Хімія меланіну

Меланін - це темний, природний пігмент, який буває декількох форм і відповідає за більшу частину кольору шкіри у людей. Він виробляється клітинами, які називаються меланоцити, які розташовані в найглибшій частині самого зовнішнього шару шкіри. Значна частина цього меланіну потрапляє у клітини, які називаються кератиноцити, які набагато численніші за меланоцити.

Після синтезу меланіну він зберігається в тілах, які називаються меланоцитами меланосоми. Найпоширеніший з різних типів меланіну називається еумеланін, що означає "хороший меланін". Коли велика кількість еумеланіну присутня у більших кількостях, виходить темніший, більш коричневий колір шкіри, тоді як низька щільність цього пігменту спостерігається у людей зі світлішою шкірою.

Коли люди виявляють різницю в кольорі шкіри, що обумовлена ​​головним чином різницею у вмісті меланіну в шкірі, це не тому, що люди широко номер меланоцитів у них є. Натомість деякі індивідуальна меланоцити набагато активніші, ніж у інших.

Як і багато речовин в організмі, хімічний склад меланіну включає суміш вуглецю, водню, кисню та азоту. хімічна формула меланіну є C₁₈H₁₀N₂О₄, даючи меланіну молекулярну масу, або молярну масу, 318 грамів на моль (г / моль).

(З історичних причин a родимка - кількість речовини в грамах, що містить 6 х 10 ²³ і є основним показником розміру молекули.)

Меланін складається з трьох шестичленних кілець (шість атомів, розташованих навколо центральної точки) в лінію, кожне з яких має п'ятичленне кільце, розташоване в одному з кутів між собою та сусідом. Кожне з цих п’ятичленних кілець містить один з двох атомів азоту в меланіні і сидить на протилежних сторонах молекули.

Чотири атоми кисню в меланіні пов'язані з вуглецями на шестиатомному кільці на кожному кінці, по два на кожне кільце. Вони подвійно зв’язані, і механізми C = O лежать на протилежних сторонах кільця, звідки прикріплені п’ятичленні кільця.

Якщо ви хочете висловити формулу меланіну в більш чіткій формі, не вдаючись до малювання a модель, ви можете написати її у формі, що використовується у спрощеній системі введення лінійного введення (SMILES):

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

де числа не є індексами, а посиланнями на числові позиції атомів у межах окремих кілець. Гідроген атоми меланіну не включені, але їх кількість та положення можна визначити, заповнивши будь-які «прогалини» у вищезазначеній структурі, маючи на увазі, що кожен вуглець утворює чотири зв’язки.

Людина шкіри має три шари, якими від самого зовнішнього до внутрішнього є епідерміс, дерма та шар підшкірної клітковини. Сам епідерміс розділений на численні шари, найглибший з яких називається stratum germinativum (іноді його називають прошарком базаль). Цей шар, який прилягає до базальної мембрани, що відокремлює епідерміс від дерми, є місцем утворення меланоцитів.

При мікроскопії меланоцити мають характерну неправильну форму. Ступінь, в якій меланоцити виробляють меланін, залежить від того, наскільки ген для меланіну є виражений, або ввімкнено. Подумайте про «експресію генів» як про включення на заводі вимикача для виготовлення певного продукту, в даному випадку білка.

Майже у всіх людей є вдосталь меланін "фабрики" (меланоцити), але ступінь використання цих "фабрик" людьми дуже різниться як від окремих людей, так і від етнічних груп населення.

Сонячне світло певною мірою спричинює вироблення меланіну у більшості людей; це процес короткочасного потемніння шкіри, відомий як "засмага". Меланін, що виробляється світловим подразником, діє до певної міри захищати решту тіла шкідливе ультрафіолетове (УФ) випромінювання при сонячному світлі.

Коли організм перестає відчувати велику кількість УФ-променів у навколишньому середовищі, як це відбувається восени та взимку, відчутна потреба у виробництві меланіну також зменшується, і шкіра під час них має тенденцію до освітлення пори року.

