La chimica della melanina

Contenuto

• Struttura chimica della melanina
• Formula chimica alternativa alla melanina
• Nozioni di base sul colore della pelle
• Altri fattori nel colore della pelle
• Tipi di melanina
• Le funzioni della melanina
• Melanina e protezione UV
• Altri ruoli fisiologici di melanina
• Malattie legate alla melanina

La melanina è un pigmento scuro presente in natura che si presenta in diverse forme ed è responsabile di gran parte del colore della pelle nell'uomo. È prodotto da cellule chiamate melanociti, che si trova nella parte più profonda dello strato più esterno della pelle. Gran parte di questa melanina trova la sua strada nelle cellule chiamate cheratinociti, che sono molto più numerosi dei melanociti.

Dopo che la melanina è sintetizzata, viene immagazzinata nei corpi all'interno dei melanociti chiamati melanosomi. Si chiama il più comune dei vari tipi di melanina eumelanina, che significa "buona melanina". Quando è presente molta eumelanina in quantità maggiori, si ottiene un colore della pelle più scuro e più marrone, mentre una bassa densità di questo pigmento si verifica nelle persone con pelle più chiara.

Quando le persone mostrano differenze nel colore della pelle derivanti principalmente dalle differenze nel contenuto di melanina della pelle, questo non è perché le persone differiscono ampiamente in termini di numero di melanociti che hanno. Invece, alcuni popoli individuale i melanociti sono molto più attivi di quanto non lo siano in altri.

Struttura chimica della melanina

Come molte sostanze nel corpo, la composizione chimica della melanina include una miscela di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Il formula chimica della melanina è c₁₈H₁₀N₂O₄, dando alla melanina un peso molecolare, o massa molare, di 318 grammi per mole (g / mol).

(Per motivi storici, a Talpa è la quantità di una sostanza in grammi che contiene 6 x 10 ²³ molecole, ed è una misura base della dimensione di una molecola.)

La melanina è composta da tre anelli a sei membri (sei atomi disposti attorno a un punto centrale) in una linea, ciascuno con un anello a cinque membri incastonato in uno degli angoli tra se stesso e il suo vicino. Questi anelli a cinque membri contengono ciascuno uno dei due atomi di azoto nella melanina e siedono sui lati opposti della molecola.

I quattro atomi di ossigeno nella melanina sono legati a carboni sull'anello a sei atomi a ciascuna estremità, due per ogni anello. Questi sono a doppio legame e le disposizioni C = O giacciono sui lati opposti dell'anello da cui sono fissati gli anelli a cinque membri.

Formula chimica alternativa alla melanina

Se si desidera esprimere la formula per la melanina in una forma più esplicita senza ricorrere al disegno di un modello, è possibile scriverla nella forma utilizzata nel sistema semplificato di ingresso di linea molecolare (SMILES):

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

dove i numeri non sono pedici ma riferimenti alle posizioni numeriche degli atomi all'interno dei singoli anelli. Gli atomi di idrogeno nella melanina non sono inclusi ma il loro numero e le posizioni possono essere determinati colmando eventuali "lacune" nella struttura sopra, tenendo presente che ogni carbonio forma quattro legami.

Nozioni di base sul colore della pelle

La pelle umana ha tre strati, che dal più esterno al più interno sono l'epidermide, il derma e lo strato di tessuto sottocutaneo. L'epidermide è essa stessa divisa in numerosi strati, il più profondo dei quali è chiamato strato germinativum (a volte chiamato strato basale). Questo strato, che confina con la membrana basale che separa l'epidermide dal derma, è dove vengono prodotti i melanociti.

Alla microscopia, i melanociti hanno una caratteristica forma irregolare. La misura in cui i melanociti producono melanina dipende dalla misura in cui è il gene per la melanina espressoo acceso. Pensa a "espressione genica" come accendere un interruttore in una fabbrica per realizzare un prodotto particolare, in questo caso una proteina.

Quasi tutti gli esseri umani hanno un sacco di "fabbriche" di melanina (melanociti), ma la misura in cui le persone usano queste "fabbriche" varia ampiamente tra individui e popolazioni etniche.

Altri fattori nel colore della pelle

La luce solare in qualche modo innesca la produzione di melanina; questo è il processo di oscuramento della pelle a breve termine noto come "abbronzatura". La melanina prodotta dallo stimolo luminoso agisce per proteggere il resto del corpo in una certa misura dalla dannosa radiazione ultravioletta (UV) alla luce del sole.

