Биохимия, меланин — StatPearls — Книжная полка NCBI

Даниэль И. Шлезингер; МакДамиан Аноруо; Джоэл Шлезингер.

Информация об авторе и организациях

Последнее обновление: 8 мая 2022 г.

Введение

Меланин — это термин, используемый для описания большой группы родственных молекул, ответственных за многие биологические функции, включая пигментацию кожи и волос и фотозащиту кожи. и глаза.[1][2][3]

Основы

У человека меланин существует в трех формах: эумеланин (который далее подразделяется на черную и коричневую формы), феомеланин и нейромеланин.

Сотовый уровень

Эумеланин и феомеланин продуцируются в различных количествах в базальном слое эпидермиса внутри клеток, называемых меланоцитами. Меланоциты представляют собой зрелые формы меланобластов, которые мигрируют из нервного гребня после закрытия нервной трубки. Поскольку меланин вырабатывается внутри меланоцитов, он упакован в небольшие круглые мембранные органеллы, называемые меланосомами. Меланосомы транспортируются от меланоцитов к соседним кератиноцитам через щупальцеподобные дендритные отростки. Меланосомы, поступающие в кератиноциты, располагаются поверхностно по отношению к ядрам клеток, что служит для защиты от входящего ультрафиолетового (УФ) излучения.

Молекулярный уровень

Первый этап биосинтеза как эумеланина, так и феомеланина начинается одинаково. Тирозин превращается в дигидроксифенилаланин (ДОФА), который требует тирозингидроксилазы и тетрагидробиоптерина в качестве кофактора. Фермент тирозиназа затем превращает дигидроксифенилаланин в допахинон, который может следовать различным путям с образованием эумеланин или феомеланин.

Первичным стимулом для меланогенеза и последующего образования меланосом является УФ-излучение, которое усиливает выработку меланоцитами проопиомеланокортина (РОМС) и его нижележащих продуктов, альфа-меланоцитостимулирующего гормона (альфа-МСГ) и адренокортикотропного гормона (АКТГ). Общий эффект заключается в увеличении производства эумеланина. (Интересно, что у людей с мутациями проопиомеланокортина рыжие волосы и тип кожи по Фитцпатрику 1 из-за относительного увеличения экспрессии феомеланина по сравнению с эумеланином).

Нейромеланин представляет собой темный пигмент, вырабатываемый дофаминергическими и норадренергическими клетками черной субстанции и голубого пятна как продукт распада дофамина.[5]

Функция

В различных формах меланин выполняет множество биологических функций, включая пигментацию кожи и волос и фотозащиту кожи и глаз.

Пигментация кожи возникает в результате накопления меланинсодержащих меланосом в базальном слое эпидермиса. Различия в пигментации кожи обусловлены как относительным соотношением эумеланина (коричнево-черный) и феомеланина (желто-красный), так и количеством меланосом в меланоцитах. Феомеланин отвечает за розоватую кожу губ, сосков, влагалища и головки полового члена. В целом, слегка пигментированная кожа, как правило, содержит меланоциты с скоплениями из двух-трех меланосом, тогда как темнопигментированная кожа, как правило, содержит отдельные меланосомы, которые могут легче меланизировать соседние кератиноциты. Общая плотность меланина коррелирует с темным цветом кожи, а также с типом кожи по Фитцпатрику.

Взаимодействие между меланином и УФ-излучением является сложным. Исследователи широко полагают, что производство меланина в меланоцитах увеличилось в результате эволюционной адаптации к повсеместной потере волос на теле человека более миллиона лет назад. Популяции, живущие ближе к экватору, имели тенденцию к выработке большей доли эумеланина, который является УФ-абсорбентом, антиоксидантом и поглотителем свободных радикалов. И наоборот, популяции, живущие дальше от экватора, относительно богаче феомеланином, который вырабатывает свободные радикалы в ответ на УФ-излучение, ускоряя канцерогенез. Поскольку основным стимулом для выработки кожного витамина D является воздействие УФ-излучения, отсюда следует, что темнокожие люди также, как правило, имеют более низкий уровень витамина D и должны проходить соответствующий скрининг.

