Η Χημεία της Μελανίνης

Περιεχόμενο

• Χημική δομή μελανίνης
• Εναλλακτικός χημικός τύπος Melanin
• Βασικά στοιχεία του χρώματος του δέρματος
• Άλλοι παράγοντες στο χρώμα του δέρματος
• Τύποι μελανίνης
• Οι λειτουργίες της μελανίνης
• Προστασία μελανίνης και UV
• Άλλοι φυσιολογικοί ρόλοι της μελανίνης
• Ασθένειες που σχετίζονται με την μελανίνη

Η μελανίνη είναι μια σκοτεινή, φυσική χρωστική που έρχεται σε διάφορες μορφές και είναι υπεύθυνη για μεγάλο μέρος του χρώματος του δέρματος στους ανθρώπους. Παράγεται από κύτταρα που ονομάζονται μελανοκύτταρα, τα οποία κάθονται στο βαθύτερο μέρος του εξωτερικού στρώματος του δέρματος. Μεγάλο μέρος αυτής της μελανίνης βρίσκει το δρόμο της σε κύτταρα που ονομάζονται κερατινοκύτταρα, τα οποία είναι πολύ περισσότερα από τα μελανοκύτταρα.

Μετά τη σύνθεση της μελανίνης αποθηκεύεται σε οργανισμούς που ονομάζονται μελανοκύτταρα μελανοσώματα. Το πιο κοινό από τα διάφορα είδη μελανίνης ονομάζεται eumelanin, που σημαίνει "καλή μελανίνη". Όταν πολλά αιμοελλανίνη υπάρχουν σε υψηλότερες ποσότητες, προκύπτει πιο σκοτεινό, πιο καφέ χρώμα του δέρματος, ενώ η χαμηλή πυκνότητα αυτού του χρωστικού εμφανίζεται σε άτομα με ελαφρύτερο δέρμα.

Όταν οι άνθρωποι εμφανίζουν διαφορές στο χρώμα του δέρματος που προκύπτουν κυρίως από τις διαφορές στο περιεχόμενο της μελανίνης στο δέρμα, αυτό δεν οφείλεται στο γεγονός ότι οι άνθρωποι διαφέρουν ευρέως όσον αφορά το δέρμα αριθμός των μελανοκυττάρων που έχουν. Αντίθετα, μερικοί λαοί άτομο τα μελανοκύτταρα είναι πολύ πιο δραστικά από αυτά που βρίσκονται σε άλλα.

Χημική δομή μελανίνης

Όπως πολλές ουσίες στο σώμα, η χημική σύνθεση της μελανίνης περιλαμβάνει ένα μείγμα άνθρακα, υδρογόνου, οξυγόνου και αζώτου. ο χημικός τύπος μελανίνης είναι C₁₈H₁₀Ν₂Ο₄, δίνοντας μελανίνη μοριακού βάρους ή μοριακής μάζας 318 γραμμάρια ανά γραμμομόριο (γραμμομόριο / γραμμομόριο).

(Για ιστορικούς λόγους, α ΕΛΙΑ δερματος είναι η ποσότητα μιας ουσίας σε γραμμάρια που περιέχει 6 x 10 ²³ μόρια, και είναι ένα βασικό μέτρο μεγέθους μορίων.)

Η μελανίνη αποτελείται από τρεις εξαμελείς δακτυλίους (έξι άτομα διατεταγμένοι γύρω από ένα κεντρικό σημείο) σε μια γραμμή, η καθεμία με πενταμελή δακτύλιο τοποθετημένη σε μία από τις γωνίες μεταξύ της ίδιας και της γειτονιάς της. Αυτοί οι πενταμελείς δακτύλιοι περιέχουν το καθένα ένα από τα δύο άτομα αζώτου στη μελανίνη και κάθονται στις αντίθετες πλευρές του μορίου.

Τα τέσσερα άτομα οξυγόνου στη μελανίνη δεσμεύονται σε άνθρακα στον δακτύλιο έξι ατόμων σε κάθε άκρο, δύο σε κάθε δακτύλιο. Αυτά είναι διπλά συνδεδεμένα και οι διατάξεις C = O βρίσκονται σε αντίθετες πλευρές του δακτυλίου από όπου συνδέονται οι πενταμελείς δακτύλιοι.