Quando il corpo non rileva più un'abbondanza di raggi UV nell'ambiente, come accade in autunno e in inverno, diminuisce anche la necessità percepita di produzione di melanina e la pelle tende a schiarire durante queste stagioni.

Inoltre, mentre i melanociti producono melanina, la immagazzinano e la rilasciano, le cellule epidermiche molto più diffuse note come cheratinociti finire come il più grande destinatario del pigmento. Il movimento della melanina dai melanociti ai cheratinociti è facilitato dai numerosi tentacoli (fino a circa 40) che si estendono verso l'esterno da ciascun melanocita.

I melanosomi formati nei melanociti viaggiano verso i cheratinociti e si posizionano tra la membrana cellulare e il nucleo, contribuendo a proteggere il DNA (acido desossiribonucleico, il "materiale genetico" umano e tutte le forme di vita conosciute) all'interno di quel nucleo dai danni da radiazioni UV.

Tipi di melanina

Mentre l'eumelanina è il tipo più abbondante di melanina prodotta dall'uomo, è tutt'altro che l'unico tipo comune. Esiste in altre due forme principali, feomelanina e neuromelanina. L'eumelanina e la feomelanina hanno molto in comune dal punto di vista funzionale e chimico, mentre la neuromelanina è una specie di ladro.

L'eumelanina e la feomelanina sono entrambe prodotte dai melanociti nello strato (strato) più basso dell'epidermide. Queste cellule iniziano come melanoblasts nel tessuto derivato dal tubo neurale durante lo sviluppo embrionale umano. La sintesi di ciascuno di questi inizia con la tirosina, una molecola strettamente correlata all'aminoacido fenilalanina. La tirosina viene presto convertita in dopaquinone, che può seguire una serie di diversi percorsi chimici che alla fine portano alla produzione di melanina.

La neuromelanina viene prodotta nel cervello come parte della decomposizione del neurotrasmettitore dopamina, un altro parente chimico stretto di fenilalanina e tirosina. Ciò si verifica in una parte del cervello chiamata sostantia nigra. La neuromelanina, a differenza delle altre due forme di melanina umana, non partecipa alla determinazione del colore della pelle.

Le funzioni della melanina

Le melanine affermano che la fama biologica è il suo contributo al colore della pelle, ma svolge anche una serie di funzioni fisiologiche correlate e non correlate. La melanina influenza il colore dei capelli e protegge anche la pelle e gli occhi dai danni della luce del sole e di altre fonti di radiazione elettromagnetica.

L'eumelanina è di colore più marrone-nero, mentre la feomelanina è più rosso-giallastra. Il colore eccessivo della pelle di una persona è determinato da una combinazione del rapporto tra questi due tipi di melanina e la densità complessiva dei melanosomi all'interno delle singole cellule.

Inoltre, diversi tipi di melanina predominano in diverse parti del corpo nello stesso individuo. Ad esempio, le labbra, che sono più rosa, sono più alte nella feomelanina.

La pelle di colore più chiaro ha in genere una densità di due o tre melanosomi per gruppo all'interno dei melanociti, mentre la pelle più scura presenta melanociti più "mobili" in quanto questi granuli sono più inclini a diffondersi ai cheratinociti vicini.

Melanina e protezione UV

Ad un certo punto dell'evoluzione umana, diverse popolazioni di individui si stabilirono lontane l'una dall'altra, con alcune che rimanevano più vicine all'equatore e altre che si avventuravano verso le latitudini settentrionali, principalmente all'inizio in Europa. Come conseguenza dell'essere in un ambiente più soleggiato e più caldo, le persone più vicine all'equatore hanno perso gran parte dei loro peli corporei in relazione alle loro controparti più a nord.

Si ritiene che questo cambiamento nella relativa distribuzione dei capelli abbia stimolato lo sviluppo differenziale della melanogenesi in diverse popolazioni in tutto il mondo. Le persone che vivono più vicino all'equatore ora mostrano un rapporto più elevato tra eumelanina e feomelanina, risultando non solo in una pelle più scura ma in una maggiore capacità di assorbire le radiazioni UV. Le persone che vivono in zone più fredde con meno luce solare, d'altra parte, mostrano un rapporto più basso tra eumelanina e feomelanina e, di conseguenza, sono più sensibili ai danni della pelle UV, incluso il cancro.