Менее ясна связь между меланином, солнцем и кожной иммунологией. Как острое, так и хроническое воздействие УФ-излучения вызывает иммуносупрессию; Свет UVA используется в терапевтических целях при большом количестве кожных заболеваний, включая псориаз. Интересно, что меланин, как полагают, обладает иммуномодулирующими и даже антибактериальными свойствами, хотя лежащие в их основе механизмы еще полностью не выяснены. Злокачественные меланоциты, богатые меланином, менее чувствительны к химио-, радио- или фотодинамической терапии, а меланотические меланомы имеют более длительную безрецидивную и общую выживаемость, чем меланотические. Поэтому некоторые предложили ингибирование меланогенеза в качестве терапии злокачественной меланомы.

Меланин не только защищает кожу от фотоповреждений, но и защищает глаза. Меланин сконцентрирован в радужной оболочке и сосудистой оболочке глаза, и у людей с серым, голубым и зеленым цветом глаз, а также у альбиносов больше проблем с глазами, связанных с солнцем.

Цвет волос определяется относительным соотношением различных форм меланина:

• Черные и каштановые волосы являются результатом различных степеней черного и коричневого эумеланина

• Светлые волосы являются результатом небольшого количества коричневого эумеланина в отсутствие черного эумеланина

• Рыжие волосы являются результатом примерно равного количества феомеланина и эумеланина. Клубнично-светлые волосы являются результатом коричневого эумеланина в присутствии феомеланина.

Клиническое значение

Каждый этап образования и транспорта меланина может быть нарушен, что приводит к различным группам заболеваний: [6][7][8] Группа аутосомно-рецессивных (АР) и доминантных (АД) заболеваний, характеризующихся белой челкой, гипопигментацией кожи и преждевременным поседением волос, возникает в результате нарушения миграции меланобластов в ткани назначения (например, радужку, волосы). Различные формы также включают врожденную глухоту, гетерохромию радужки, синофриз и дистопию кантора.

Меланоциты:  Витилиго, заболевание, характеризующееся светочувствительными и депигментированными белыми пятнами, окруженными нормальной пигментацией кожи, и офтальмологическими проблемами, возникающее в результате аутоиммунного разрушения меланоцитов.

Меланосома: Синдром Чедиака-Хигаси, аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся частичным кожно-глазным альбинизмом, дисфункцией тромбоцитов, гемофагоцитарным лимфогистиоцитозом (ГЛГ) и иммунодефицитом, возникает в результате мутаций в генах, которые, вероятно, регулируют перенос лизосом. Синдром Гришелли, аутосомно-рецессивная группа заболеваний, характеризующаяся гипопигментацией волос и кожи, возникает в результате мутаций в белковом комплексе, ответственном за перенос зрелых меланосом в кератиноциты. Различные формы также включают неврологические нарушения, иммунодефицит и ГЛГ.

Тирозиназа: Фенилкетонурия, аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся умственной отсталостью, эпилепсией, светлыми, светлыми волосами и голубыми глазами, а также другими изменениями кожи, возникает в результате дефицита фермента фенилаланингидроксилазы. Пигментные изменения обусловлены конкурентным ингибированием тирозиназы накоплением фенилаланина. Глазокожный альбинизм, группа аутосомно-рецессивных заболеваний, характеризующихся гипопигментацией и глазными проблемами, возникает в результате мутаций гена тирозиназы (TYR). Синдром Фогта-Коянаги-Харады, заболевание, характеризующееся прогрессированием через фазы менингоэнцефалита, увеита, алопеции с витилигоподобной депигментацией и рецидивирующим увеитом, возникает в результате аутоиммунного разрушения связанных с меланосомой антигенов, возможно, включая сам фермент тирозиназу.

Дофаминергические нейроны: Болезнь Паркинсона, нейродегенеративное состояние, характеризующееся прогрессирующими нарушениями осанки и походки, возникает в результате выпадения нейромеланин-продуцирующих дофаминергических нейронов в головном мозге. Депигментация компактной части черной субстанции является патологическим признаком этого состояния.

Контрольные вопросы

• Доступ к бесплатным вопросам с несколькими вариантами ответов по этой теме.

• Комментарий к этой статье.

Ссылки

1.

