ملانین (Melanin)

ملانین (؛ از یونانی باستان μέλας (mélas) "سیاه، تیره") به خانواده ای از مولکول های زیستی اشاره دارد که به صورت الیگومرها یا پلیمرها ساخته شده اند، که در درجه اول به عنوان رنگدانه در موجودات مختلف عمل می کنند. این رنگدانه های ملانین در سلول های تخصصی به نام ملانوسیت ها سنتز می شوند.

ملانین ( ؛ از یونانی باستان μέλας (mélas) dark') خانواده ای از مولکول های زیستی است که به صورت الیگومرها یا پلیمرها سازماندهی شده اند که در میان عملکردهای دیگر رنگدانه های بسیاری از موجودات را تامین می کنند. رنگدانه های ملانین در یک گروه تخصصی از سلول ها به نام ملانوسیت ها تولید می شوند.

پنج دسته اساسی ملانین شناسایی شده اند: یوملانین، فئوملانین، نوروملانین، آلوملانین و پیوملانین. سنتز ملانین از طریق ملانوژنز، یک فرآیند شیمیایی چند مرحله‌ای که شامل اکسیداسیون اسید آمینه تیروزین است، و سپس پلیمریزاسیون انجام می‌شود. فئوملانین، یک نوع سیستئین دار، دارای بخش های پلی بنزوتیازین است که عمدتاً مسئول ایجاد رنگ های قرمز یا زرد به انواع پوست و مو هستند. نوروملانین در مغز قرار دارد. تحقیقات کاربرد درمانی بالقوه آن را در رسیدگی به شرایط عصبی، از جمله بیماری پارکینسون، مورد بررسی قرار داده است. آلوملانین و پیوملانین دو شکل متمایز از ملانین بدون نیتروژن را نشان می دهند.

تغییرات رنگ فنوتیپی در اپیدرم و موی پستانداران عمدتاً توسط غلظت اوملانین و فئوملانین در بافت های مربوطه کنترل می شود. در افراد معمولی، یوملانین غلظت‌های بالاتری را در بافت‌هایی نشان می‌دهد که نیاز به محافظت از نور از جمله اپیدرم و اپیتلیوم رنگدانه شبکیه دارند. در میان افراد سالم، سطح ملانین اپیدرمی با قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش ارتباط دارد. در مقابل، غلظت ملانین شبکیه کاهش وابسته به سن را نشان می‌دهد و از دهه اول تا نهم زندگی 2.5 برابر کاهش می‌یابد، پدیده‌ای که به تخریب اکسیداتیو ناشی از گونه‌های اکسیژن فعال که از مسیرهای وابسته به لیپوفوسسین منشا می‌گیرند نسبت داده می‌شود. بدون در نظر گرفتن موارد آلبینیسم یا هایپرپیگمانتاسیون، اپیدرم انسان معمولاً شامل تقریباً 74٪ اوملانین و 26٪ فئوملانین است که عمدتاً مستقل از رنگ پوست است. به طور خاص، محتوای یوملانین از 71.8٪ تا 78.9٪ متغیر است، در حالی که pheomelanin بین 21.1٪ و 28.2٪ متغیر است. غلظت کل ملانین در اپیدرم از تقریباً 0 میکروگرم بر میلی گرم در بافت اپیدرم آلبینو تا بیش از 10 میکروگرم بر میلی گرم در بافت رنگدانه تیره تر است.

در پوست انسان، ملانوژنز با قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش (UV) تحریک می شود و منجر به تیره شدن پوست می شود. Eumelanin به عنوان یک جاذب نور کارآمد عمل می کند و قادر است بیش از 99.9٪ از اشعه UV جذب شده را از بین ببرد. این ویژگی مشخصه نشان می دهد که یوملانین از سلول های پوست در برابر آسیب اشعه UVA و UVB محافظت می کند و در نتیجه خطر کاهش فولات و تخریب پوست را کاهش می دهد. با این حال، قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش با افزایش خطر ابتلا به ملانوم، یک بدخیمی ناشی از ملانوسیت ها (سلول های تولید کننده ملانین) مرتبط است. تحقیقات نشان می‌دهد که میزان بروز سرطان پوست در افرادی که غلظت ملانین بالاتری دارند، کاهش یافته است.

