เคมีของเมลานิน

เมลานินเป็นเม็ดสีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติซึ่งมีอยู่ในหลายรูปแบบและมีหน้าที่รับผิดชอบต่อสีผิวของมนุษย์ ผลิตโดยเซลล์ที่เรียกว่า เมลาโนไซต์ซึ่งนั่งอยู่ในส่วนที่ลึกที่สุดของผิวหนังชั้นนอกสุด เมลานินส่วนใหญ่จะเข้าสู่เซลล์ที่เรียกว่า keratinocytesซึ่งมีจำนวนมากกว่าเมลาโนไซต์อย่างมาก

หลังจากสังเคราะห์เมลานินแล้ว จะถูกเก็บไว้ในร่างกายภายในเมลาโนไซต์ที่เรียกว่า เมลาโนโซม เมลานินชนิดต่างๆ ที่พบบ่อยที่สุดเรียกว่า most ยูเมลานินซึ่งหมายถึง "เมลานินที่ดี" เมื่อมียูเมลานินจำนวนมากในปริมาณที่มากขึ้น สีผิวที่เข้มขึ้นและสีน้ำตาลจะมากขึ้น ในขณะที่เม็ดสีที่มีความหนาแน่นต่ำจะเกิดขึ้นในผู้ที่มีผิวสีอ่อนกว่า

เมื่อคนเราแสดงความแตกต่างของสีผิวอันเป็นผลจากความแตกต่างของปริมาณเมลานินของผิวเป็นหลัก นั่นไม่ใช่เพราะว่าคนเรามีความแตกต่างกันอย่างมากในแง่ของ จำนวน ของเมลาโนไซต์ที่พวกมันมี แทน, ของบางคน รายบุคคล เมลาโนไซต์มีความกระตือรือร้นมากกว่าในเซลล์อื่นๆ

เช่นเดียวกับสารหลายชนิดในร่างกาย ส่วนประกอบทางเคมีของเมลานินรวมถึงส่วนผสมของคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน สูตรเคมีเมลานิน คือ C₁₈โฮ₁₀นู๋₂อู๋₄ทำให้เมลานินมีน้ำหนักโมเลกุลหรือมวลโมลาร์เท่ากับ 318 กรัมต่อโมล (กรัม/โมล)

(ด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์ a ตุ่น คือปริมาณของสารในหน่วยกรัมที่มี 6 x 10 ²³ โมเลกุลและเป็นตัววัดพื้นฐานของขนาดของโมเลกุล)

เมลานินประกอบด้วยวงแหวนหกส่วนสามวง (อะตอมหกตัวจัดเรียงรอบจุดศูนย์กลาง) ในแนวเดียวกัน แต่ละวงมีวงแหวนห้าส่วนตั้งอยู่ในมุมหนึ่งระหว่างตัวมันเองกับเพื่อนบ้าน วงแหวนห้าส่วนเหล่านี้แต่ละวงประกอบด้วยอะตอมไนโตรเจนหนึ่งในสองอะตอมในเมลานิน และนั่งอยู่ด้านตรงข้ามของโมเลกุล

อะตอมออกซิเจนสี่อะตอมในเมลานินจับกับคาร์บอนบนวงแหวนหกอะตอมที่ปลายแต่ละด้าน สองอะตอมต่อวงแหวนแต่ละวง สิ่งเหล่านี้ถูกผูกมัดสองครั้งและการจัดเรียง C=O อยู่บนด้านตรงข้ามของวงแหวนจากตำแหน่งที่ติดวงแหวนห้าส่วน

หากคุณต้องการแสดงสูตรสำหรับเมลานินในรูปแบบที่ชัดเจนมากขึ้นโดยไม่ต้องอาศัยการวาด a คุณสามารถเขียนมันในรูปแบบที่ใช้ใน Simplified Molecular-Input Line-Entry System (SMILES):

