Меланин - функция и применение

Меланин (от греч. melas «черный, темный») представляет собой широкий термин для группы природных пигментов, обнаруженных в большинстве организмов (паукообразные являются одним из немногих групп, в которых он не был обнаружен). Меланин производится путем окисления аминокислоты тирозина с последующей полимеризацией. Пигмент получают в специализированной группе клеток, называемых меланоцитами.

Меланин делят на три основных типа: эумеланин, феомеланин и нейромеланин. Наиболее распространенным типом меланина является эумеланин. Есть два типа эумеланина – коричневый и черный. Феомеланин является цистеин-содержащим красным полимером единиц бензотиазина, среди другой пигментации в значительной степени ответственным за рыжие волосы. Нейромеланин находится в мозге, хотя его функция до сих пор неясна.

В коже меланогенез происходит после воздействия УФ-излучения, в результате чего кожа заметно загорает. Меланин является эффективным поглотителем света – пигмент способен рассеивать более чем 99,9% поглощенного УФ-излучения. Из-за этого свойства меланин, как полагают, защищает клетки кожи от повреждений излучения типа UVB, что снижает риск развития рака. Кроме того, хотя воздействие УФ-излучения связано с повышенным риском развития злокачественной меланомы, рака меланоцитов, в исследованиях показан пониженный уровень рака кожи у лиц с более концентрированным меланином, то есть с темным оттенком кожи. Тем не менее, связи между пигментацией кожи и фотозащитой еще уточняются.

Содержание

1. Меланин у людей и других организмов
   
2. Видео о меланине
   
3. Пути биосинтеза
   
4. Микроскопический вид
   
5. Генетические нарушения и патологические состояния
   
6. Адаптация человека
   
7. Физические свойства и технологическое применение
   

Меланин у людей и других организмов

В организме человека меланин служит основным фактором, определяющим цвет кожи. Он также находится в волосах, пигментированных тканях, лежащие в основе радужки глаза и сосудистйо полоски внутреннего уха. В головном мозге ткани с меланином – это мозговое вещество и пигмент-несущие нейроны в пределах областей мозга, таких как голубое пятно и черное вещество. Он также встречается в сетчатой зоне надпочечников.

Меланин в коже вырабатывается меланоцитами, которые содержатся в базальном слое эпидермиса. Хотя в целом люди обладают аналогичной концентрацией меланоцитов в коже, меланоциты у некоторых лиц и этнических групп производят различные количества меланина. Некоторые люди имеют очень мало или вообще не синтезируют меланин в организме – это состояние известно как альбинизм.

Так как меланин является совокупностью молекул более мелких компонентов, есть много различных видов меланина с различными пропорциями и моделями склеивания молекул этих компонентов. И феомеланин, и эумеланин находятся в человеческой коже и волосах, но эумеланин отличается наибольшей распространенностью в организме человека. Кроме того, эта форма наиболее вероятно будет дефицитной при альбинизме.

Эумеланин

Полимеры эумеланина, как уже давно полагают, объединяют многочисленные полимеры с поперечной межмолекулярной связью 5,6-дигидроксииндола (DHI) и 5,6-дигидроксииндол-2-карбоновой кислоты (DHICA).

Существуют два типа эумеланина – коричневый и черный, и они химически отличаются друг от друга по структуре полимерных связей. Малое количество черного эумеланина при отсутствии других пигментов делает волосы серыми. Небольшое количество коричневого эумеланина при отсутствии других пигментов вызывает желтый (светлый) цвет волос.

Феомеланин

Феомеланины придают цвет от розового до красного оттенка, в зависимости от концентрации. Феомеланины особенно сосредоточены в губах, сосках, головке полового члена и влагалище. Когда небольшое количество коричневого эумеланина в волосах, что в противном случае сделало бы волосы светлыми, смешивается с красным феомеланином, в результате получаются рыжие волосы.

С химической точки зрения, феомеланины отличается от эумеланинов в том, что олигомерная структура включает единиц бензотиазина и бензотиазола, которые производятся, а не DHI и DHICA, когда присутствует аминокислота L-цистеин.

Трихохромы

Трихохромы (ранее называемые трихосидеринами) – это пигменты, полученные из того же метаболического пути, как и эумеланины и Феомеланины, но в отличие от тех молекул у них низкая молекулярная масса. Они содержатся в некоторых рыжих человеческих волосах.

Нейромеланин

Нейромеланин (НМ) – это темный полимерный пигмент в конкретных группах катехоламинергических нейронов в головном мозге. У людей количество НМ наиболее высоко, хотя он содержится в меньшем количестве у других приматов, и полностью отсутствует у других видов. Тем не менее, биологическая функция по-прежнему неизвестна, хотя нейромеланин у человека, как было показано, эффективно связывает переходные металлы, такие как железо, а также других потенциально токсичные молекулы. Таким образом, он может играть решающую роль в апоптозе и родственной болезни Паркинсона.

