UV-strålar i miljön, som sker på hösten och vintern, det upplevda behovet av melaninproduktion minskar också och huden tenderar att ljusna under dessa årstider.

Även om melanocyter tillverkar melanin samt lagrar det och släpper det, är de mycket vanligare epidermala cellerna kända som keratinocyter hamna som den största mottagaren av pigmentet. Förflyttningen av melanin från melanocyter till keratinocyter underlättas av de många tentaklerna (upp till 40 eller så) som sträcker sig utåt från varje melanocyt.

Melanosomer bildade i melanocyter reser till keratinocyterna och positionerar sig mellan cellmembranet och kärnan och hjälper till att skydda DNA (deoxiribonukleinsyra, det "genetiska materialet" hos människor och alla kända livsformer) inom den kärnan från UV-strålningsskador.

Medan eumelanin är den vanligaste typen av melanin som produceras av människor, är det långt ifrån den enda vanliga typen. Den finns i två andra huvudformer, feomelanin och neuromelanin. Eumelanin och pheomelanin har mycket gemensamt funktionellt och kemiskt, medan neuromelanin är något av en skurk.

Eumelanin och feomelanin är båda gjorda av melanocyter i det lägsta lagret (skiktet) av epidermis. Dessa celler börjar som melanoblaster i vävnad som härrör från neuralröret under mänsklig embryonal utveckling. Syntesen av var och en av dessa börjar med tyrosin, en molekyl nära besläktad med aminosyran fenylalanin. Tyrosinen omvandlas snart till dopakinon, som kan följa ett antal olika kemiska vägar som i slutändan resulterar i melaninproduktion.

Neuromelanin produceras i hjärnan som en del av nedbrytningen av neurotransmittorn dopamin, en annan nära kemisk släkting av fenylalanin och tyrosin. Detta inträffar i en del av hjärnan som kallas substantia nigra. Neuromelanin, till skillnad från de andra två formerna av humant melanin, deltar inte i bestämningen av hudfärg.

Melanins anspråk på biologisk berömmelse är dess bidrag till hudfärg, men det utför också ett antal relaterade och orelaterade fysiologiska funktioner. Melanin påverkar hårfärgen och skyddar också huden och ögonen från ljusskador från solen och andra källor till elektromagnetisk strålning.

Eumelanin är mer brunsvart i färg, medan feomelanin är mer gulrött. Överfärgen på en persons hud bestäms av en kombination av förhållandet mellan dessa två typer av melanin och den totala densiteten av melanosomer i enskilda celler.

Olika typer av melanin dominerar också i olika delar av kroppen i samma individ. Läpparna, som är mer rosa, har till exempel högre pheomelanin.

Hud som har ljusare färg har vanligtvis en densitet på två eller tre melanosomer per kluster i melanocyterna, medan mörkare hud har mer "rörliga" melanocyter genom att dessa granuler är mer benägna att spridas till angränsande keratinocyter.

Vid någon tidpunkt i mänsklig utveckling bosatte sig olika populationer av individer långt ifrån varandra, med vissa förblir närmare ekvatorn och andra vågar sig mot nordliga breddgrader, mestadels i Europa vid först. Som en följd av att vara i en soligare och hetare miljö förlorade människor närmare ekvatorn mycket av sitt kroppshår i förhållande till sina mer nordliga motsvarigheter.

Det är denna förändring i relativ hårfördelning som antas ha stimulerat den differentiella utvecklingen av melanogenes i olika populationer världen över. Människor som bor närmare ekvatorn visar nu ett högre förhållande mellan eumelanin och feomelanin, vilket resulterar inte bara i mörkare hud utan i en större förmåga att absorbera UV-strålning. Människor som bor i svalare områden med mindre solljus visar å andra sidan ett lägre förhållande mellan eumelanin och feomelanin och är följaktligen mer mottagliga för UV-hudskador, inklusive cancer.