Εναλλακτικός χημικός τύπος Melanin

Εάν επιθυμείτε να εκφράσετε τον τύπο για τη μελανίνη με πιο σαφή μορφή χωρίς να καταφύγετε σε ένα μοντέλο, θα μπορούσατε να το γράψετε με τη μορφή που χρησιμοποιείται στο Simplified Molecular Input Line-Entry System (SMILES):

CC1 = C2C3 = C (C4 = CNC5 = C (= C) = C

όπου οι αριθμοί δεν είναι δείκτες αλλά αναφορές στις αριθμητικές θέσεις των ατόμων μέσα σε μεμονωμένους δακτυλίους. Τα άτομα υδρογόνου στη μελανίνη δεν συμπεριλαμβάνονται, αλλά ο αριθμός και οι θέσεις τους μπορούν να προσδιοριστούν συμπληρώνοντας οποιαδήποτε "κενά" στην παραπάνω δομή, έχοντας κατά νου ότι κάθε άνθρακας σχηματίζει τέσσερις δεσμούς.

Βασικά στοιχεία του χρώματος του δέρματος

Το ανθρώπινο δέρμα έχει τρία στρώματα, τα οποία από την εξώτατη έως την εσώτερη είναι η επιδερμίδα, το χόριο και το υποδόριο στρώμα ιστού. Η επιδερμίδα είναι η ίδια χωρισμένη σε πολυάριθμα στρώματα, το βαθύτερο από τα οποία ονομάζεται stratum germinativum (μερικές φορές ονομάζεται βασική στοιβάδα). Αυτό το στρώμα, το οποίο γειτνιάζει με τη βασική μεμβράνη που διαχωρίζει την επιδερμίδα από το χόριο, είναι όπου παράγονται μελανοκύτταρα.

Στη μικροσκοπία, τα μελανοκύτταρα έχουν ένα χαρακτηριστικό ανώμαλο σχήμα. Ο βαθμός στον οποίο τα μελανοκύτταρα παράγουν μελανίνη εξαρτάται από το βαθμό στον οποίο είναι το γονίδιο για τη μελανίνη εκφράζεται, ή είναι ενεργοποιημένη. Σκεφτείτε την "έκφραση γονιδίων" ως ενεργοποίηση ενός διακόπτη σε ένα εργοστάσιο για να δημιουργήσετε ένα συγκεκριμένο προϊόν, στην περίπτωση αυτή μια πρωτεΐνη.

Σχεδόν όλοι οι άνθρωποι έχουν πολλά εργοστάσια μελανίνης (μελανοκύτταρα), αλλά ο βαθμός στον οποίο τα άτομα που χρησιμοποιούν αυτά τα "εργοστάσια" ποικίλλει σημαντικά μεταξύ των ατόμων και των εθνοτικών πληθυσμών.

Άλλοι παράγοντες στο χρώμα του δέρματος

Το ηλιακό φως ενεργοποιεί την παραγωγή μελανίνης σε κάποιο βαθμό στους περισσότερους ανθρώπους. αυτή είναι η διαδικασία της βραχυπρόθεσμης σκουρόχρωσης του δέρματος γνωστή ως "μαύρισμα". Η μελανίνη που παράγεται από ελαφρύ ερέθισμα δρα για να προστατεύσει το υπόλοιπο σώμα σε κάποιο βαθμό από την επιβλαβή υπεριώδη ακτινοβολία (UV) στην ηλιακή ακτινοβολία.

Όταν το σώμα δεν αισθάνεται πλέον μια αφθονία των ακτίνων UV στο περιβάλλον, όπως συμβαίνει το φθινόπωρο και το χειμώνα, η αντιληπτή ανάγκη για παραγωγή μελανίνης μειώνεται επίσης και το δέρμα τείνει να ελαφρύνει κατά τη διάρκεια αυτών των εποχών.

Επίσης, ενώ τα μελανοκύτταρα παράγουν μελανίνη καθώς και την αποθηκεύουν και την απελευθερώνουν, τα πολύ πιο διαδεδομένα επιδερμικά κύτταρα γνωστά ως κερατινοκύτταρα τελειώνει ως ο μεγαλύτερος παραλήπτης της χρωστικής ουσίας. Η κίνηση της μελανίνης από τα μελανοκύτταρα στα κερατινοκύτταρα διευκολύνεται από τα πολλά πλοκάμια (έως και 40) που εκτείνονται προς τα έξω από κάθε μελανοκύτταρο.