У животных

Меланины имеют очень разноплановые роли и функции в различных организмах. Форма меланина содержится в чернилах, используемых многими головоногими в качестве защитного механизма против хищников. Меланины также защищают микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, от стрессов, которые включают повреждение клеток, как от УФ-излучения от солнца и активных форм кислорода. Меланин защищает от повреждений из-за высоких температур, химических воздействий (таких как тяжелые металлы и окисляющие агенты) и биохимических угроз (такие как защитные силы организма против вторжения микробов). Таким образом, во многих болезнетворных микробах (например, в грибке Cryptococcus neoformans) меланины, по-видимому, играют важную роль в вирулентности и патогенности, обеспечивая микробу защиту от иммунных реакций его хозяина. У беспозвоночных меланин включен в главный аспект врожденной иммунной системы защиты против вторжения патогенных микроорганизмов. В течение нескольких минут после заражения микроб инкапсулируется в меланин (меланизация), и образование свободных радикалов побочных продуктов в процессе формирования этой капсулы, как полагают, помогает убивать их. Некоторые виды грибов, называемые радиотрофическими, по-видимому, могут использовать это вещество в качестве фотосинтетического пигмента, что позволяет им захватывать гамма-лучи и применять эту энергию для роста.

Меланин играет значимую роль в пигментации у млекопитающих. Черные перья птиц обязаны своим цветом меланину. Они менее охотно разлагаются бактериями, чем белые перья, или те, которые содержат другие пигменты, например, каротины. В глазу птицы есть специальный орган, богатый кровеносными сосудами, глазной гребень, который также чрезвычайно богат меланином и, как считается, играет роль в поглощении света, попадающего на диск зрительного нерва, и его использовании для согревания глаза. Это, в свою очередь, может стимулировать высвобождение питательных веществ из глазного гребня на сетчатке, через стекловидное тело; это правдоподобно, так как сетчатка птицы лишена собственных кровеносных сосудов. В пигментном эпителии сетчатки наличие больших количеств гранул меланина может также свести к минимуму обратное рассеяние света в изображении на сетчатке.

Некоторые мыши немного иначе используют меланин. Например, волосы у мышей агути становятся коричневыми из-за чередования производства черного эумеланина и желтой разновидности феомеланина. Волосы на самом деле объединили черный и желтый, и чистый эффект – коричневый цвет у большинства мышей. Определенные генетические нарушения могут производить полностью черных или полностью желтых мышей.

Растения

Меланины, производимые растениями, иногда называют катехоловыми, как они могут дать катехин на щелочном плавлении. Это часто наблюдается в ферментативном потемнении фруктов, таких как бананы. В биосинтезе есть этап окисления индол-5,6-хинона типом тирозиназы полифенолоксидазой из тирозина и катехоламинов, что ведет к образованию катехолового меланина. Несмотря на это, многие растения содержат соединения, которые ингибируют выработку меланина.

Видео о меланине

Пути биосинтеза

Первый этап пути биосинтеза эумеланинов и феомеланинов катализируется тирозиназой:

• Тирозин → ДОФА → Допахинон
  

Допахинон может вступить в связь с цистеином двумя путями до бензотиазинов и феомеланинов

• Допахинон + цистеин → 5-S-цистеинилдопа → бензотиазин промежуточный → феомеланин
  
• Допахинон + цистеин → 2-S- цистеинилдопа → бензотиазин промежуточный → феомеланин
  

Кроме того, допахинон может быть преобразован в лейкодопахром и следовать еще двумя путями к эумеланинам.

• Допахинон → лейкодопахром → допахром → 5,6-дигидроксииндол-2-карбоновой кислоты → хинона → эумеланин
  
• Допахинон → лейкодопахром → допахрома → 5,6-хинона дигидроксииндол → → эумеланин
  

Микроскопический вид

Меланин коричневый, непреломляющий и мелкозернистый, а диаметр отдельных гранул менее 800 нм. Это отличает меланин из обычных пигментов от распада крови, которые больше, толстые и рефрактильные, и варьируются по цвету от зеленого до желтого или красно-коричневого цвета. В сильно пигментированных поражениях плотные скопления меланина могут скрыть гистологическую деталь. Разбавленный раствор перманганата калия является эффективным отбеливателем меланина.