År 2015 rapporterade forskare vid Yale University att de hade hittat ett sätt på vilket UV-ljus reagerar i melanin hos möss på ett sätt som främjar cancerbildning på några timmar. Detta tycktes framhäva melanins utsökta "tvåkantiga" natur. För varje område där det kan fungera som en hälsotillgång verkar det utgöra en hälsoskuld någon annanstans.

Vitamin D, som är viktigt för kroppens hantering av mineralet kalcium, måste utsättas för UV-ljus för att kunna omvandlas till sin aktiva form efter att det intagits. Detta innebär att människor som bor på norra breddgrader i allmänhet är mer mottagliga för vitamin D-brist, eftersom deras kroppar i genomsnitt får mindre solljus under året än människor närmare ekvatorn do.

En annan konsekvens av förhållandet mellan UV-ljus och melanin är dock att mörkare människor, oavsett var de levande (men särskilt de i mycket nordliga eller södra områden), bör övervakas för problem med D-vitaminhalter, deras höga densitet av melanosomer, samtidigt som de ger skydd mot farorna med UV-strålar, skärmar också ut de få fördelaktiga effekter.

Ett antal förhållanden mellan UV-ljus, melanin och hudens beteende har ännu inte klarlagts helt. Det är till exempel känt att administrering av UV-ljus till huden kan undertrycka immunfunktionen på kort sikt. Detta kan vara önskvärt när man försöker kontrollera uppblåsningar av inflammatoriska hudsjukdomar med en immunkomponent, såsom psoriasis.

Oavsett vilken immunroll melanin kan spela i kroppen återstår att belysa.

Ett antal kliniska tillstånd som involverar störningar i melaninsyntes och transport är välkända. Dessa kan påverka varje steg i melaninbildningen och melanindistributionsprocessen.

Dessa inkluderar:

Störningar i melanoblaster. Dessa celler, som ni kanske kommer ihåg, är föregångarna till melanocyter. De ska migrera från sina bildningsställen i embryonal och fosterutveckling till de platser där de i slutändan kommer att spela sina tilldelade roller.

Ibland misslyckas emellertid melanoblaster att nå dit de ska. Ett resultat är Waardenburg syndrom, där drabbade människor har områden med mycket ljus hud och för tidigt grått hår på grund av att melanoblaster inte lyckades ta sig hem i dessa områden tidigare i livet.

Störningar i melanocyter. Bland de mer ökända av dessa är det tillstånd som kallas vitiligo, vilket involverar den autoimmuna medierade förstörelsen av melanocyter på ett icke-enhetligt sätt genom huden.

På grund av det asymmetriska sättet på vilket kroppen angriper sina egna celler, visar huden tydliga fläckar av ljus hud blandad med opåverkade hudområden.

Störningar i melanosomer. Två av de vanligaste störningarna som involverar lagringsplatserna för melanin är Chédiak-Higashis syndrom och Griscellis syndrom, som båda involverar synliga hudpigmenteringsproblem, men också inkluderar effekter i andra kroppssystem.

I Chédiak-Higashi syndrom, som kan producera albinism (en nästan total brist på pigmentering i hud och ögon), tros det att genmutation ansvarig för melaninkomponenten i störningen förhindrar också syntesen av viktiga immunsystemkemikalier.

Störningar relaterade till tyrosinas. Tyrosinas är enzymet, eller det biologiska katalysatorproteinet, som omvandlar en mellanförening i melanin- och feomelaninsyntes, kallad dihydroxifenylalanin, till dopakinon. När detta enzym inte fungerar ordentligt eller saknas kan den syntetiska melaninvägen störas.

Till exempel i ärftlig sjukdom fenylketonuri (PKU) leder misslyckandet med ett annat enzym till en betydande uppbyggnad av fenylalanin, som har sekundära, hämmande effekter på tyrosinas. Detta leder till fläckig hud tack vare en "nedströms" minskning av melaninsyntesen.