Хімія меланіну

Зміст

• Хімічна структура меланіну
• Альтернативна хімічна формула меланіну
• Основи кольору шкіри
• Інші чинники кольору шкіри
• Види меланіну
• Функції меланіну
• Меланін та УФ-захист
• Інші фізіологічні ролі меланіну
• Хвороби, пов’язані з меланіном

Меланін - це темний пігмент, що зустрічається в природі, який випускається в декількох формах і відповідає за велику кількість кольору шкіри у людини. Він виробляється клітинами, званими меланоцити, які сидять у найглибшій частині самого зовнішнього шару шкіри. Значна частина цього меланіну проникає в клітини, що називаються кератиноцити, яких набагато більше, ніж меланоцити.

Після синтезу меланіну він зберігається в органах, що називаються меланоцитами меланосоми. Найбільш поширений з різних видів меланіну називають еумеланін, що означає "хороший меланін". Коли велика кількість еумеланіну присутня у більших кількостях, виходить більш темний і коричневий колір шкіри, тоді як низька щільність цього пігменту спостерігається у людей зі світлою шкірою.

Коли люди виявляють відмінності в кольорі шкіри, що виникають, головним чином, від відмінностей у вмісті меланіну шкіри, це не тому, що люди сильно відрізняються з точки зору число меланоцитів у них є. Натомість деякі народи індивідуальний меланоцити набагато активніші, ніж в інших.

Хімічна структура меланіну

Як і багато речовин в організмі, хімічний склад меланіну включає суміш вуглецю, водню, кисню та азоту. The хімічна формула меланіну є С₁₈Н₁₀N₂О₄, що дає меланіну молекулярну масу або молярну масу 318 грам на моль (г / моль).

(З історичних причин, a моль - кількість речовини в грамах, яке містить 6 х 10 ²³ молекул і є основним показником розміру молекул.)

Меланін складається з трьох шестичленних кілець (шість атомів, розташованих навколо центральної точки) по лінії, кожне з п'ятичленним кільцем, розташованим 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 вуглецем на шестиатомному кільці на кожному кінці, по два на кожне кільце. Вони подвійні, і C = O розташування лежить на протилежних сторонах кільця, звідки прикріплені п'ятичленні кільця.

Альтернативна хімічна формула меланіну

Якщо ви хотіли б висловити формулу меланіну в більш чіткому вигляді, не вдаючись до малювання моделі, ви можете написати її у формі, що використовується у спрощеній системі введення лінійно-молекулярного 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 підписами, а посиланнями на числові положення атомів у межах окремих кілець. Атоми водню в меланіні не включаються, але їх кількість та положення можна визначити, заповнивши будь-які «прогалини» у вищевказаній структурі, маючи на увазі, що кожен вуглець утворює чотири зв’язки.

Основи кольору шкіри

Шкіра людини має три шари, які від зовнішнього до внутрішнього є епідермісом, дермою та підшкірним шаром тканини. Епідерміс сам по собі розділений на численні шари, найглибший з яких називається о stratum germinativum (іноді називається страта базале). Цей шар, який примикає до базальної мембрани, що відокремлює епідерміс від дерми, саме там виробляються меланоцити.

При мікроскопії меланоцити мають характерну неправильну форму. Те, наскільки меланоцити продукують меланін, залежить від того, наскільки є геном меланіну вираженийабо увімкнено. Подумайте про "експресію генів" як включення перемикача на заводі для виготовлення певного продукту, в даному випадку білка.

Практично всі люди мають багато "фабрик" меланіну (меланоцитів), але те, наскільки люди використовують ці "заводи" для використання, різняться як між окремими людьми, так і з етнічними групами населення.

Інші чинники кольору шкіри

Сонячне світло певною мірою запускає вироблення меланіну у більшості людей; це процес короткочасного потемніння шкіри, відомий як «загар». Меланін, що утворюється за рахунок світлового подразника, діє певною мірою захищати іншу частину тіла від шкідливого ультрафіолетового (УФ) випромінювання при сонячному промені.

Коли організм більше не відчуває великої кількості ультрафіолетових променів у навколишньому середовищі, як це відбувається восени та взимку, відчувається потреба у виробництві меланіну також зменшується, і шкіра має тенденцію до світлішого у ці сезони.

Крім того, хоча меланоцити виробляють меланін, а також зберігають його та вивільняють, набагато більш поширені клітини епідермісу, відомі як кератиноцити завершився як найбільший одержувач пігменту. Рух меланіну від меланоцитів до кератиноцитів сприяє безліч щупалець (до 40 або більше), що виходять назовні від кожного меланоциту.

Меланосоми, що утворюються в меланоцитах, подорожують до кератиноцитів і розташовуються між клітинною мембраною та ядром, допомагаючи захищати ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота, "генетичний матеріал" людини та всі відомі життєві форми) всередині цього ядра від ураження УФ-випромінюванням.

Види меланіну

Хоча еумеланін - найпоширеніший тип меланіну, що виробляється людиною, він далеко не єдиний поширений тип. Він існує в двох інших основних формах, феомеланін і нейромеланін. Еумеланін та феомеланін мають багато спільного функціонально та хімічно, тоді як нейромеланін - це щось негідне.

Еумеланін і феомеланін виробляються меланоцитами в найнижчому шарі (шарі) епідермісу. Ці клітини починаються як меланобласти в тканини, яка виводиться з нервової трубки під час ембріонального розвитку людини. Синтез кожного з них починається з тирозину, молекули, тісно пов'язаної з амінокислотою фенілаланіном. Незабаром тирозин перетворюється на допахінон, який може слідувати низкою різних хімічних шляхів, які в кінцевому рахунку призводять до вироблення меланіну.