Марандука М.А., Браништяну Д., Сербан Д.Н., Браништяну Д.С., Столериу Г., Манолаке Н., Сербан И.Л. Синтез и физиологические последствия мелановых пигментов. Онкол Летт. 2019 май; 17 (5): 4183-4187. [Бесплатная статья PMC: PMC6444329] [PubMed: 30944614]

2.

Фернандес-Флорес А., Саеб-Лима М., Кассарино Д.С. Гистопатология старения волосяного фолликула. Джей Кутан Патол. 2019 июль; 46 (7): 508-519. [В паблике: 30932205]

3.

Стараче М., Алессандрини А., Брэнди Н., Пираччини Б.М. Использование дерматоскопии ногтей при лечении меланонихии: обзор. Концепция Дерматол Практ. 2019 Янв;9(1):38-43. [Бесплатная статья PMC: PMC6368078] [PubMed: 30775147]

4.

D’Alba L, Shawkey MD. Меланосомы: биогенез, свойства и эволюция древней органеллы. Physiol Rev. 01 января 2019 г .; 99 (1): 1–19. [PubMed: 30255724]

5.

Дель Бино С., Дюваль С., Бернерд Ф. Клиническая и биологическая характеристика разнообразия пигментации кожи и его последствий при воздействии ультрафиолета. Int J Mol Sci. 2018 Сен 08;19(9) [Бесплатная статья PMC: PMC6163216] [PubMed: 30205563]

6.

Juhasz MLW, Levin MK. Роль системных процедур для осветления кожи. J Космет Дерматол. 2018 дек;17(6):1144-1157. [PubMed: 30133125]

7.

Saleem MD. Биология развития меланоцитов человека, пьебалдизм и синдром Ваарденбурга. Педиатр Дерматол. 2019 Январь; 36 (1): 72-84. [PubMed: 30561083]

8.

Карбальо-Карбахаль И., Лагуна А., Ромеро-Хименес Х., Куадрос Т., Бове Х., Мартинес-Висенте М., Родитель А., Гонсалес-Сепульведа М., Пеньюэлас Н., Торра А , Родригес-Гальван Б., Баллабио А., Хасегава Т., Бортолоцци А., Гелпи Э., Вила М. Сверхэкспрессия тирозиназы в головном мозге указывает на возрастную выработку нейромеланина в патогенезе болезни Паркинсона. Нац коммун. 201907 марта; 10 (1): 973. [Бесплатная статья PMC: PMC6405777] [PubMed: 30846695]

Биохимия, меланин — StatPearls — Книжная полка NCBI

Daniel I. Schlessinger; МакДамиан Аноруо; Джоэл Шлезингер.

Информация об авторе и организациях

Последнее обновление: 8 мая 2022 г.

Введение

Меланин — это термин, используемый для описания большой группы родственных молекул, ответственных за многие биологические функции, включая пигментацию кожи и волос и фотозащиту кожи. и глаза.[1][2][3]

Основы

У человека меланин существует в трех формах: эумеланин (который далее подразделяется на черную и коричневую формы), феомеланин и нейромеланин.

Сотовый уровень

Эумеланин и феомеланин продуцируются в различных количествах в базальном слое эпидермиса внутри клеток, называемых меланоцитами. Меланоциты представляют собой зрелые формы меланобластов, которые мигрируют из нервного гребня после закрытия нервной трубки. Поскольку меланин вырабатывается внутри меланоцитов, он упакован в небольшие круглые мембранные органеллы, называемые меланосомами. Меланосомы транспортируются от меланоцитов к соседним кератиноцитам через щупальцеподобные дендритные отростки. Меланосомы, поступающие в кератиноциты, располагаются поверхностно по отношению к ядрам клеток, что служит для защиты от входящего ультрафиолетового (УФ) излучения.

Молекулярный уровень

Первый этап биосинтеза как эумеланина, так и феомеланина начинается одинаково. Тирозин превращается в дигидроксифенилаланин (ДОФА), который требует тирозингидроксилазы и тетрагидробиоптерина в качестве кофактора. Фермент тирозиназа затем превращает дигидроксифенилаланин в допахинон, который может следовать различным путям с образованием эумеланин или феомеланин.

