Chemistry of melanin

Obsah

• Melaninová chemická štruktúra
• Alternatívny chemický vzorec melanínu
• Základy farby pleti
• Ďalšie faktory farby pleti
• Druhy melanínu
• Funkcie melanínu
• Ochrana melanínom a UV
• Iné fyziologické úlohy melanínu
• Choroby súvisiace s melanínom

Melanín je tmavý, prirodzene sa vyskytujúci pigment, ktorý prichádza v niekoľkých formách a je zodpovedný za veľkú časť farby pokožky u ľudí. Je produkovaný bunkami zvanými melanocyty, ktoré sedia v najhlbšej časti vonkajšej vrstvy pokožky. Veľa z tohto melanínu nájde cestu do buniek zvaných keratinocyty, ktoré sú oveľa početnejšie ako melanocyty.

Po syntéze melanínu je uložený v telách zvaných melanocyty melanosomes. Nazýva sa najbežnejší z rôznych typov melanínu eumelanín, čo znamená „dobrý melanín“. Ak je množstvo eumelanínu prítomné vo vyšších množstvách, výsledkom je tmavšia a hnedšia farba pleti, zatiaľ čo u ľudí so svetlejšou kožou sa vyskytuje nízka hustota tohto pigmentu.

Keď ľudia vykazujú rozdiely vo farbe pleti spôsobené hlavne rozdielmi v obsahu melanínu v koži, nie je to tak preto, že sa ľudia veľmi líšia číslo melanocytov, ktoré majú. Namiesto toho niektorí ľudia jednotlivec melanocyty sú oveľa aktívnejší ako v iných.

Melaninová chemická štruktúra

Podobne ako mnoho iných látok v tele, chemická kompozícia melanínu obsahuje zmes uhlíka, vodíka, kyslíka a dusíka. melanínový chemický vzorec je C₁₈H₁₀N₂O₄s molekulovou hmotnosťou alebo molárnou hmotnosťou melanínu 318 gramov na mol (g / mol).

(Z historických dôvodov, a Krtko je množstvo látky v gramoch, ktoré obsahuje 6 x 10 ²³ molekuly a je základným meradlom veľkosti molekúl.)

Melanín sa skladá z troch šesťčlenných kruhov (šesť atómov usporiadaných okolo centrálneho bodu) v jednej línii, pričom každý z nich má päťčlenný kruh zasadený do jedného z uhlov medzi sebou a jeho susedom. Každý z týchto päťčlenných kruhov obsahuje jeden z dvoch atómov dusíka v melaníne a sedí na opačných stranách molekuly.

Štyri atómy kyslíka v melaníne sú viazané na atómy uhlíka na šesť atómovom kruhu na každom konci, dva na každý kruh. Sú dvojito spojené a usporiadania C = O ležia na opačných stranách prstenca, z ktorého sú pripevnené päťčlenné prstence.

Alternatívny chemický vzorec melanínu

Ak by ste chceli vyjadriť vzorec pre melanín jasnejšou formou bez toho, aby ste sa uchyľovali k nakresleniu modelu, môžete ho napísať do podoby používanej v zjednodušenom systéme vstupu molekulárnych vstupov (SMILES):

CC1 = C2C3 = C (C 4 = CNC5 = C (C (= O) C (= O) C (= C45) C3 = CN2) C) C (= O) C1 = O

kde čísla nie sú predplatné, ale odkazy na číselné polohy atómov v rámci jednotlivých kruhov. Atómy vodíka v melaníne nie sú zahrnuté, ale ich počet a polohy sa môžu určiť vyplnením akýchkoľvek „medzier“ vo vyššie uvedenej štruktúre, pričom treba mať na pamäti, že každý uhlík tvorí štyri väzby.

Základy farby pleti

Ľudská koža má tri vrstvy, ktoré od vonkajšej po najvnútornejšiu vrstvu sú vrstva epidermy, dermy a subkutánneho tkaniva. Samotná epiderma je rozdelená do mnohých vrstiev, z ktorých najhlbšia je nazývaná stratum germinativum (niekedy sa nazýva stratum basale). Táto vrstva, ktorá susedí s bazálnou membránou oddeľujúcou epidermu od dermy, je miestom, kde sa produkujú melanocyty.

Na mikroskopii majú melanocyty charakteristický nepravidelný tvar. Miera, v ktorej melanocyty produkujú melanín, závisí od rozsahu, v akom je gén pre melanín vyjadrenýalebo zapnuté. „Génovú expresiu“ považujte za zapnutie prepínača v továrni na výrobu konkrétneho produktu, v tomto prípade bielkoviny.

Takmer všetky ľudské bytosti majú veľa „tovární“ melanínu (melanocyty), ale miera, do akej ľudia tieto „továrne“ používajú, sa medzi jednotlivcami aj etnickými populáciami veľmi líši.