انواع ملانین

یوملانین

یوملانین (روشن.'ملانین واقعی') به دو شکل مجزا وجود دارد که با 5,6-dihydroxyindole (DHI-2-hydriyoxicar,DHI) و 6-dihydroxyindole (DHI-2-hydriiox5) وجود دارد. (DHICA). اوملانین مشتق از DHI به رنگ قهوه ای تیره یا سیاه ظاهر می شود و نامحلول است، در حالی که اوملانین مشتق شده از DHICA رنگ روشن تر و محلول در محلول های قلیایی دارد. هر دو نوع اوملانین از اکسیداسیون تیروزین در اندامک های تخصصی به نام ملانوزوم منشاء می گیرند. این واکنش آنزیمی توسط تیروزیناز کاتالیز می شود. محصول اولیه، دوپاکینون، می تواند متعاقباً به 5،6-دی هیدروکسی اندول (DHI) یا 5،6-دی هیدروکسی اندول-2-کربوکسیلیک اسید (DHICA) تبدیل شود. هر دو DHI و DHICA تحت اکسیداسیون و پلیمریزاسیون بعدی قرار می گیرند تا دو شکل اوملانین را تولید کنند.

در شرایط فیزیولوژیکی، DHI و DHICA اغلب با هم پلیمریزه می شوند و مجموعه ای متنوع از پلیمرهای اوملانین را تولید می کنند. این ساختارهای پلیمری به طیف اجزای ملانین موجود در پوست و موی انسان کمک می‌کنند که شامل فئوملانین زرد/قرمز روشن، اوملانین غنی‌شده با DHICA قهوه‌ای روشن و اوملانین غنی‌شده با DHI قهوه‌ای تیره یا سیاه است. پلیمرهای به دست آمده هم در حلالیت و هم رنگ متفاوتی از خود نشان می دهند.

بررسی پوست بسیار رنگدانه شده (فیتزپاتریک انواع V و VI) نشان می دهد که DHI-eumelanin بخش غالب را تشکیل می دهد که تقریباً 60 تا 70 درصد را تشکیل می دهد که توسط DHICA-eumelanin که فقط 25% را نشان می دهد، جایگزین آن می شود. 2-8٪. به طور قابل توجهی، اگرچه غنی‌سازی DHI-eumelanin در طول برنزه شدن با آفتاب مشاهده می‌شود، این فرآیند همزمان با کاهش سطح DHICA-eumelanin و pheomelanin همراه است. وجود حداقل مقدار اوملانین سیاه، بدون رنگدانه های دیگر، باعث سفیدی مو می شود. به طور مشابه، مقدار کمی از یوملانین، در غیاب رنگدانه های دیگر، منجر به موهای بور می شود. Eumelanin در بافت های مختلف از جمله پوست و مو یافت می شود.

فئوملانین

فئوملانین ها (از یونانی φαιός phaios "خاکستری") مسئول طیفی از رنگ های زرد تا قرمز هستند. این رنگدانه ها غلظت بالایی را در لب ها، نوک سینه ها، غده آلت تناسلی و واژن نشان می دهند. ترکیب مقدار متوسطی از اوملانین (که معمولاً موهای بلوند تولید می کند) با فئوملانین باعث ایجاد موهای نارنجی می شود که معمولاً به عنوان موهای "قرمز" یا "زنجبیل" شناخته می شود. فئوملانین نیز در پوست وجود دارد و افرادی که موهای قرمز دارند اغلب رنگ پوست مایل به صورتی را نشان می دهند. در حالی که قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش سطوح فئوملانین را افزایش می دهد، مشابه اوملانین، فئوملانین در مو و پوست به جای جذب نور زرد تا قرمز را منعکس می کند و به طور بالقوه آسیب ناشی از اشعه ماوراء بنفش را تشدید می کند.

تولید فئوملانین به شدت به در دسترس بودن سیستئین بستگی دارد. این سیستئین به ملانوزوم منتقل می شود و در آنجا با دوپاکینون واکنش می دهد تا سیس دوپا را سنتز کند. متعاقبا، cys-dopa دستخوش یک سری دگرگونی‌ها می‌شود که در تشکیل فئوملانین به اوج خود می‌رسد. از نظر شیمیایی، فئوملانین ها با ترکیب بنزوتیازین و بنزوتیازول در ساختار الیگومری خود از یوملانین ها جدا می شوند که در حضور اسید آمینه L-سیستئین به جای DHI و DHICA تشکیل می شوند. "نوآوری تکاملی در دودمان چهارپایان." با این حال، تحقیقات معاصر حضور آنها را در گونه های خاصی از ماهی ها شناسایی کرده است.