Первичным стимулом для меланогенеза и последующего образования меланосом является УФ-излучение, которое усиливает выработку меланоцитами проопиомеланокортина (РОМС) и его нижележащих продуктов, альфа-меланоцитостимулирующего гормона (альфа-МСГ) и адренокортикотропного гормона (АКТГ). Общий эффект заключается в увеличении производства эумеланина. (Интересно, что у людей с мутациями проопиомеланокортина рыжие волосы и тип кожи по Фитцпатрику 1 из-за относительного увеличения экспрессии феомеланина по сравнению с эумеланином).

Нейромеланин представляет собой темный пигмент, вырабатываемый дофаминергическими и норадренергическими клетками черной субстанции и голубого пятна как продукт распада дофамина. [5]

Функция

В различных формах меланин выполняет множество биологических функций, включая пигментацию кожи и волос и фотозащиту кожи и глаз.

Пигментация кожи возникает в результате накопления меланинсодержащих меланосом в базальном слое эпидермиса. Различия в пигментации кожи обусловлены как относительным соотношением эумеланина (коричнево-черный) и феомеланина (желто-красный), так и количеством меланосом в меланоцитах. Феомеланин отвечает за розоватую кожу губ, сосков, влагалища и головки полового члена. В целом, слегка пигментированная кожа, как правило, содержит меланоциты с скоплениями из двух-трех меланосом, тогда как темнопигментированная кожа, как правило, содержит отдельные меланосомы, которые могут легче меланизировать соседние кератиноциты. Общая плотность меланина коррелирует с темным цветом кожи, а также с типом кожи по Фитцпатрику.

Взаимодействие между меланином и УФ-излучением является сложным. Исследователи широко полагают, что производство меланина в меланоцитах увеличилось в результате эволюционной адаптации к повсеместной потере волос на теле человека более миллиона лет назад. Популяции, живущие ближе к экватору, имели тенденцию к выработке большей доли эумеланина, который является УФ-абсорбентом, антиоксидантом и поглотителем свободных радикалов. И наоборот, популяции, живущие дальше от экватора, относительно богаче феомеланином, который вырабатывает свободные радикалы в ответ на УФ-излучение, ускоряя канцерогенез. Поскольку основным стимулом для выработки кожного витамина D является воздействие УФ-излучения, отсюда следует, что темнокожие люди также, как правило, имеют более низкий уровень витамина D и должны проходить соответствующий скрининг.

Менее ясна связь между меланином, солнцем и кожной иммунологией. Как острое, так и хроническое воздействие УФ-излучения вызывает иммуносупрессию; Свет UVA используется в терапевтических целях при большом количестве кожных заболеваний, включая псориаз. Интересно, что меланин, как полагают, обладает иммуномодулирующими и даже антибактериальными свойствами, хотя лежащие в их основе механизмы еще полностью не выяснены. Злокачественные меланоциты, богатые меланином, менее чувствительны к химио-, радио- или фотодинамической терапии, а меланотические меланомы имеют более длительную безрецидивную и общую выживаемость, чем меланотические. Поэтому некоторые предложили ингибирование меланогенеза в качестве терапии злокачественной меланомы.

Меланин не только защищает кожу от фотоповреждений, но и защищает глаза. Меланин сконцентрирован в радужной оболочке и сосудистой оболочке глаза, и у людей с серым, голубым и зеленым цветом глаз, а также у альбиносов больше проблем с глазами, связанных с солнцем.

Цвет волос определяется относительным соотношением различных форм меланина:

• Черные и каштановые волосы являются результатом различных степеней черного и коричневого эумеланина

• Светлые волосы являются результатом небольшого количества коричневого эумеланина в отсутствие черного эумеланина

• Рыжие волосы являются результатом примерно равного количества феомеланина и эумеланина. Клубнично-светлые волосы являются результатом коричневого эумеланина в присутствии феомеланина.

Клиническое значение

Каждый этап образования и транспорта меланина может быть нарушен, что приводит к различным группам заболеваний: [6][7][8] Группа аутосомно-рецессивных (АР) и доминантных (АД) заболеваний, характеризующихся белой челкой, гипопигментацией кожи и преждевременным поседением волос, возникает в результате нарушения миграции меланобластов в ткани назначения (например, радужку, волосы). Различные формы также включают врожденную глухоту, гетерохромию радужки, синофриз и дистопию кантора.