Крім того, хоча меланоцити виробляють меланін, а також зберігають і вивільняють, набагато більш поширені епідермальні клітини, відомі як кератиноцити закінчується як найбільший отримувач пігменту. Переміщенню меланіну від меланоцитів до кератиноцитів сприяють численні щупальця (приблизно до 40), що виходять назовні від кожного меланоцита.

Меланосоми, що утворюються в меланоцитах, рухаються до кератиноцитів і розташовуються між клітинною мембраною та ядром, допомагаючи захистити ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота, "генетичний матеріал" людини та всі відомі форми життя) у цьому ядрі від пошкодження ультрафіолетовим випромінюванням.

Хоча еумеланін є найпоширенішим видом меланіну, що виробляється людиною, це далеко не єдиний поширений тип. Він існує у двох інших основних формах, феомеланін і нейромеланін. Еумеланін та феомеланін мають багато спільного у функціональному та хімічному відношенні, тоді як нейромеланін - щось подібне до шахраїв.

Евмеланін і феомеланін виробляються меланоцитами в найнижчому шарі (шарі) епідермісу. Ці клітини починаються як меланобласти в тканині, яка отримується з нервової трубки під час ембріонального розвитку людини. Синтез кожного з них починається з тирозину, молекули, тісно пов'язаної з амінокислотою фенілаланін. Незабаром тирозин перетворюється на допахінон, який може йти по ряду різних хімічних шляхів, що в кінцевому підсумку призводить до виробництва меланіну.

Нейромеланін виробляється в мозку як частина розкладання нейромедіатора дофамін, ще один близький хімічний родич фенілаланіну та тирозину. Це відбувається в частині мозку, яка називається substantia nigra. Нейромеланін, на відміну від інших двох форм меланіну людини, не бере участі у визначенні кольору шкіри.

Претензія Меланіна на біологічну славу - це його внесок у колір шкіри, але він також виконує ряд пов'язаних та не пов'язаних між собою фізіологічних функцій. Меланін впливає на колір волосся, а також захищає шкіру та очі від світлових пошкоджень сонця та інших джерел електромагнітного випромінювання.

Еумеланін більш коричнево-чорного кольору, тоді як феомеланін більш жовтувато-червоний. Надмірний колір шкіри людини визначається поєднанням співвідношення цих двох типів меланіну та загальної щільності меланосом в окремих клітинах.

Крім того, різні типи меланіну переважають в різних частинах тіла у однієї і тієї ж особини. Наприклад, губи, які є більш рожевими, містять більше феомеланіну.

Шкіра світлішого кольору, як правило, має щільність двох-трьох меланосом на кластер всередині меланоцитів, тоді як темніша шкіра має більш «рухливі» меланоцити, оскільки ці гранули більш схильні до поширення в сусідні кератиноцити.

У певний момент еволюції людини різні популяції особин оселялися далеко один від одного, с деякі залишаються ближче до екватора, а інші вирушають до північних широт, переважно в Європі спочатку. Як наслідок перебування в сонячному і спекотному оточенні, люди, які знаходились ближче до екватора, втратили значну частину волосся на тілі у порівнянні з колегами, які живуть на північ.

Вважається, що ця зміна у відносному розподілі волосся спричинила диференційний розвиток меланогенезу в різних популяціях у всьому світі. Люди, які живуть ближче до екватора, тепер демонструють більш високе співвідношення еумеланіну до феомеланіну, що призводить не тільки до темнішої шкіри, але і до більшої здатності поглинати УФ-випромінювання. З іншого боку, люди, які живуть у прохолодних районах з меншим сонячним світлом, демонструють нижче співвідношення еумеланіну до феомеланіну, а отже, більш сприйнятливі до УФ-пошкодження шкіри, включаючи рак.