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

โดยที่ตัวเลขไม่ใช่ตัวห้อย แต่อ้างอิงถึงตำแหน่งตัวเลขของอะตอมภายในวงแหวนแต่ละวง ไฮโดรเจน อะตอมในเมลานินไม่รวมอยู่ด้วย แต่จำนวนและตำแหน่งของพวกมันสามารถกำหนดได้โดยการเติม "ช่องว่าง" ใดๆ ในโครงสร้างด้านบน โดยจำไว้ว่าคาร์บอนแต่ละตัวจะสร้างพันธะสี่พันธะ

มนุษย์ ผิว มีสามชั้น ซึ่งจากชั้นนอกสุดไปสู่ชั้นในสุดคือชั้นหนังกำพร้า ชั้นหนังแท้ และชั้นเนื้อเยื่อใต้ผิวหนัง ผิวหนังชั้นนอกนั้นถูกแบ่งออกเป็นหลายชั้น โดยชั้นที่ลึกที่สุดเรียกว่า stratum germinativum (บางครั้งเรียกว่าชั้นฐาน) ชั้นนี้ซึ่งอยู่ติดกับเยื่อหุ้มชั้นใต้ดินที่แยกชั้นหนังกำพร้าออกจากผิวหนังชั้นหนังแท้ เป็นที่ที่ผลิตเมลาโนไซต์

ในกล้องจุลทรรศน์ melanocytes มีรูปร่างผิดปกติ ขอบเขตที่เมลาโนไซต์ผลิตเมลานินขึ้นอยู่กับขอบเขตที่ ยีน สำหรับเมลานินคือ แสดงออกหรือเปิดอยู่ คิดว่า "การแสดงออกของยีน" เป็นการเปิดสวิตช์ที่โรงงานเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์เฉพาะ ในกรณีนี้คือโปรตีน

มนุษย์เกือบทุกคนมีมากมาย เมลานิน "โรงงาน" (melanocytes) แต่ขอบเขตที่ผู้คนนำ "โรงงาน" เหล่านี้ไปใช้นั้นแตกต่างกันอย่างมากระหว่างบุคคลและกลุ่มชาติพันธุ์

แสงแดดกระตุ้นการผลิตเมลานินในระดับหนึ่งในคนส่วนใหญ่ นี่คือกระบวนการของการทำให้ผิวคล้ำในระยะสั้นที่เรียกว่า "ผิวสีแทน" เมลานินที่ผลิตโดยการกระตุ้นด้วยแสงจะทำหน้าที่ป้องกันร่างกายส่วนอื่นๆ จาก รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ที่เป็นอันตราย ในแสงแดด

เมื่อร่างกายไม่รับรู้รังสี UV จำนวนมากในสิ่งแวดล้อมอีกต่อไป เช่น ในฤดูใบไม้ร่วงและฤดูหนาว การรับรู้ความต้องการในการผลิตเมลานินก็ลดลงเช่นกันและผิวหนังมีแนวโน้มที่จะสว่างขึ้นในระหว่างนี้ ฤดูกาล

นอกจากนี้ในขณะที่เมลาโนไซต์ผลิตเมลานินรวมทั้งจัดเก็บและปลดปล่อยเซลล์ผิวหนังชั้นนอกที่แพร่หลายมากขึ้นที่เรียกว่า keratinocytes กลายเป็นผู้รับเม็ดสีที่ยิ่งใหญ่ที่สุด การเคลื่อนไหวของเมลานินจาก melanocytes ไปยัง keratinocytes นั้นอำนวยความสะดวกโดยหนวดจำนวนมาก (มากถึง 40 หรือมากกว่านั้น) ที่ยื่นออกไปด้านนอกจากแต่ละ melanocyte

เมลาโนโซมที่เกิดขึ้นในเมลาโนไซต์จะเดินทางไปยัง keratinocytes และจัดตำแหน่งตัวเองระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และนิวเคลียส ช่วยป้องกัน ดีเอ็นเอ (กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก "สารพันธุกรรม" ของมนุษย์และรูปแบบชีวิตที่รู้จักทั้งหมด) ภายในนิวเคลียสนั้นจากความเสียหายจากรังสียูวี

