Die Chemie des Melanins

Inhalt

• Chemische Melaninstruktur
• Alternative chemische Melaninformel
• Grundlagen der Hautfarbe
• Andere Faktoren in der Hautfarbe
• Arten von Melanin
• Die Funktionen von Melanin
• Melanin- und UV-Schutz
• Andere physiologische Rollen von Melanin
• Krankheiten im Zusammenhang mit Melanin

Melanin ist ein dunkles, natürlich vorkommendes Pigment, das in verschiedenen Formen vorliegt und für einen Großteil der Hautfarbe beim Menschen verantwortlich ist. Es wird von Zellen namens produziert Melanozyten, die im tiefsten Teil der äußersten Hautschicht sitzen. Ein Großteil dieses Melanins findet seinen Weg in die so genannten Zellen Keratinozyten, die weitaus zahlreicher sind als Melanozyten.

Nachdem Melanin synthetisiert wurde, wird es in Körpern in Melanozyten gespeichert Melanosomen. Die häufigste der verschiedenen Arten von Melanin heißt Eumelanin, was "gutes Melanin" bedeutet. Wenn viel Eumelanin in höheren Mengen vorhanden ist, ergibt sich eine dunklere, braunere Hautfarbe, wohingegen eine geringe Dichte dieses Pigments bei Menschen mit hellerer Haut auftritt.

Wenn Menschen Unterschiede in der Hautfarbe aufweisen, die hauptsächlich auf Unterschiede im Hautmelaningehalt zurückzuführen sind, liegt dies nicht daran, dass sich die Menschen in Bezug auf die Hautfarbe stark unterscheiden Nummer von Melanozyten haben sie. Stattdessen einige Völker Individuell Melanozyten sind weitaus aktiver als in anderen.

Chemische Melaninstruktur

Wie viele Substanzen im Körper enthält die chemische Zusammensetzung von Melanin eine Mischung aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Das chemische Melaninformel ist C₁₈H₁₀N₂O₄Man erhält Melanin mit einem Molekulargewicht oder einer Molmasse von 318 g / mol.

(Aus historischen Gründen a Maulwurf ist die Menge eines Stoffes in Gramm, der 6 x 10 enthält ²³ Moleküle und ist ein grundlegendes Maß für die Größe eines Moleküls.)

Melanin besteht aus drei sechsgliedrigen Ringen (sechs Atomen, die um einen zentralen Punkt angeordnet sind) in einer Linie, wobei sich jeweils ein fünfgliedriger Ring in einem der Winkel zwischen sich und seinem Nachbarn befindet. Diese fünfgliedrigen Ringe enthalten jeweils eines der beiden Stickstoffatome im Melanin und sitzen auf gegenüberliegenden Seiten des Moleküls.

Die vier Sauerstoffatome im Melanin sind an jedem Ende des Sechs-Atome-Rings an Kohlenstoffe gebunden, zwei an jeden Ring. Diese sind doppelt gebunden und die C = O-Anordnungen liegen auf gegenüberliegenden Seiten des Rings, von wo aus die fünfgliedrigen Ringe angebracht sind.

Alternative chemische Melaninformel

Wenn Sie die Formel für Melanin in einer genaueren Form ausdrücken möchten, ohne ein Modell zu zeichnen, können Sie sie in der Form schreiben, die im vereinfachten Zeileneingabesystem für Moleküle (SMILES) verwendet wird:

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

wobei die Zahlen keine Indizes sind, sondern sich auf die numerischen Positionen von Atomen in einzelnen Ringen beziehen. Wasserstoffatome in Melanin sind nicht enthalten, aber ihre Anzahl und Position können durch Ausfüllen von "Lücken" in der obigen Struktur bestimmt werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass jeder Kohlenstoff vier Bindungen bildet.

Grundlagen der Hautfarbe

Die menschliche Haut besteht aus drei Schichten, die von außen nach innen die Epidermis, die Dermis und die subkutane Gewebeschicht bilden. Die Epidermis selbst ist in zahlreiche Schichten unterteilt, von denen die tiefste als stratum germinativum (manchmal auch als Stratum Basale bezeichnet). In dieser Schicht, die an die Basalmembran angrenzt, die die Epidermis von der Dermis trennt, werden Melanozyten gebildet.

Melanozyten haben unter dem Mikroskop eine charakteristische unregelmäßige Form. Inwieweit Melanozyten Melanin produzieren, hängt davon ab, inwieweit das Gen für Melanin vorliegt ausgedrücktoder eingeschaltet. Stellen Sie sich "Genexpression" vor, indem Sie einen Schalter in einer Fabrik einschalten, um ein bestimmtes Produkt, in diesem Fall ein Protein, herzustellen.

Fast alle Menschen haben viele Melanin "Fabriken" (Melanozyten), aber das Ausmaß, in dem Menschen diese "Fabriken" nutzen, variiert stark zwischen Individuen und ethnischen Bevölkerungsgruppen.