У 2015 році дослідники з Єльського університету повідомили, що знайшли спосіб, за допомогою якого Ультрафіолетове світло реагує на меланін у мишей таким чином, що сприяє утворенню раку за лічені години. Це, здавалося, підкреслювало вишукану «двобічну» природу меланіну. Здається, що для кожної сфери, в якій він може служити активом охорони здоров’я, відповідальність за здоров’я є десь в іншому місці.

Вітамінний D, який є важливим для поводження з мінералом кальцію в організмі, повинен потрапляти під дію УФ-світла, щоб перетворити його в свою активну форму після прийому всередину. Це означає, що люди, які живуть у північних широтах, як правило, більш сприйнятливі до дефіциту вітаміну D, тому що їхні тіла в середньому отримують менше сонячного світла протягом року, ніж люди, розташовані ближче до екватора робити.

Однак ще одним наслідком взаємозв'язку між УФ-світлом і меланіном є те, що люди темніші, незалежно від того, де вони перебувають живі (але особливо в дуже північних або південних регіонах), слід стежити за проблемами з рівнем вітаміну D, оскільки їх висока щільність меланосом, одночасно забезпечуючи захист від небезпеки ультрафіолетових променів, також виявляє їх нечисленні корисні речовини ефекти.

Ряд взаємозв’язків між УФ-світлом, меланіном та поведінкою шкіри ще не з’ясований до кінця. Наприклад, відомо, що введення ультрафіолетового світла в шкіру може придушити імунну функцію в короткостроковій перспективі. Це може бути бажаним при спробі контролювати загострення запальних захворювань шкіри за допомогою імунного компонента, такого як псоріаз.

Яку б імунну роль меланін не відігравав в організмі, ще слід з’ясувати.

Ряд клінічних станів, що включають порушення в синтезі та транспорті меланіну, добре відомі. Вони можуть впливати на кожен крок процесу утворення меланіну та розподілу меланіну.

До них належать:

Порушення меланобластів. Ці клітини, як ви пам’ятаєте, є попередниками меланоцитів. Вони повинні мігрувати зі своїх місць формування в ембріональному та внутрішньоутробному розвитку до місць, де вони в кінцевому рахунку будуть виконувати призначені їм ролі.

Однак іноді меланобласти не можуть пройти туди, куди вони повинні йти. Один результат є Синдром Ваарденбурга, в яких у постраждалих людей є ділянки дуже світлої шкіри та передчасно посивіле волосся через невдачу меланобластів у цих районах раніше в житті.

Порушення меланоцитів. Серед найбільш горезвісних з них - стан, який називається вітіліго, що передбачає аутоімунно-опосередковане руйнування меланоцитів нерівномірним способом по всій шкірі.

Через асиметричний спосіб, коли організм атакує власні клітини, шкіра має чіткі ділянки світлої шкіри, змішані з неушкодженими ділянками шкіри.

Порушення меланосом. Двома найпоширенішими порушеннями, що стосуються місць зберігання меланіну, є Синдром Чедиака-Хігасі і Синдром Гришеллі, обидва з яких пов’язані з видимими проблемами пігментації шкіри, але також включають ефекти в інших системах організму.

У синдромі Чедиака-Хігасі, який може спричинити альбінізм (майже повна відсутність пігментації в шкірі та очах), вважається, що генна мутація відповідальний за меланіновий компонент розладу також перешкоджає синтезу важливих хімічних речовин імунної системи.

Порушення, пов’язані з тирозиназою. Тирозиназа - це фермент, або біологічний білок каталізатора, який перетворює проміжну сполуку в синтезі меланіну та феомеланіну, звану дигідроксифенілаланіном, у допахінон. Коли цей фермент не працює належним чином або відсутній, шлях синтезу меланіну може бути порушений.

Наприклад, при спадковій хворобі фенілкетонурія (ФКУ), відмова іншого ферменту призводить до значного накопичення фенілаланіну, який має вторинну, інгібуючу дію на тирозиназу. Це призводить до нерівності шкіри завдяки зменшенню синтезу меланіну "за течією".