แม้ว่ายูเมลานินเป็นเมลานินชนิดที่มนุษย์ผลิตได้มากที่สุด แต่ก็ยังห่างไกลจากชนิดทั่วไปเพียงชนิดเดียว มันมีอยู่ในสองรูปแบบหลักอื่น ๆ, ฟีโอเมลานิน และ นิวโรเมลานิน. ยูเมลานินและฟีโอเมลานินมีบทบาทร่วมกันอย่างมากทั้งในด้านการทำงานและทางเคมี ในขณะที่นิวโรเมลานินเป็นสิ่งที่หลอกลวง

ยูเมลานินและฟีโอเมลานินถูกสร้างขึ้นโดยเมลาโนไซต์ในชั้น (ชั้น) ต่ำสุดของหนังกำพร้า เซลล์เหล่านี้เริ่มต้นเป็น เมลาโนบลาสต์ ในเนื้อเยื่อที่ได้มาจากท่อประสาทในระหว่างการพัฒนาตัวอ่อนของมนุษย์ การสังเคราะห์สารแต่ละชนิดเริ่มด้วยไทโรซีน ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับฟีนิลอะลานีนของกรดอะมิโน ในไม่ช้า ไทโรซีนจะถูกแปลงเป็นโดปาควิโนน ซึ่งสามารถเป็นไปตามวิถีทางเคมีต่างๆ มากมายที่ส่งผลให้เกิดการผลิตเมลานินในที่สุด

Neuromelanin ผลิตขึ้นในสมองโดยเป็นส่วนหนึ่งของการสลายตัวของสารสื่อประสาท โดปามีนอีกญาติทางเคมีที่ใกล้ชิดของฟีนิลอะลานีนและไทโรซีน สิ่งนี้เกิดขึ้นในส่วนหนึ่งของสมองที่เรียกว่า substantia nigra. Neuromelanin ซึ่งแตกต่างจากเมลานินของมนุษย์อีกสองรูปแบบ ไม่ได้มีส่วนร่วมในการกำหนดสีผิว

การอ้างสิทธิ์ของเมลานินต่อชื่อเสียงทางชีวภาพนั้นมีส่วนทำให้สีผิว แต่ทำหน้าที่ทางสรีรวิทยาที่เกี่ยวข้องและไม่เกี่ยวข้องจำนวนหนึ่งเช่นกัน เมลานินมีอิทธิพลต่อสีผมและยังช่วยปกป้องผิวหนังและดวงตาจากความเสียหายจากแสงจากดวงอาทิตย์และแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ

ยูเมลานินมีสีน้ำตาลดำมากกว่าในขณะที่ฟีโอเมลานินมีสีเหลืองแดงมากกว่า สีผิวที่มากเกินไปของบุคคลนั้นพิจารณาจากการรวมกันของอัตราส่วนของเมลานินทั้งสองชนิดนี้และความหนาแน่นโดยรวมของเมลาโนโซมภายในเซลล์แต่ละเซลล์

นอกจากนี้ เมลานินประเภทต่าง ๆ ยังมีอิทธิพลเหนือส่วนต่าง ๆ ของร่างกายในบุคคลเดียวกัน ตัวอย่างเช่น ริมฝีปากที่มีสีชมพูมากกว่าจะมีฟีโอเมลานินสูงกว่า

ผิวหนังที่มีสีอ่อนกว่ามักมีเมลาโนโซมหนาแน่นสองหรือสามเมลาโนโซมต่อคลัสเตอร์ภายในเมลาโนไซต์ ผิวคล้ำมีเมลาโนไซต์ "เคลื่อนที่" มากกว่า โดยที่เม็ดเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะแพร่กระจายไปยังเพื่อนบ้านมากขึ้น เคราติโนไซต์

เมื่อถึงจุดหนึ่งของวิวัฒนาการของมนุษย์ ประชากรที่แตกต่างกันก็แยกย้ายกันไปคนละทางกับ, บางแห่งอยู่ใกล้กับเส้นศูนย์สูตรและบางแห่งกำลังมุ่งหน้าไปยังละติจูดเหนือ ส่วนใหญ่อยู่ในยุโรปที่ ก่อน เป็นผลมาจากการอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีแดดจัดและร้อนจัด ผู้คนที่อยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตรสูญเสียขนตามร่างกายไปมากเมื่อเทียบกับขนที่อยู่ทางเหนือ