Ďalšie faktory farby pleti

Slnečné svetlo u väčšiny ľudí do istej miery spúšťa produkciu melanínu; toto je proces krátkodobého stmavnutia pokožky, ktorý sa nazýva „opálenie“. Melanín produkovaný svetelným stimulom do istej miery chráni zvyšok tela pred škodlivým ultrafialovým (UV) žiarením na slnku.

Keď telo už nezaznamená dostatok UV lúčov v prostredí, ako sa vyskytuje na jeseň a v zime, klesá aj vnímaná potreba produkcie melanínu a počas týchto ročných období má tendencia zosvetľovať pokožku.

Aj keď melanocyty vyrábajú melanín, ako ho skladujú a uvoľňujú, oveľa rozšírenejšie epidermálne bunky známe ako keratinocyty vinutie ako najväčší príjemca pigmentu. Pohyb melanínu z melanocytov do keratinocytov je uľahčený mnohými chápadlami (až do približne 40), ktoré sa rozprestierajú smerom von od každého melanocytov.

Melanosómy tvorené v melanocytoch putujú do keratinocytov a umiestňujú sa medzi bunkovú membránu a jadro, čím pomáhajú chrániť DNA (kyselina deoxyribonukleová, „genetický materiál“ človeka a všetky známe formy života) v jadre pred poškodením UV žiarením.

Druhy melanínu

Zatiaľ čo eumelanín je najhojnejším typom melanínu produkovaného ľuďmi, nie je ani zďaleka jediný bežný typ. Existuje v dvoch ďalších hlavných formách, pheomelanin a neuromelanin, Eumelanín a feomelanín majú funkčne a chemicky veľa spoločného, ​​zatiaľ čo neuromelanín je niečo nečestného.

Eumelanín a phomeomelanín sú produkované melanocytmi v najnižšej vrstve (vrstve) epidermy. Tieto bunky začínajú ako melanoblasty v tkanive, ktoré je odvodené z nervovej trubice počas vývoja ľudských embryí. Syntéza každého z nich začína tyrozínom, molekulou úzko súvisiacou s aminokyselinou fenylalanínom. Tyrozín sa čoskoro premieňa na dopachinón, ktorý môže sledovať množstvo rôznych chemických ciest, ktoré nakoniec vedú k produkcii melanínu.

Neuromelanín je produkovaný v mozgu ako súčasť rozkladu neurotransmitera dopamín, ďalší blízky chemický príbuzný fenylalanínu a tyrozínu. To sa vyskytuje v časti mozgu zvanej substantia nigra, Neuromelanín sa na rozdiel od ostatných dvoch foriem ľudského melanínu nezúčastňuje na určovaní farby pleti.

Funkcie melanínu

Melaníny tvrdia, že biologická sláva je jeho príspevok k farbe pleti, ale plní aj množstvo súvisiacich a nesúvisiacich fyziologických funkcií. Melanín ovplyvňuje farbu vlasov a chráni pokožku a oči pred poškodením slnečným žiarením a inými zdrojmi elektromagnetického žiarenia.

Eumelanín má viac hnedasto-čiernu farbu, zatiaľ čo feomelanín má viac žltkastočervenú farbu. Nadfarbenie pokožky osôb je určené kombináciou pomeru týchto dvoch typov melanínu a celkovej hustoty melanozómov v jednotlivých bunkách.

Rôzne typy melanínu tiež prevládajú v rôznych častiach tela u jedného jedinca. Napríklad pery, ktoré sú ružovejšie, majú vyšší obsah feomelanínu.

Koža, ktorá je svetlejšej farby, má obvykle hustotu dvoch alebo troch melanozómov na zhluk v melanocytoch, zatiaľ čo tmavšia pokožka má viac „mobilných“ melanocytov v tom, že tieto granule sú náchylnejšie šíriť sa do susedných keratinocytov.

Ochrana melanínom a UV

V určitom okamihu ľudskej evolúcie sa rôzne populácie jednotlivcov usadili ďaleko od seba, niektoré zostali bližšie k rovníku a iné sa púšťali smerom k severným zemepisným šírkam, predovšetkým v Európe. V dôsledku slnečnejšieho a teplejšieho prostredia stratili ľudia bližšie k rovníku veľkú časť srsti tela v porovnaní s ich severnejším náprotivkom.

Predpokladá sa, že práve táto zmena v relatívnom rozdelení vlasov urýchlila rozdielny vývoj melanogenézy v rôznych populáciách na celom svete. Ľudia žijúci bližšie k rovníku teraz vykazujú vyšší pomer eumelanínu k feomelanínu, čo vedie nielen k tmavšej pokožke, ale aj k väčšej schopnosti absorbovať UV žiarenie. Na druhej strane ľudia žijúci v chladnejších oblastiach s menším slnečným žiarením vykazujú nižší pomer eumelanínu k pheomelanínu, a preto sú náchylnejší k poškodeniu UV žiarením vrátane rakoviny.

