The Chemistry of Melanin

Inhoud

• Melanine chemische structuur
• Alternatieve chemische formule van melanine
• Basisprincipes van de huidskleur
• Andere factoren in huidskleur
• Soorten melanine
• De functies van melanine
• Melanine en UV-bescherming
• Andere fysiologische rollen van melanine
• Ziekten gerelateerd aan Melanine

Melanine is een donker, natuurlijk voorkomend pigment dat in verschillende vormen voorkomt en verantwoordelijk is voor veel van de huidskleur bij mensen. Het wordt geproduceerd door cellen genaamd melanocyten, die zich in het diepste deel van de buitenste huidlaag bevinden. Veel van deze melanine vindt zijn weg in cellen genaamd keratinocyten, die veel talrijker zijn dan melanocyten.

Nadat melanine is gesynthetiseerd, wordt het opgeslagen in lichamen in melanocyten genoemd melanosomen. De meest voorkomende van de verschillende soorten melanine wordt genoemd eumelanine, wat "goede melanine" betekent. Wanneer veel eumelanine in grotere hoeveelheden aanwezig is, ontstaat een donkerdere, meer bruine huidskleur, terwijl een lage dichtheid van dit pigment voorkomt bij mensen met een lichtere huid.

Wanneer mensen verschillen in huidskleur vertonen die voornamelijk het gevolg zijn van verschillen in melaninegehalte, is dit niet omdat mensen sterk verschillen in termen van de aantal van melanocyten die ze hebben. In plaats daarvan, sommige mensen individu melanocyten zijn veel actiever dan in andere.

Melanine chemische structuur

Zoals veel stoffen in het lichaam, bevat de chemische samenstelling van melanine een mengsel van koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof. De melanine chemische formule is C₁₈H₁₀N₂O₄, waardoor melanine een molecuulgewicht of molmassa heeft van 318 gram per mol (g / mol).

(Om historische redenen, a mol is de hoeveelheid van een stof in grammen die 6 x 10 bevat ²³ moleculen, en is een basismaat voor een moleculegrootte.)

Melanine bestaat uit drie zesledige ringen (zes atomen gerangschikt rond een centraal punt) in een lijn, elk met een vijfledige ring genesteld in een van de hoeken tussen zichzelf en zijn buur. Deze vijfringen bevatten elk een van de twee stikstofatomen in melanine en zitten aan weerszijden van het molecuul.

De vier zuurstofatomen in melanine zijn gebonden aan koolstofatomen op de zes-atoomring aan elk uiteinde, twee aan elke ring. Deze zijn dubbel gebonden en de C = O-opstellingen liggen aan tegenoverliggende zijden van de ring van waaruit de vijfledige ringen zijn bevestigd.

Alternatieve chemische formule van melanine

Als u de formule voor melanine in een meer expliciete vorm wilt uitdrukken zonder een model te hoeven tekenen, kunt u het schrijven in de vorm die wordt gebruikt in het 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

waarbij de nummers geen subscripts zijn, maar verwijzingen naar de numerieke posities van atomen in afzonderlijke ringen. Waterstofatomen in melanine zijn niet inbegrepen, maar hun aantal en posities kunnen worden bepaald door eventuele "gaten" in de bovenstaande structuur in te vullen, rekening houdend met het feit dat elke koolstof vier bindingen vormt.

Basisprincipes van de huidskleur

De menselijke huid heeft drie lagen, die van de buitenste tot de binnenste de opperhuid, de lederhuid en de onderhuidse weefsellaag zijn. De opperhuid is zelf verdeeld in verschillende lagen, waarvan de diepste de wordt genoemd Stratum germinativum (soms de stratum basale genoemd). Deze laag, die grenst aan het basale membraan dat de opperhuid van de lederhuid scheidt, is waar melanocyten worden geproduceerd.

Bij microscopie hebben melanocyten een kenmerkende onregelmatige vorm. De mate waarin melanocyten melanine produceren, hangt af van de mate waarin het gen voor melanine is uitgedruktof ingeschakeld. Zie "genexpressie" als het inschakelen van een schakelaar in een fabriek om een ​​bepaald product, in dit geval een eiwit, te maken.

Bijna alle mensen hebben veel melanine "fabrieken" (melanocyten), maar de mate waarin mensen deze "fabrieken" gebruiken, varieert sterk tussen zowel individuen als etnische populaties.

Andere factoren in huidskleur

Zonlicht veroorzaakt bij de meeste mensen tot op zekere hoogte melanineproductie; dit is het proces van huidverkleuring op korte termijn dat bekend staat als een 'kleurtje'. De melanine die wordt geproduceerd door lichtstimulans, beschermt de rest van het lichaam tot op zekere hoogte tegen schadelijke ultraviolette (UV) straling in zonlicht.