Andere Faktoren in der Hautfarbe

Sonnenlicht löst bei den meisten Menschen eine gewisse Melaninproduktion aus. Dies ist der Prozess der kurzzeitigen Verdunkelung der Haut, der als "Bräune" ​​bezeichnet wird. Das durch Lichtreiz erzeugte Melanin schützt den Rest des Körpers in gewissem Maße vor schädlicher UV-Strahlung im Sonnenlicht.

Wenn der Körper nicht mehr genügend UV-Strahlen in der Umwelt wahrnimmt, wie dies im Herbst und Winter der Fall ist, nimmt auch der wahrgenommene Bedarf an Melaninproduktion ab und die Haut neigt in diesen Jahreszeiten zur Aufhellung.

Während Melanozyten Melanin produzieren sowie es speichern und freisetzen, sind die weitaus häufiger vorkommenden epidermalen Zellen bekannt als Keratinozyten Wickeln Sie sich als der größte Empfänger des Pigments. Die Bewegung von Melanin von Melanozyten zu Keratinozyten wird durch die vielen Tentakeln (bis zu etwa 40) erleichtert, die sich von jedem Melanozyten nach außen erstrecken.

In Melanozyten gebildete Melanosomen wandern zu den Keratinozyten und positionieren sich zwischen der Zellmembran und dem Zellkern, um die DNA (Desoxyribonukleinsäure, das "genetische Material" des Menschen und alle bekannten Lebensformen) in diesem Zellkern vor Schäden durch UV-Strahlung zu schützen.

Arten von Melanin

Während Eumelanin die am häufigsten vom Menschen produzierte Art von Melanin ist, ist es bei weitem nicht die einzige gebräuchliche Art. Es existiert in zwei anderen Hauptformen, Phäomelanin und Neuromelanin. Eumelanin und Phäomelanin haben funktionell und chemisch sehr viel gemeinsam, während Neuromelanin eine Art Schurke ist.

Eumelanin und Phäomelanin werden beide von Melanozyten in der untersten Schicht der Epidermis gebildet. Diese Zellen beginnen als Melanoblasten in Gewebe, das während der menschlichen Embryonalentwicklung aus dem Neuralrohr stammt. Die Synthese jedes dieser Stoffe beginnt mit Tyrosin, einem Molekül, das eng mit der Aminosäure Phenylalanin verwandt ist. Das Tyrosin wird bald in Dopachinon umgewandelt, das eine Reihe verschiedener chemischer Wege einschlagen kann, die letztendlich zur Melaninproduktion führen.

Neuromelanin wird im Gehirn als Teil der Zersetzung des Neurotransmitters produziert Dopaminein weiterer enger chemischer Verwandter von Phenylalanin und Tyrosin. Dies geschieht in einem Teil des Gehirns, der als substantia nigra. Neuromelanin ist im Gegensatz zu den beiden anderen Formen des menschlichen Melanins nicht an der Bestimmung der Hautfarbe beteiligt.

Die Funktionen von Melanin

Melanine behaupten, biologischer Ruhm sei ihr Beitrag zur Hautfarbe, aber sie erfüllen auch eine Reihe verwandter und nicht verwandter physiologischer Funktionen. Melanin beeinflusst die Haarfarbe und schützt die Haut und die Augen vor Lichtschäden durch die Sonne und andere Quellen elektromagnetischer Strahlung.

Eumelanin ist eher bräunlich-schwarz gefärbt, während Phäomelanin eher gelblich-rot ist. Die Überfarbe einer Personenhaut wird durch eine Kombination des Verhältnisses dieser beiden Arten von Melanin und der Gesamtdichte von Melanosomen in einzelnen Zellen bestimmt.

Außerdem überwiegen verschiedene Arten von Melanin in verschiedenen Körperteilen des gleichen Individuums. Zum Beispiel sind die Lippen, die mehr rosa sind, in Phäomelanin höher.

Haut, die eine hellere Farbe hat, hat typischerweise eine Dichte von zwei oder drei Melanosomen pro Cluster innerhalb der Melanozyten, wohingegen dunklere Haut "beweglichere" Melanozyten aufweist, da diese Körnchen eher dazu neigen, sich auf benachbarte Keratinozyten auszubreiten.

Melanin- und UV-Schutz

Irgendwann in der menschlichen Evolution siedelten sich verschiedene Bevölkerungsgruppen weit voneinander entfernt an, wobei einige näher am Äquator blieben und andere sich zunächst in nördliche Breiten wagten, hauptsächlich in Europa. Infolge der sonnigeren und heißeren Umgebung verloren die Menschen in Äquatornähe einen Großteil ihrer Körperbehaarung im Vergleich zu ihren nördlicheren Kollegen.

Es wird angenommen, dass diese Änderung der relativen Haarverteilung die unterschiedliche Entwicklung der Melanogenese in verschiedenen Populationen weltweit beschleunigt hat. Menschen, die näher am Äquator leben, weisen nun ein höheres Verhältnis von Eumelanin zu Phäomelanin auf, was nicht nur zu einer dunkleren Haut führt, sondern auch zu einer größeren Fähigkeit, UV-Strahlung zu absorbieren. Menschen, die in kühleren Gegenden mit weniger Sonnenlicht leben, weisen hingegen ein geringeres Verhältnis von Eumelanin zu Phäomelanin auf und sind folglich anfälliger für UV-Hautschäden, einschließlich Krebs.