V roku 2015 vedci z Yale University uviedli, že našli spôsob, akým UV svetlo reaguje v melaníne u myší spôsobom, ktorý podporuje tvorbu rakoviny v priebehu niekoľkých hodín. Zdalo sa, že to zdôrazňuje vynikajúco „dvojsečný“ charakter melanínu. Zdá sa, že pre každú oblasť, v ktorej môže slúžiť ako zdravotný majetok, existuje zdravotná zodpovednosť niekde inde.

Iné fyziologické úlohy melanínu

Vitamín D, ktorý je dôležitý pri manipulácii s minerálnymi vápnikmi v tele tela, musí byť po požití vystavený UV žiareniu, aby sa mohol premeniť na svoju aktívnu formu. To znamená, že ľudia žijúci v severných zemepisných šírkach sú vo všeobecnosti náchylnejší na nedostatok vitamínu D, pretože ich telá v priemere dostávajú v priebehu roka menej slnečného svetla ako ľudia bližšie k rovníku.

Ďalším dôsledkom vzťahu medzi UV svetlom a melanínom je však to, že tmavšie pleti, bez ohľadu na to, kde žijú (ale najmä ľudia vo veľmi severných alebo južných polohách), by sa mali sledovať kvôli problémom s hladinou vitamínu D, pretože ich vysoká hladina hustota melanozómov, zatiaľ čo poskytuje ochranu pred nebezpečenstvom UV lúčov, tiež vylučuje ich niekoľko priaznivých účinkov.

Mnohé vzťahy medzi UV svetlom, melanínom a správaním pokožky sa ešte musia úplne objasniť. Napríklad je známe, že podávanie UV svetla na pokožku môže krátkodobo potlačiť imunitné funkcie. To môže byť žiaduce pri pokusoch o kontrolu vzplanutia zápalových stavov kože imunitnou zložkou, ako je napríklad psoriáza.

Akákoľvek imunitná úloha, ktorú môže melanín v tele hrať, zostáva objasniť.

Choroby súvisiace s melanínom

Je známych veľa klinických stavov, ktoré zahŕňajú poruchy syntézy a transportu melanínu. Tieto môžu ovplyvniť každý krok procesu tvorby melanínu a distribúcie melanínu.

Tie obsahujú:

Poruchy melanoblastov. Tieto bunky, ako si možno pamätáte, sú prekurzormi melanocytov. Mali by migrovať zo svojich miest formovania v embryonálnom a fetálnom vývoji na miesta, kde budú nakoniec hrať pridelené úlohy.

Niekedy sa však melanoblasty nedostanú tam, kam majú ísť. Jeden výsledok je Waardenburgov syndróm, kde postihnuté osoby majú oblasti veľmi svetlej kože a predčasne sivých vlasov kvôli tomu, že sa melanoblasty nezačali usadiť v týchto oblastiach skôr v živote.

Poruchy melanocytov. Medzi najznámejšie z nich patrí stav nazývaný vitiligo, ktorý zahrnuje autoimunitne sprostredkovanú deštrukciu melanocytov nejednotným spôsobom v celej koži.

V dôsledku asymetrického spôsobu, akým telo útočí na svoje vlastné bunky, pokožka vykazuje zreteľné škvrny svetlej kože zmiešané s neovplyvnenými oblasťami kože.

Poruchy melanozómov. Dve z najbežnejších porúch týkajúcich sa úložísk melanínu sú Chédiak-Higashiho syndróm a Griscelliho syndróm, ktoré zahŕňajú viditeľné problémy s pigmentáciou pokožky, ale zahŕňajú aj účinky v iných systémoch tela.

Pri syndróme Chédiak-Higashi, ktorý môže produkovať albinizmus (takmer úplný nedostatok pigmentácie v koži a očiach) sa predpokladá, že génová mutácia zodpovedná za melanínovú zložku poruchy tiež bráni syntéze dôležitých chemikálií imunitného systému.

Poruchy súvisiace s tyrozinázou. Tyrozináza je enzým alebo biologický katalyzátorový proteín, ktorý premieňa medziprodukt pri syntéze melanínu a feomelanínu nazývaný dihydroxyfenylalanín na dopaquinón. Ak tento enzým nefunguje správne alebo chýba, syntetická dráha melanínu sa môže narušiť.

Napríklad v prípade dedičnej choroby fenylketonúria (PKU), zlyhanie iného enzýmu vedie k významnému hromadeniu fenylalanínu, ktorý má sekundárne inhibičné účinky na tyrozinázu. To vedie k nerovnomernej pokožke vďaka "downstream" zníženiu syntézy melanínu.