Генетические нарушения и патологические состояния

Есть около девяти различных типов глазокожного альбинизма, в основном аутосомно-рецессивного расстройства. В некоторых этнических группах различные формы пребывают на более высоких уровнях. Например, самый распространенный тип, называемый типом 2 глазокожного альбинизма 2 (OCA2), особенно часто среди людей черной африканского происхождения. Это аутосомно-рецессивное расстройство характеризуется врожденным снижением или отсутствием пигмента меланина в коже, волосах и глазах. Расчетная частота OCA2 среди афро-американцев составляет 1 на 10000 человек, что контрастирует с частотой 1 на 36000 человек среди белых американцев. В некоторых африканских странах частота заболевания еще выше, начиная с 1 на 2000 до 1 на 5000 человек. Еще одна форма альбинизма, «желтый глазокожный альбинизм», по-видимому, больше распространена среди амишей, преимущественно швейцарского и немецкого происхождения. У людей с этим IB вариантом расстройства обычно белые волосы и кожу при рождении, но в младенчестве быстро развивается нормальная пигментация кожи.

Глазной альбинизм влияет не только на пигментацию глаз, но и остроту зрения. Люди с альбинизмом обычно плохо проходят тестирование, в диапазоне 20/60-20/400. Кроме того, две формы этого нарушения, с распространенность примерно 1 на 2700 человек наиболее часто встречаются среди людей пуэрто-риканского происхождения и связаны со смертностью, помимо смертей, связанных с меланомой.

Связь между глухотой и альбинизмом известна, хотя и мало изучена. В трактате 1859 г. о происхождении видов Чарльз Дарвин заметил, что «полностью белые кошки с голубыми глазами, как правило, глухи». У человека гипопигментация и глухота происходят вместе в редком синдроме Ваарденбурга, в основном наблюдаемом среди представителей племени хоппи в Северной Америке. Распространенность этого нарушения у индейцев хоппи оценивалась примерно как 1 на 200 человек. Интересно, что аналогичные модели альбинизма и глухота обнаружены у других млекопитающих, включая собак и грызунов. Тем не менее, отсутствие меланина само по себе не видится непосредственно ответственным за глухоту, связанной с гипопигментацией, а у большинства людей не хватает ферментов, необходимых для синтеза меланина, чтобы иметь нормальную слуховую функцию. Вместо этого отсутствие меланоцитов в сосудистой полоске внутреннего уха становится причиной кохлеарного ухудшения, хотя, почему это происходит, понято не в полной мере.

При болезни Паркинсона, расстройстве, которое влияет на нейромоторное функционирование, снижается содержание нейромеланина в черном веществе и голубом пятне, как следствие специфического падения дофаминергических и норадренергических пигментных нейронов. Это приводит к уменьшению синтеза дофамина и норадреналина. Хотя ни о какой корреляции между расой и уровнем нейромеланина в черном веществе не сообщалось, значительно более низкая заболеваемость болезнью Паркинсона у чернокожих предполагает, что кожный меланин может каким-то образом служить для защиты нейромеланина в черном веществе от внешних токсинов.

Помимо дефицита меланина молекулярная масса его полимера может быть уменьшена посредством различных факторов, таких как окислительный стресс, воздействие света, отклонение в ассоциации с белками матрикса меланосомы, изменения рН или локальных концентраций ионов металлов. Пониженная молекулярная масса или снижение степени полимеризации глазного меланина, как было предложено, превращает антиоксидантный полимер в про-окислитель. В своем состоянии про-окислителя меланин, предположительно, участвует в каузальности и прогрессировании дегенерации желтого пятна и меланомы. Разагилин, важный препарат монотерапии при болезни Паркинсона, обладает свойствами связывания с меланином и уменьшения опухоли меланомы.

Однако более высокие уровни эумеланина также могут быть недостатком, помимо более высокой тенденции к дефициту витамина D.. Темная кожа является осложняющим фактором в лазерном удалении капиллярных гемангиом. В целом эффективные в лечении светлой кожи, лазеры не столь успешны в удалении капиллярных гемангиом у людей африканского или азиатского происхождения. Повышенные концентрации меланина у лиц с темной кожей просто рассеивают и поглощают лазерное излучение, препятствуя поглощению света тканями-мишенями. Аналогичным образом, меланин может осложнить лечение лазером других дерматологических заболеваний у людей с темной кожей.

Веснушки и родинки образуются в местах с локализованной концентрацией меланина в коже. Они сильно связаны со светлой кожей.

Никотин отличается сродством с меланин-содержащими тканями из-за его функции предшественника в синтезе меланина или его необратимого связывания с ним. Было выдвинуто предположение, что это лежит в основе увеличения никотиновой зависимости и низких уровней прекращения курения у лиц с более темным пигментом.