Τα μελανοσώματα που σχηματίζονται στα μελανοκύτταρα μετακινούνται στα κερατινοκύτταρα και τοποθετούνται μεταξύ της κυτταρικής μεμβράνης και του πυρήνα, βοηθώντας στην προστασία του ϋΝΑ (δεοξυριβονουκλεϊνικού οξέος, του «γενετικού υλικού» των ανθρώπων και όλων των γνωστών μορφών ζωής)

Τύποι μελανίνης

Ενώ η eumelanin είναι ο πιο άφθονος τύπος μελανίνης που παράγεται από τον άνθρωπο, είναι μακράν ο μόνος κοινός τύπος. Υπάρχει σε δύο άλλες κύριες μορφές, φαιομελανίνη και neuromelanin. Η ουσία Eumelanin και η φαιομελανίνη έχουν πολλά κοινά λειτουργικά και χημικά, ενώ η νευρομελανίνη είναι κάτι σαν απατεώνες.

Η ουσία Eumelanin και η φαιομελανίνη παράγονται και από τα μελανοκύτταρα στο χαμηλότερο στρώμα (στρώμα) της επιδερμίδας. Αυτά τα κύτταρα αρχίζουν ως μελανοβλάστες σε ιστό που προέρχεται από τον νευρικό σωλήνα κατά τη διάρκεια της ανθρώπινης εμβρυϊκής ανάπτυξης. Η σύνθεση καθεμιάς από αυτές αρχίζει με τυροσίνη, ένα μόριο στενά συνδεδεμένο με το αμινοξύ φαινυλαλανίνη. Η τυροσίνη μετατρέπεται σύντομα σε ντοπακινόνη, η οποία μπορεί να ακολουθήσει μια σειρά από διαφορετικές χημικές οδούς που τελικά οδηγούν στην παραγωγή μελανίνης.

Η νευρομελανίνη παράγεται στον εγκέφαλο ως μέρος της αποσύνθεσης του νευροδιαβιβαστή ντοπαμίνη, μια άλλη στενή χημική συγγένεια φαινυλαλανίνης και τυροσίνης. Αυτό συμβαίνει σε ένα μέρος του εγκεφάλου που ονομάζεται μέλαινα ουσία. Η νευρομελανίνη, σε αντίθεση με τις άλλες δύο μορφές ανθρώπινης μελανίνης, δεν συμμετέχει στον προσδιορισμό του χρώματος του δέρματος.

Οι λειτουργίες της μελανίνης

Οι μελανίνες ισχυρίζονται ότι η βιολογική φήμη είναι η συμβολή τους στο χρώμα του δέρματος, αλλά εκτελεί επίσης αρκετές σχετικές και άσχετες φυσιολογικές λειτουργίες. Η μελανίνη επηρεάζει το χρώμα των μαλλιών και προστατεύει επίσης το δέρμα και τα μάτια από ελαφρές βλάβες από τον ήλιο και άλλες πηγές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Η Eumelanin είναι πιο καφέ-μαύρου χρώματος, ενώ η φαιομελανίνη είναι πιο κιτρινωπό-κόκκινο. Το υπερβολικό χρώμα ενός δέρματος προσώπου προσδιορίζεται από ένα συνδυασμό της αναλογίας αυτών των δύο τύπων μελανίνης και της συνολικής πυκνότητας των μελανοσωμάτων εντός των μεμονωμένων κυττάρων.

Επίσης, κυριαρχούν διαφορετικοί τύποι μελανίνης σε διαφορετικά μέρη του σώματος στο ίδιο άτομο. Για παράδειγμα, τα χείλη, τα οποία είναι πιο ροζ, είναι υψηλότερα στη φαιομελανίνη.

Το δέρμα που είναι ελαφρύτερο σε χρώμα έχει συνήθως πυκνότητα δύο ή τριών μελανοσωμάτων ανά σύμπλεγμα μέσα στα μελανοκύτταρα, ενώ το σκουρόχρωμο δέρμα χαρακτηρίζεται από περισσότερο "κινητά" μελανοκύτταρα, καθώς αυτά τα κοκκία είναι περισσότερο διατεθειμένα να εξαπλωθούν σε γειτονικά κερατινοκύτταρα.