Im Jahr 2015 berichteten Forscher der Yale University, dass sie einen Weg gefunden hatten, wie UV-Licht in Mäusen in Melanin auf eine Weise reagiert, die die Krebsentstehung innerhalb weniger Stunden fördert. Dies schien die exquisite "zweischneidige" Natur von Melanin hervorzuheben. Für jeden Bereich, in dem es als Gesundheitsgut dienen kann, scheint es anderswo eine Gesundheitsschädigung aufzuweisen.

Andere physiologische Rollen von Melanin

Vitamin D, das für den körpereigenen Umgang mit dem Mineral Calcium wichtig ist, muss UV-Licht ausgesetzt werden, um nach der Einnahme in seine aktive Form umgewandelt zu werden. Dies bedeutet, dass Menschen, die in nördlichen Breiten leben, im Allgemeinen anfälliger für Vitamin-D-Mangel sind, da ihr Körper das ganze Jahr über im Durchschnitt weniger Sonnenlicht erhält als Menschen, die sich näher am Äquator befinden.

Eine weitere Auswirkung der Beziehung zwischen UV-Licht und Melanin ist jedoch, dass dunkelhäutige Menschen, unabhängig davon, wo sie leben (vor allem aber an sehr nördlichen oder südlichen Standorten), auf Probleme mit dem Vitamin D-Spiegel überwacht werden sollten, da dieser hoch ist Die Dichte der Melanosomen schützt zwar vor den Gefahren der UV-Strahlung, schirmt jedoch auch ihre wenigen vorteilhaften Wirkungen ab.

Eine Reihe von Zusammenhängen zwischen UV-Licht, Melanin und dem Verhalten der Haut muss noch vollständig geklärt werden. Es ist beispielsweise bekannt, dass die Verabreichung von UV-Licht an die Haut die Immunfunktion kurzfristig unterdrücken kann. Dies kann wünschenswert sein, wenn versucht wird, das Aufflammen entzündlicher Hautzustände mit einer Immunkomponente wie Psoriasis zu kontrollieren.

Welche Rolle das Melanin im Immunsystem im Körper spielt, muss noch geklärt werden.

Krankheiten im Zusammenhang mit Melanin

Eine Anzahl von klinischen Zuständen, die Störungen in der Melaninsynthese und im Transport beinhalten, sind wohlbekannt. Diese können jeden Schritt der Melaninbildung und des Melaninverteilungsprozesses beeinflussen.

Diese schließen ein:

Störungen der Melanoblasten. Wie Sie sich vielleicht erinnern, sind diese Zellen die Vorläufer der Melanozyten. Sie sollen von ihren Ausbildungsstätten in der Embryonal- und Fetalentwicklung zu den Orten wandern, an denen sie letztendlich ihre zugewiesenen Rollen spielen werden.

Manchmal schaffen es Melanoblasten jedoch nicht dorthin, wohin sie sollen. Ein Ergebnis ist Waardenburg-Syndrom, bei denen Betroffene aufgrund des Versagens von Melanoblasten, sich früher in diesen Gebieten niederzulassen, sehr helle Hautpartien und vorzeitig graues Haar haben.

Störungen der Melanozyten. Unter den berüchtigteren von diesen ist die Bedingung, die genannt wird Vitiligo, bei dem Melanozyten auf uneinheitliche Weise in der gesamten Haut autoimmunvermittelt zerstört werden.

Aufgrund der asymmetrischen Art und Weise, wie der Körper seine eigenen Zellen angreift, zeigt die Haut deutliche Flecken heller Haut, die sich mit nicht betroffenen Hautpartien vermischen.

Störungen der Melanosomen. Zwei der häufigsten Störungen, die die Speicherorte von Melanin betreffen, sind Chédiak-Higashi-Syndrom und Griscelli-SyndromBeide beinhalten sichtbare Pigmentierungsprobleme der Haut, aber auch Effekte in anderen Körpersystemen.

In Chédiak-Higashi-Syndrom, das produzieren kann Albinismus Es wird angenommen, dass die Genmutation, die für die Melaninkomponente der Störung verantwortlich ist, auch die Synthese wichtiger Chemikalien des Immunsystems verhindert.

Störungen im Zusammenhang mit Tyrosinase. Tyrosinase ist das Enzym oder biologische Katalysatorprotein, das eine Zwischenverbindung in der Melanin- und Phäomelaninsynthese, genannt Dihydroxyphenylalanin, in Dopachinon umwandelt. Wenn dieses Enzym nicht richtig funktioniert oder nicht vorhanden ist, kann der Melaninsyntheseweg gestört werden.

Zum Beispiel bei der Erbkrankheit Phenylketonurie (PKU) führt das Versagen eines anderen Enzyms zu einem signifikanten Aufbau von Phenylalanin, das eine sekundäre, hemmende Wirkung auf Tyrosinase hat. Dies führt zu fleckiger Haut dank einer "nachgeschalteten" Abnahme der Melaninsynthese.