Адаптация человека

Меланоциты вводят гранулы меланина в специализированные клеточные пузырьки, называемые меланосомами. Они затем переносятся в другие клетки кожи человеческого эпидермиса. Меланосомы в каждой реципиентной клетке накапливаются на вершине ядра клетки, где они защищают ядерную ДНК от мутаций, вызванных ионизирующим излучением ультрафиолетовых лучей солнца. Как правило, у людей, чьи предки жили в течение длительных периодов в регионах земного шара вблизи экватора, большие количества эумеланин в коже. Это делает их кожу коричневого или черного цвета и защищает их от сильного воздействия солнца, что все чаще приводит к меланоме у светлокожих людей.

У людей воздействие света солнца стимулирует выработку кожей витамин D. Поскольку высокие уровни кожного меланина выступают в качестве природного солнцезащитного средства, темная кожа может быть фактором риска для дефицита витамина D в регионах Земли, известных как прохладные умеренных зонах, т.е., выше 36 градусов широты в северном полушарии и ниже 36 градусов в южном полушарии. В результате этого органы здравоохранения в Канаде и США опубликовали рекомендации для людей с более темной кожей (в том числе людей южноевропейского происхождения) потреблять 1000-2000 МЕ (международных единиц) витамина D, ежедневно с осени до весны.

Самые последние научные данные свидетельствуют, что все люди произошли из Африки, а затем последовательно заселили весь мир. Вполне вероятно, что первые современные люди имели относительно большое число эумеланин-производящих меланоцитов. Соответственно, у них кожа темнее, как у коренных жителей Африки сегодня. Поскольку некоторые из этих народов мигрировали и заселили районы Азии и Европы, селективное давление для производства эумеланина снижалось в климате, где излучение от солнца была менее интенсивным. Из двух общих вариантов гена, как известно, связанных с бледной кожей человека, MC1R не претерпевает позитивную селекцию, а SLC24A5 претерпевает.

По мере миграции народов на север, обладатели светлой кожи, мигрирующие к экватору, акклиматизировались для гораздо более мощного солнечного излучения. Кожа у большинства людей под воздействием УФ-света темнеет, обеспечивая при необходимости больше защиты. Это физиологическая цель загара. Темнокожие люди, которые производят больше эумеланина для защиты кожи, имеют более высокую степень защиты от солнечных ожогов и развития меланомы, потенциально смертельной формы рака кожи, а также других проблем со здоровьем, обусловленных воздействием сильного излучения солнца, включая фотостарение некоторых витаминов, таких как каротиноиды, рибофлавины, токоферол и фолиевая кислота.

Меланин в глазах, в радужной оболочке и сосудистой оболочке, служит для их защиты от ультрафиолета и высоких частот видимого света. Так, люди с серыми, голубыми, зелеными глазами подвергаются большему риску появления проблем с глазами, связанных с солнцем. Кроме того, хрусталик с возрастом желтеет, обеспечивая дополнительную защиту. Тем не менее, он также становится более жестким с возрастом, теряя большую часть своей аккомодации – способность изменять форму, чтобы фокусироваться от дальних объектов на ближних – ухудшение, вероятно, из-за поперечной связки белка, вызванной УФ-облучением.

Последние исследования показывают, что меланин может сыграть защитную роль помимо фотозащиты. Меланин способен эффективно лигировать ионы металлов через его карбоксилатные и фенольные гидроксильные группы, гораздо более эффективно, чем мощный хелатирующий лиганд этилендиаминтетраацетат (ЭДТА) во многих случаях. Таким образом, он может служить для улавливания ионов потенциально токсичных металлов, обеспечивая защиту остальной части клетки. Эта гипотеза подтверждается тем фактом, что потеря нейромеланина, наблюдаемая при болезни Паркинсона, сопровождается повышением уровня железа в мозге.

Физические свойства и применение в технологии

Существуют доказательства в поддержку гетерополимера с сильной поперечной межмолекулярной связью, соединенного ковалентно с меланопротеинами матричных мостков. Предполагалось, что способность меланина действовать в качестве антиоксиданта прямо пропорциональна степени его полимеризации или молекулярной массы. Субоптимальные условия для эффективной полимеризации мономеров меланина способны привести к образованию про-окислителя меланина с более низким молекулярным весом, который участвовал в каузальности и прогрессировании дегенерации желтого пятна и меланомы. Сигнальные пути, которые активируют меланизацию в пигментном эпителии сетчатки глаза (ПЭС), также могут быть вовлечены в понижающую регуляцию фагоцитоза наружного сегмента стержня ПЭС. Это явление было обусловлено отчасти сохранением центральной ямки в дегенерации желтого пятна.

© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.