Προστασία μελανίνης και UV

Σε κάποιο σημείο της ανθρώπινης εξέλιξης, διαφορετικοί πληθυσμοί ατόμων εγκαθίστανται πολύ μακριά ο ένας από τον άλλο, με ορισμένους να παραμένουν πιο κοντά στον ισημερινό και άλλοι να στραφούν προς τα βόρεια γεωγραφικά πλάτη, κυρίως στην Ευρώπη. Ως επακόλουθο της ύπαρξης σε ένα πιο ηλιόλουστο και θερμότερο περιβάλλον, οι άνθρωποι πιο κοντά στον ισημερινό έχασαν μεγάλο μέρος της τρίχας του σώματος τους σε σχέση με τους πιο βόρειους ομολόγους τους.

Αυτή η αλλαγή στη σχετική κατανομή των μαλλιών πιστεύεται ότι προκάλεσε τη διαφορική ανάπτυξη της μελανογένεσης σε διάφορους πληθυσμούς παγκοσμίως. Οι άνθρωποι που ζουν πιο κοντά στον ισημερινό επιδεικνύουν πλέον υψηλότερη αναλογία ορμόνης eumelanin στη φαιομελανίνη, που προκύπτει όχι μόνο από το πιο σκούρο δέρμα αλλά με μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης της υπεριώδους ακτινοβολίας. Οι άνθρωποι που ζουν σε ψυχρότερες περιοχές με λιγότερη ηλιακή ακτινοβολία, από την άλλη πλευρά, δείχνουν χαμηλότερη αναλογία αιμυλαλανίνης στη φαιομελανίνη και συνεπώς είναι πιο ευαίσθητες στη βλάβη από την υπεριώδη ακτινοβολία, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου.

Το 2015, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Yale ανέφεραν ότι είχαν βρει έναν τρόπο με τον οποίο το υπεριώδες φως αντιδρά σε μελανίνη σε ποντίκια με τρόπο που προάγει τον σχηματισμό καρκίνου σε λίγες ώρες. Αυτό φάνηκε να υπογραμμίζει την εξαιρετικά "διπλή" φύση της μελανίνης. Για κάθε τομέα στον οποίο μπορεί να χρησιμεύσει ως περιουσιακό στοιχείο υγείας, φαίνεται να παρουσιάζει μια ευθύνη για την υγεία κάπου αλλού.

Άλλοι φυσιολογικοί ρόλοι της μελανίνης

Η βιταμίνη D, η οποία είναι σημαντική στο χειρισμό του σώματος του μεταλλικού ασβεστίου, πρέπει να υπόκειται σε υπεριώδη ακτινοβολία προκειμένου να μετατραπεί στην ενεργό μορφή της μετά την κατάποση. Αυτό σημαίνει ότι οι άνθρωποι που ζουν στα βόρεια γεωγραφικά πλάτη γενικά είναι πιο ευαίσθητοι σε ανεπάρκεια βιταμίνης D, επειδή το σώμα τους κατά μέσο όρο λαμβάνει λιγότερα ηλιακά φως καθ 'όλη τη διάρκεια του έτους από ό, τι οι άνθρωποι πλησιέστεροι στον ισημερινό.

Μια άλλη επιρροή της σχέσης μεταξύ φως UV και μελανίνης, ωστόσο, είναι ότι οι άνθρωποι με σκουρότερο δέρμα, ανεξάρτητα από τον τόπο που ζουν (αλλά κυρίως εκείνοι που βρίσκονται σε βόρειες ή νότιες θέσεις), θα πρέπει να παρακολουθούνται για προβλήματα με τα επίπεδα βιταμίνης D, η πυκνότητα των μελανοσωμάτων, παρέχοντας παράλληλα προστασία από τους κινδύνους των υπεριώδους ακτινοβολίας, αλλάζει και τις λίγες ευεργετικές τους επιδράσεις.

Ορισμένες σχέσεις μεταξύ του φωτός UV, της μελανίνης και της συμπεριφοράς του δέρματος δεν έχουν ακόμη διευκρινιστεί πλήρως. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι η χορήγηση υπεριώδους φωτός στο δέρμα μπορεί να καταστείλει τη λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος βραχυπρόθεσμα. Αυτό μπορεί να είναι επιθυμητό όταν προσπαθεί κανείς να ελέγξει τις φλεγμονές φλεγμονωδών δερματικών παθήσεων με ένα ανοσοποιητικό συστατικό, όπως η ψωρίαση.