Меланоциты:  Витилиго, заболевание, характеризующееся светочувствительными и депигментированными белыми пятнами, окруженными нормальной пигментацией кожи, и офтальмологическими проблемами, возникающее в результате аутоиммунного разрушения меланоцитов.

Меланосома: Синдром Чедиака-Хигаси, аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся частичным кожно-глазным альбинизмом, дисфункцией тромбоцитов, гемофагоцитарным лимфогистиоцитозом (ГЛГ) и иммунодефицитом, возникает в результате мутаций в генах, которые, вероятно, регулируют перенос лизосом. Синдром Гришелли, аутосомно-рецессивная группа заболеваний, характеризующаяся гипопигментацией волос и кожи, возникает в результате мутаций в белковом комплексе, ответственном за перенос зрелых меланосом в кератиноциты. Различные формы также включают неврологические нарушения, иммунодефицит и ГЛГ.

Тирозиназа: Фенилкетонурия, аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся умственной отсталостью, эпилепсией, светлыми, светлыми волосами и голубыми глазами, а также другими изменениями кожи, возникает в результате дефицита фермента фенилаланингидроксилазы. Пигментные изменения обусловлены конкурентным ингибированием тирозиназы накоплением фенилаланина. Глазокожный альбинизм, группа аутосомно-рецессивных заболеваний, характеризующихся гипопигментацией и глазными проблемами, возникает в результате мутаций гена тирозиназы (TYR). Синдром Фогта-Коянаги-Харады, заболевание, характеризующееся прогрессированием через фазы менингоэнцефалита, увеита, алопеции с витилигоподобной депигментацией и рецидивирующим увеитом, возникает в результате аутоиммунного разрушения связанных с меланосомой антигенов, возможно, включая сам фермент тирозиназу.

Дофаминергические нейроны: Болезнь Паркинсона, нейродегенеративное состояние, характеризующееся прогрессирующими нарушениями осанки и походки, возникает в результате выпадения нейромеланин-продуцирующих дофаминергических нейронов в головном мозге. Депигментация компактной части черной субстанции является патологическим признаком этого состояния.

Контрольные вопросы

• Доступ к бесплатным вопросам с несколькими вариантами ответов по этой теме.

• Комментарий к этой статье.

Ссылки

1.

Марандука М.А., Браништяну Д., Сербан Д.Н., Браништяну Д.С., Столериу Г., Манолаке Н., Сербан И.Л. Синтез и физиологические последствия мелановых пигментов. Онкол Летт. 2019 май; 17 (5): 4183-4187. [Бесплатная статья PMC: PMC6444329] [PubMed: 30944614]

2.

Фернандес-Флорес А., Саеб-Лима М., Кассарино Д.С. Гистопатология старения волосяного фолликула.

Джей Кутан Патол. 2019 июль; 46 (7): 508-519. [В паблике: 30932205]

3.

Стараче М., Алессандрини А., Брэнди Н., Пираччини Б.М. Использование дерматоскопии ногтей при лечении меланонихии: обзор. Концепция Дерматол Практ. 2019 Янв;9(1):38-43. [Бесплатная статья PMC: PMC6368078] [PubMed: 30775147]

4.

D’Alba L, Shawkey MD. Меланосомы: биогенез, свойства и эволюция древней органеллы. Physiol Rev. 01 января 2019 г .; 99 (1): 1–19. [PubMed: 30255724]

5.

Дель Бино С., Дюваль С., Бернерд Ф. Клиническая и биологическая характеристика разнообразия пигментации кожи и его последствий при воздействии ультрафиолета. Int J Mol Sci. 2018 Сен 08;19(9) [Бесплатная статья PMC: PMC6163216] [PubMed: 30205563]

6.

Juhasz MLW, Levin MK. Роль системных процедур для осветления кожи. J Космет Дерматол. 2018 дек;17(6):1144-1157. [PubMed: 30133125]

7.

Saleem MD. Биология развития меланоцитов человека, пьебалдизм и синдром Ваарденбурга.