Wanneer het lichaam niet langer een overvloed aan UV-stralen in de omgeving waarneemt, zoals in de herfst en de winter, neemt de waargenomen behoefte aan melanineproductie ook af en de huid heeft de neiging om tijdens deze seizoenen lichter te worden.

Hoewel melanocyten melanine produceren, opslaan en vrijgeven, zijn de veel voorkomende epidermale cellen ook bekend als keratinocyten eindigen als de grootste ontvanger van het pigment. De beweging van melanine van melanocyten naar keratinocyten wordt vergemakkelijkt door de vele tentakels (tot 40 of zo) die zich vanuit elke melanocyte naar buiten uitstrekken.

Melanosomen gevormd in melanocyten reizen naar de keratinocyten en positioneren zich tussen het celmembraan en de kern, waardoor het DNA (deoxyribonucleïnezuur, het "genetische materiaal" van mensen en alle bekende levensvormen) in die kern wordt beschermd tegen schade door UV-straling.

Soorten melanine

Hoewel eumelanine het meest voorkomende type melanine is dat door mensen wordt geproduceerd, is het verre van het enige veel voorkomende type. Het bestaat in twee andere hoofdvormen, pheomelanin en neuromelanine. Eumelanine en pheomelanine hebben functioneel en chemisch veel gemeen, terwijl neuromelanine een schurk is.

Eumelanine en pheomelanine worden beide gemaakt door melanocyten in de onderste laag (laag) van de opperhuid. Deze cellen beginnen als melanoblasten in weefsel dat is afgeleid van de neurale buis tijdens de ontwikkeling van menselijke embryo's. De synthese van elk van deze begint met tyrosine, een molecuul nauw verwant aan het aminozuur fenylalanine. De tyrosine wordt snel omgezet in dopaquinon, dat een aantal verschillende chemische routes kan volgen die uiteindelijk resulteren in melanineproductie.

Neuromelanine wordt in de hersenen geproduceerd als onderdeel van de afbraak van de neurotransmitter dopamine, een ander nauw chemisch familielid van fenylalanine en tyrosine. Dit gebeurt in een deel van de hersenen dat het wordt genoemd zwarte kern. Neuromelanine is, in tegenstelling tot de andere twee vormen van menselijke melanine, geen deelnemer aan de bepaling van de huidskleur.

De functies van melanine

Melanines beweren dat biologische bekendheid de bijdrage is aan de huidskleur, maar het vervult ook een aantal gerelateerde en niet-gerelateerde fysiologische functies. Melanine beïnvloedt de haarkleur en het beschermt ook de huid en de ogen tegen lichtschade door de zon en andere bronnen van elektromagnetische straling.

Eumelanine is meer bruinzwart van kleur, terwijl pheomelanine meer geelachtig rood is. De overkleur van de huid van een persoon wordt bepaald door een combinatie van de verhouding van deze twee soorten melanine en de totale dichtheid van melanosomen in afzonderlijke cellen.

Ook overheersen verschillende soorten melanine in verschillende delen van het lichaam in hetzelfde individu. De lippen, die meer roze zijn, bevatten bijvoorbeeld meer pheomelanine.

Huid die lichter van kleur is, heeft typisch een dichtheid van twee of drie melanosomen per cluster binnen de melanocyten, terwijl een donkere huid meer "mobiele" melanocyten heeft, omdat deze korrels meer geneigd zijn zich te verspreiden naar naburige keratinocyten.

Melanine en UV-bescherming

Op een bepaald punt in de menselijke evolutie vestigden verschillende populaties van individuen zich ver van elkaar, waarbij sommige dichter bij de evenaar bleven en anderen zich richting noordelijke breedtegraden waagden, meestal eerst in Europa. Als gevolg van het feit dat ze zich in een zonnigere en warmere omgeving bevonden, verloren mensen dichter bij de evenaar veel van hun lichaamshaar in relatie tot hun meer noordelijke tegenhangers.

Het is deze verandering in relatieve haarverdeling waarvan wordt aangenomen dat deze de differentiële ontwikkeling van melanogenese in verschillende populaties wereldwijd heeft gestimuleerd. Mensen die dichter bij de evenaar wonen, vertonen nu een hogere verhouding van eumelanine tot pheomelanine, wat niet alleen resulteert in een donkerdere huid, maar ook in een groter vermogen om UV-straling te absorberen. Mensen die in koelere gebieden met minder zonlicht wonen, vertonen daarentegen een lagere verhouding van eumelanine tot pheomelanine en zijn daarom gevoeliger voor UV-huidschade, waaronder kanker.