การเปลี่ยนแปลงนี้ในการกระจายของเส้นผมสัมพัทธ์ซึ่งเชื่อกันว่าได้กระตุ้นการพัฒนาที่แตกต่างกันของการสร้างเม็ดสีในประชากรที่แตกต่างกันทั่วโลก ผู้คนที่อาศัยอยู่ใกล้กับเส้นศูนย์สูตรแสดงให้เห็นถึงอัตราส่วนของยูเมลานินต่อฟีโอเมลานินที่สูงขึ้น ส่งผลให้ไม่เพียงแต่ผิวคล้ำเท่านั้นแต่ยังมีความสามารถในการดูดซับรังสียูวีได้มากขึ้น ในทางกลับกัน คนที่อาศัยอยู่ในบริเวณที่มีอากาศเย็นและมีแสงแดดน้อย จะแสดงอัตราส่วนของยูเมลานินต่อฟีโอเมลานินที่ต่ำกว่า ส่งผลให้ผิวหนังได้รับความเสียหายจากรังสียูวี รวมทั้งมะเร็ง

ในปี 2558 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเยลรายงานว่าพวกเขาได้ค้นพบวิธีการ แสงยูวีทำปฏิกิริยากับเมลานินในหนู ในลักษณะที่ส่งเสริมการสร้างมะเร็งในเวลาไม่กี่ชั่วโมง สิ่งนี้ดูเหมือนจะเน้นธรรมชาติ "สองคม" อย่างวิจิตรงดงามของเมลานิน สำหรับทุกพื้นที่ที่สามารถทำหน้าที่เป็นสินทรัพย์ด้านสุขภาพ ดูเหมือนว่าจะแสดงความรับผิดต่อสุขภาพที่อื่น

วิตามิน D ซึ่งมีความสำคัญในการจัดการกับแร่ธาตุแคลเซียมของร่างกาย จะต้องได้รับแสงยูวีเพื่อที่จะถูกแปลงเป็นรูปแบบที่ใช้งานได้หลังจากกลืนกินเข้าไป ซึ่งหมายความว่าโดยทั่วไปแล้ว ผู้คนที่อาศัยอยู่ในละติจูดเหนือมักจะไวต่อการขาดวิตามินดีมากกว่า เพราะโดยเฉลี่ยแล้วร่างกายของพวกมันจะได้รับแสงแดดตลอดทั้งปีน้อยกว่าคนที่อยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตร ทำ.

อีกนัยหนึ่งของความสัมพันธ์ระหว่างแสงยูวีกับเมลานินก็คือคนผิวคล้ำไม่ว่าพวกเขาจะอยู่ที่ไหน มีชีวิตอยู่ (แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคเหนือหรือภาคใต้) ควรได้รับการตรวจสอบปัญหาระดับวิตามินดีเนื่องจาก เมลาโนโซมที่มีความหนาแน่นสูงในขณะที่ให้การป้องกันอันตรายจากรังสียูวียังช่วยกรองข้อดีบางประการของพวกมัน ผลกระทบ

ความสัมพันธ์จำนวนหนึ่งระหว่างแสงยูวี เมลานิน และพฤติกรรมของผิวหนังยังไม่ได้รับการชี้แจงอย่างสมบูรณ์ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการให้แสงยูวีกับผิวหนังสามารถไปกดการทำงานของภูมิคุ้มกันในระยะสั้นได้ สิ่งนี้สามารถเป็นที่ต้องการได้เมื่อพยายามควบคุมการลุกเป็นไฟของภาวะผิวหนังอักเสบด้วยองค์ประกอบภูมิคุ้มกัน เช่น โรคสะเก็ดเงิน

ไม่ว่าเมลานินที่มีบทบาททางภูมิคุ้มกันจะมีบทบาทอย่างไรในร่างกายก็ยังคงต้องอธิบายให้กระจ่าง

เงื่อนไขทางคลินิกจำนวนหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับความผิดปกติในการสังเคราะห์และการขนส่งเมลานินเป็นที่รู้จักกันดี สิ่งเหล่านี้สามารถส่งผลกระทบต่อทุกขั้นตอนของการสร้างเมลานินและกระบวนการกระจายเมลานิน

ซึ่งรวมถึง:

ความผิดปกติของเมลาโนบลาสต์ เซลล์เหล่านี้อย่างที่คุณอาจจำได้คือสารตั้งต้นของเมลาโนไซต์ พวกเขาควรจะย้ายจากไซต์ของพวกเขาในการพัฒนาตัวอ่อนและทารกในครรภ์ไปยังสถานที่ที่พวกเขาจะเล่นบทบาทที่ได้รับมอบหมายในที่สุด

อย่างไรก็ตาม บางครั้งเมลาโนบลาสต์ไม่สามารถไปถึงที่ที่ควรไป ผลลัพธ์เดียวคือ กลุ่มอาการวาร์เดนเบิร์กซึ่งผู้ที่ได้รับผลกระทบจะมีบริเวณที่มีผิวสีอ่อนมากและมีผมหงอกก่อนวัยอันเนื่องมาจากความล้มเหลวของเมลาโนบลาสต์ที่จะเข้าไปอาศัยในบริเวณเหล่านี้ตั้งแต่อายุยังน้อย

ความผิดปกติของเมลาโนไซต์ ที่ขึ้นชื่อกว่าคืออาการที่เรียกว่า โรคด่างขาวซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำลาย melanocytes ที่เกิดจากภูมิต้านทานผิดปกติในลักษณะที่ไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งผิวหนัง

เนื่องจากวิธีที่ไม่สมดุลซึ่งร่างกายโจมตีเซลล์ของตัวเอง ผิวหนังจึงแสดงเป็นหย่อมๆ ของผิวหนังบางๆ ที่ปะปนอยู่กับพื้นที่ที่ไม่ได้รับผลกระทบของผิวหนัง

ความผิดปกติของเมลาโนโซม ความผิดปกติทั่วไปสองอย่างที่เกี่ยวข้องกับสถานที่จัดเก็บเมลานินคือ เชดิแอค-ฮิกาชิซินโดรม และ กลุ่มอาการกริสเซลลีซึ่งทั้งสองอย่างนี้เกี่ยวข้องกับปัญหาการสร้างเม็ดสีผิวที่มองเห็นได้ แต่ยังรวมถึงผลกระทบในระบบอื่นๆ ของร่างกายด้วย

ในกลุ่มอาการเชเดียก-ฮิกาชิ ซึ่งสามารถผลิตได้ เผือก (การขาดความหมองคล้ำในผิวหนังและดวงตาเกือบหมด) เชื่อกันว่า การกลายพันธุ์ของยีน รับผิดชอบองค์ประกอบเมลานินของความผิดปกติยังป้องกันการสังเคราะห์สารเคมีของระบบภูมิคุ้มกันที่สำคัญ

ความผิดปกติที่เกี่ยวข้องกับไทโรซิเนส ไทโรซิเนสเป็นเอนไซม์หรือโปรตีนตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพที่แปลงสารประกอบขั้นกลางในการสังเคราะห์เมลานินและฟีโอเมลานินที่เรียกว่าไดไฮดรอกซีฟีนิลอะลานีนเป็นโดปาควิโนน เมื่อเอนไซม์นี้ทำงานไม่ถูกต้องหรือขาดหายไป วิถีการสังเคราะห์เมลานินอาจถูกรบกวนได้

ตัวอย่างเช่นในโรคทางพันธุกรรม ฟีนิลคีโตนูเรีย (PKU) ความล้มเหลวของเอ็นไซม์ต่างๆ ทำให้เกิดการสร้างฟีนิลอะลานีนขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งมีผลต่อการยับยั้งไทโรซิเนสในระดับรอง สิ่งนี้นำไปสู่ผิวที่หยาบกร้านเนื่องจากการสังเคราะห์เมลานิน "ปลายน้ำ" ลดลง