Nel 2015, i ricercatori dell'Università di Yale hanno riferito di aver trovato un modo in cui la luce UV reagisce alla melanina nei topi in un modo che promuove la formazione del cancro nel giro di poche ore. Ciò sembrava evidenziare la natura squisitamente "a doppio taglio" della melanina. Per ogni area in cui può fungere da bene sanitario, sembra presentare una responsabilità sanitaria altrove.

Altri ruoli fisiologici di melanina

La vitamina D, che è importante nella manipolazione del calcio minerale, deve essere soggetta alla luce UV per poter essere convertita nella sua forma attiva dopo che è stata ingerita. Ciò significa che le persone che vivono alle latitudini settentrionali sono generalmente più suscettibili alla carenza di vitamina D, perché i loro corpi ricevono in media meno luce solare durante tutto l'anno rispetto alle persone più vicine all'equatore.

Un'altra implicazione della relazione tra luce UV e melanina, tuttavia, è che le persone dalla pelle scura, non importa dove vivono (ma soprattutto quelle in zone molto settentrionali o meridionali), dovrebbero essere monitorate per problemi con i livelli di vitamina D, perché il loro la densità dei melanosomi, pur conferendo protezione contro i pericoli dei raggi UV, elimina anche i loro pochi effetti benefici.

Numerose relazioni tra la luce UV, la melanina e il comportamento della pelle devono ancora essere completamente chiarite. È noto, ad esempio, che la somministrazione di luce UV sulla pelle può sopprimere la funzione immunitaria a breve termine. Questo può essere desiderabile quando si cerca di controllare le riacutizzazioni di condizioni infiammatorie della pelle con un componente immunitario, come la psoriasi.

Qualunque sia il ruolo immunitario che la melanina può svolgere nel corpo, resta da chiarire.

Malattie legate alla melanina

Sono ben note una serie di condizioni cliniche che coinvolgono disordini nella sintesi e nel trasporto della melanina. Questi possono influenzare ogni fase del processo di formazione e distribuzione della melanina.

Questi includono:

Disturbi dei melanoblasti. Queste cellule, come ricorderete, sono i precursori dei melanociti. Dovrebbero migrare dai loro siti di formazione nello sviluppo embrionale e fetale verso i luoghi in cui ricopriranno i ruoli assegnati.

Tuttavia, a volte i melanoblasti non riescono a raggiungere il punto in cui dovrebbero andare. Un risultato è Sindrome di Waardenburg, in cui le persone colpite hanno aree di pelle molto chiara e capelli prematuramente grigi a causa dell'incapacità dei melanoblasti di risiedere in queste aree all'inizio della vita.

Disturbi dei melanociti. Tra i più noti di questi è la condizione chiamata vitiligine, che comporta la distruzione autoimmune mediata dei melanociti in modo non uniforme in tutta la pelle.

A causa del modo asimmetrico in cui il corpo attacca le proprie cellule, la pelle mostra chiazze distinte di pelle chiara mescolate a aree non interessate della pelle.

Disturbi dei melanosomi. Due dei disturbi più comuni che coinvolgono i siti di stoccaggio della melanina sono Sindrome di Chédiak-Higashi e Sindrome di Griscelli, entrambi implicano problemi visibili di pigmentazione della pelle ma includono anche effetti in altri sistemi del corpo.

Nella sindrome di Chédiak-Higashi, che può produrre albinismo (una mancanza quasi totale di pigmentazione nella pelle e negli occhi), si ritiene che la mutazione genetica responsabile della componente melanina del disturbo prevenga anche la sintesi di importanti sostanze chimiche del sistema immunitario.

Disturbi correlati alla tirosinasi. La tirosinasi è l'enzima, o proteina del catalizzatore biologico, che converte un composto intermedio nella sintesi di melanina e feomelanina, chiamato diidrossifenilalanina, in dopachinone. Quando questo enzima non funziona correttamente o è assente, il percorso sintetico della melanina può essere interrotto.

Ad esempio, nella malattia ereditaria fenilchetonuria (PKU), il fallimento di un diverso enzima porta ad un accumulo significativo di fenilalanina, che ha effetti inibitori secondari sulla tirosinasi. Ciò porta a una pelle a chiazze grazie a una riduzione "a valle" della sintesi di melanina.