Нейромеланін виробляється в головному мозку як частина розкладання нейромедіатора дофамін, інший близький хімічний родич фенілаланіну та тирозину. Це відбувається в частині мозку під назвою " substantia nigra. Нейромеланін, на відміну від двох інших форм меланіну людини, не є учасником визначення кольору шкіри.

Функції меланіну

Меланіни претендують на біологічну славу - це її внесок у колір шкіри, але він також виконує ряд споріднених і неспоріднених фізіологічних функцій. Меланін впливає на колір волосся, а також захищає шкіру та очі від легких пошкоджень від сонця та інших джерел електромагнітного випромінювання.

Еумеланін більш коричнево-чорного кольору, тоді як феомеланін більш жовтувато-червоний. Забарвлення шкіри особи визначається поєднанням співвідношення цих двох типів меланіну та загальної щільності меланосом у межах окремих клітин.

Також різні типи меланіну переважають у різних частинах тіла у однієї особини. Наприклад, губи, які рожевіші, більше феомеланіну.

Шкіра більш світлого кольору зазвичай має щільність дві-три меланосоми на скупчення в межах меланоцитів, тоді як більш темна шкіра має більш «рухливі» меланоцити, оскільки ці гранули більш схильні до поширення на сусідні кератиноцити.

Меланін та УФ-захист

У якийсь момент еволюції людини різні популяції індивідів оселилися далеко один від одного, деякі залишилися ближче до екватора, а інші схилялися до північних широт, спочатку переважно в Європі. Як наслідок перебування у сонячному та гарячішому середовищі, люди, які знаходяться ближче до екватора, втратили велику частину волосся на тілі у порівнянні зі своїми більш північними колегами.

Вважається, що ця зміна у відносному розподілі волосся спричинила диференціальний розвиток меланогенезу у різних популяцій у всьому світі. Люди, що живуть ближче до екватора, зараз демонструють більш високе співвідношення еумеланіну та феомеланіну, що призводить не тільки до більш темної шкіри, але до більшої здатності поглинати УФ-випромінювання. Люди, які живуть у прохолодніших районах із меншим сонячним світлом, з іншого боку, демонструють менше співвідношення еумеланіну та феомеланіну, а отже, більш схильні до ультрафіолетового ураження шкіри, включаючи рак.

У 2015 році дослідники Єльського університету повідомили, що вони знайшли спосіб реагування УФ-світла на меланін у мишей таким чином, що сприяє утворенню раку за лічені години. Це ніби підкреслювало вишукану "двостулкову" природу меланіну. Для кожної сфери, в якій вона може слугувати медичним активом, здається, що існує відповідальність за охорону здоров'я десь в іншому місці.

Інші фізіологічні ролі меланіну

Вітамін D, який важливий при лікуванні мінеральним кальцієм, повинен піддаватися дії ультрафіолетового світла, щоб перетворити його на активну форму після його прийому. Це означає, що люди, що живуть на північних широтах, як правило, більш чутливі до дефіциту вітаміну D, оскільки їх тіла в середньому протягом року отримують менше сонячного світла, ніж люди, що знаходяться ближче до екватора.

Ще одне значення взаємозв'язку між ультрафіолетовим світлом та меланіном полягає в тому, що люди з темнішими шкірами, незалежно від місця їх проживання (але особливо в північних чи південних регіонах), повинні контролюватись щодо проблем із рівнем вітаміну D, оскільки їх високий щільність меланосом, надаючи захист від небезпеки УФ-променів, також викриває їх небагато корисних ефектів.

Ряд взаємозв'язків між УФ-світлом, меланіном та поведінкою шкіри ще не повністю з'ясований. Відомо, наприклад, що введення ультрафіолетового світла в шкіру може придушити імунну функцію за короткий термін. Це може бути бажано при спробі контролювати спалахи шкірних захворювань із імунною складовою, наприклад, псоріаз.

Яку б роль імунітету меланін не грав у організмі, залишається з’ясувати.

Хвороби, пов’язані з меланіном

Добре відомі ряд клінічних станів, пов'язаних із порушеннями синтезу меланіну та транспорту. Вони можуть впливати на кожен етап процесу утворення меланіну та розподілу меланіну.

До них належать:

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

Однак іноді меланобласти не встигають туди, куди вони повинні йти. Один результат Синдром Ваарденбурга, в яких у людей, які постраждали, є ділянки з дуже світлою шкірою і передчасно сивим волоссям через те, що меланобласти не могли проживати в цих районах на початку життя.

Порушення меланоцитів. Серед більш горезвісних із них - умова, що називається вітіліго, що передбачає аутоімунно опосередковане руйнування меланоцитів неоднорідним способом по всій шкірі.

Через асиметричний спосіб, яким організм атакує власні клітини, шкіра виявляє виразні плями легкої шкіри, що переплітаються з незараженими ділянками шкіри.

Розлади меланосом. Два найпоширеніші порушення, пов’язані з місцями зберігання меланіну Синдром Чедіак-Хігасі і Синдром ГрісчелліОбидва вони пов'язані з видимими проблемами пігментації шкіри, але також включають в себе і інші системи організму.

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

Розлади, пов'язані з тирозиназою. Тирозиназа - це фермент, або біологічний білок каталізатора, який перетворює проміжну сполуку в синтезі меланіну та феомеланіну, звану дигідроксифенілаланін, в допахінон. Якщо цей фермент не працює належним чином або його немає, синтетичний шлях меланіну може бути порушений.

Наприклад, при спадковому захворюванні фенілкетонурія (ПКУ), вихід з ладу іншого ферменту призводить до значного накопичення фенілаланіну, який надає вторинну, гальмівну дію на тирозиназу. Це призводить до появи плямистої шкіри завдяки зменшенню синтезу меланіну "вниз за течією".