Οποιοσδήποτε και αν είναι ο ανοσολογικός ρόλος που μπορεί να διαδραματίσει η μελανίνη στο σώμα, πρέπει να διασαφηνιστεί.

Ασθένειες που σχετίζονται με την μελανίνη

Ορισμένες κλινικές καταστάσεις που αφορούν διαταραχές στην σύνθεση μελανίνης και τη μεταφορά είναι γνωστές. Αυτά μπορεί να επηρεάσουν κάθε στάδιο της διαδικασίας σχηματισμού μελανίνης και διανομής μελανίνης.

Αυτά περιλαμβάνουν:

Διαταραχές μελανοβλαστών. Αυτά τα κύτταρα, όπως ίσως θυμάστε, είναι οι πρόδρομοι των μελανοκυττάρων. Υποτίθεται ότι θα μεταναστεύσουν από τους τόπους σχηματισμού τους σε εμβρυϊκή και εμβρυακή ανάπτυξη στους χώρους όπου τελικά θα παίξουν τους καθορισμένους ρόλους τους.

Ωστόσο, μερικές φορές οι μελανοβλάστες δεν καταφέρνουν να φτάσουν εκεί που πρέπει να πάνε. Ένα αποτέλεσμα είναι Σύνδρομο Waardenburg, στην οποία τα άτομα που έχουν προσβληθεί έχουν περιοχές πολύ ελαφρού δέρματος και πρόωρα γκρίζα μαλλιά λόγω της αποτυχίας των μελανοβλαστών να εγκατασταθούν στις περιοχές αυτές νωρίτερα στη ζωή τους.

Διαταραχές μελανοκυττάρων. Μεταξύ των πιο διαβόητων αυτών είναι η κατάσταση που ονομάζεται λεύκη, η οποία περιλαμβάνει την αυτοάνοση μεσολαβούμενη καταστροφή μελανοκυττάρων με μη ομοιόμορφο τρόπο σε όλο το δέρμα.

Λόγω του ασύμμετρου τρόπου με τον οποίο το σώμα προσβάλλει τα κύτταρα του, το δέρμα εμφανίζει ξεχωριστές επιφάνειες ελαφρού δέρματος που αναμειγνύονται με ανεπηρέαστες περιοχές του δέρματος.

Διαταραχές των μελανοσωμάτων. Δύο από τις πιο συχνές διαταραχές που αφορούν τις θέσεις αποθήκευσης μελανίνης είναι Σύνδρομο Chédiak-Higashi και Σύνδρομο Griscelli, αμφότερα τα οποία περιλαμβάνουν ορατά ζητήματα χρώσης του δέρματος, αλλά περιλαμβάνουν και επιδράσεις σε άλλα συστήματα σώματος.

Στο σύνδρομο Chédiak-Higashi, το οποίο μπορεί να παράγει αλβινισμός (σχεδόν ολική έλλειψη χρωματισμού στο δέρμα και στα μάτια), πιστεύεται ότι η μετάλλαξη γονιδίων που είναι υπεύθυνη για το συστατικό μελανίνης της διαταραχής εμποδίζει επίσης τη σύνθεση σημαντικών χημικών ουσιών του ανοσοποιητικού συστήματος.

Διαταραχές που σχετίζονται με την τυροσινάση. Η τυροσινάση είναι το ένζυμο ή πρωτεΐνη βιολογικού καταλύτη, που μετατρέπει μια ενδιάμεση ένωση σε μελανίνη και σύνθεση φαιομελανίνης, που ονομάζεται διυδροξυφαινυλαλανίνη, σε ντοπακινόνη. Όταν αυτό το ένζυμο αποτύχει να λειτουργήσει σωστά ή απουσιάζει, η συνθετική πορεία της μελανίνης μπορεί να διαταραχθεί.

Για παράδειγμα, στην κληρονομική ασθένεια φαινυλοκετονουρία (PKU), η αποτυχία ενός διαφορετικού ενζύμου οδηγεί σε σημαντική συσσώρευση φαινυλαλανίνης, η οποία έχει δευτερογενή, ανασταλτικά αποτελέσματα στην τυροσινάση. Αυτό οδηγεί σε αποσπασματικό δέρμα χάρη σε μια "downstream" μείωση της σύνθεσης μελανίνης.