In 2015 meldden onderzoekers van de Yale University dat ze een manier hadden gevonden waarop UV-licht in muizen in melanine reageert op een manier die de vorming van kanker binnen enkele uren bevordert. Dit leek de prachtig "tweesnijdende" aard van melanine te benadrukken. Voor elk gebied waarin het als een gezondheidsmiddel kan dienen, lijkt het ergens anders een gezondheidsverplichting te vormen.

Andere fysiologische rollen van melanine

Vitamine D, die belangrijk is bij de behandeling van minerale calcium in het lichaam, moet worden blootgesteld aan UV-licht om te worden omgezet in zijn actieve vorm nadat het is ingenomen. Dit betekent dat mensen die op noordelijke breedtegraden wonen over het algemeen gevoeliger zijn voor vitamine D-tekort, omdat hun lichamen gemiddeld het hele jaar door minder zonlicht ontvangen dan mensen dichter bij de evenaar.

Een andere implicatie van de relatie tussen UV-licht en melanine is echter dat mensen met een donkere huid, ongeacht waar ze wonen (maar vooral mensen op zeer noordelijke of zuidelijke locaties), moeten worden gecontroleerd op problemen met vitamine D-waarden, omdat hun hoge dichtheid van melanosomen, terwijl het bescherming biedt tegen de gevaren van UV-stralen, schermt ook hun enkele gunstige effecten af.

Een aantal relaties tussen UV-licht, melanine en het gedrag van de huid moet nog volledig worden opgehelderd. Het is bijvoorbeeld bekend dat de toediening van UV-licht aan de huid de immuunfunctie op korte termijn kan onderdrukken. Dit kan wenselijk zijn wanneer wordt geprobeerd flare-ups van inflammatoire huidaandoeningen met een immuuncomponent, zoals psoriasis, te beheersen.

Welke immuunfunctie melanine ook in het lichaam kan spelen, moet nog worden opgehelderd.

Ziekten gerelateerd aan Melanine

Een aantal klinische aandoeningen waarbij afwijkingen in melaninesynthese en transport zijn betrokken, zijn algemeen bekend. Deze kunnen elke stap van het melaninevormings- en melanineverdelingsproces beïnvloeden.

Deze omvatten:

Aandoeningen van melanoblasten. Zoals u zich wellicht herinnert, zijn deze cellen de voorlopers van melanocyten. Ze worden verondersteld te migreren van hun plaatsen van vorming in embryonale en foetale ontwikkeling naar de plaatsen waar ze uiteindelijk hun toegewezen rollen zullen spelen.

Soms halen melanoblasten echter niet waar ze heen moeten. Een resultaat is Waardenburg-syndroom, waarin getroffen mensen gebieden hebben met een zeer lichte huid en vroegtijdig grijs haar vanwege het falen van melanoblasten om eerder in hun leven in deze gebieden te gaan wonen.

Aandoeningen van melanocyten. Een van de beruchtste hiervan is de aandoening die wordt genoemd vitiligo, waarbij de auto-immuun-gemedieerde vernietiging van melanocyten op een niet-uniforme manier door de huid wordt betrokken.

Vanwege de asymmetrische manier waarop het lichaam zijn eigen cellen aanvalt, vertoont de huid verschillende plekken lichte huid vermengd met onaangetaste delen van de huid.

Aandoeningen van melanosomen. Twee van de meest voorkomende aandoeningen met betrekking tot de opslagplaatsen van melanine zijn Chédiak-Higashi-syndroom en Griscelli-syndroom, die beide te maken hebben met zichtbare huidpigmentatie, maar ook effecten in andere lichaamssystemen hebben.

Bij het syndroom van Chédiak-Higashi, dat kan produceren albinisme (een bijna volledig gebrek aan pigmentatie in de huid en ogen), wordt aangenomen dat de genmutatie die verantwoordelijk is voor de melaninecomponent van de aandoening ook de synthese van belangrijke chemische stoffen in het immuunsysteem voorkomt.

Aandoeningen gerelateerd aan tyrosinase. Tyrosinase is het enzym, of biologische katalysator-eiwit, dat een tussenproduct in melanine en pheomelaninesynthese, dihydroxyfenylalanine, omzet in dopaquinon. Wanneer dit enzym niet goed werkt of afwezig is, kan de synthetische melanine-route worden verstoord.

Bijvoorbeeld bij de erfelijke ziekte fenylketonurie (PKU), het falen van een ander enzym leidt tot een significante opbouw van fenylalanine, dat secundaire, remmende effecten op tyrosinase heeft. Dit leidt tot een vlekkerige huid dankzij een "stroomafwaartse" afname van melaninesynthese.