نوروملانین

نوروملانین (NM) یک رنگدانه پلیمری نامحلول است که در جمعیت های مشخصی از نورون های کاتکول آمینرژیک در مغز سنتز می شود. انسان دارای بالاترین مقادیر NM است، با مقادیر کمتری در پستانداران دیگر و غیبت کامل در بسیاری از گونه‌های دیگر. عملکرد بیولوژیکی دقیق آن مبهم باقی مانده است. با این حال، NM انسان قابلیت اتصال کارآمدی را برای فلزات واسطه مانند آهن و سایر مولکول‌های بالقوه سمی نشان داده است. در نتیجه، فرض بر این است که نقش اساسی در آپوپتوز و پاتوژنز بیماری پارکینسون دارد.

اشکال دیگر ملانین ها

قبل از دهه 1960، ملانین منحصرا به یوملانین و فئوملانین طبقه بندی می شد. با این حال، در سال 1955، نوروملانین، ملانین مرتبط با سلول های عصبی، شناسایی شد. پس از آن، در سال 1972، پیوملانین، یک نوع محلول در آب که از اکسیداسیون اسید هموژنتیزیک به دست می‌آید، کشف شد. تا سال 1976، آلوملانین، که به عنوان پنجمین شکل متمایز ملانین شناخته می شود، در زمینه های طبیعی شناسایی شد. تشکیل آن در نتیجه اکسیداسیون ترکیباتی از جمله 1،8-دی هیدروکسی نفتالین، 1،4،6،7،9،12-هگزا هیدروکسی پریلن-3،10-کینون، و کاتکول است.

پپتیدوملانین

پپتیدوملانین یک نوع متمایز محلول در آب از ملانین است. مشاهده شده است که با جوانه زدن هاگ Aspergillus niger (سویه: melanoliber) در محیط محیط ترشح می شود. پپتیدوملانین یک کوپلیمر تشکیل شده بین L-DOPA eumelanin و پپتیدهای کوتاه است که ساختار "کرونا" ایجاد می کند و حلالیت را به ماده می دهد. این زنجیره های پپتیدی از طریق پیوندهای پپتیدی به صورت کووالانسی به پلیمر هسته L-DOPA متصل می شوند. این مشاهدات یک مسیر بیوسنتزی پیشنهادی را شامل هیدروکسیلاسیون پپتیدهای تیروزینیله یا سیستئینیله، تولید شده توسط پروتئازها در طول اسپورزایی، که متعاقباً به صورت خودکار در یک پلیمر هسته در حال گسترش L-DOPA گنجانده می‌شود، نشان می‌دهد. اکسیداز این آنزیم دارای یک مرکز کاتالیزوری دی مسی نوع 3 است که در داخل یک حفره قابل دسترسی حلال قرار دارد. تحقیقات نشان می‌دهد که این آنزیم گروه‌های تیول پپتیدهای سیستئینیله را اکسید می‌کند و در نتیجه کوپلیمریزاسیون آنها را با یک پلیمر هسته مشتق از L-DOPA تسهیل می‌کند.

سلنوملین

ملانین را می توان با سلنیوم به عنوان جایگزینی برای گوگرد غنی کرد. این آنالوگ سلنیوم فئوملانین با موفقیت از طریق مسیرهای شیمیایی و بیوسنتزی سنتز شده است و از سلنوسیستین به عنوان پیش ساز استفاده می شود. با توجه به عدد اتمی بالای سلنیوم، پیش‌بینی می‌شود که سلنوملانین به‌دست‌آمده در برابر تشعشعات یونیزان در مقایسه با سایر اشکال ملانین تثبیت‌شده، محافظت عالی‌تری ارائه دهد. مطالعات تجربی مربوط به سلول‌های انسانی و باکتری‌ها این ظرفیت محافظتی را تأیید کرده‌اند و کاربردهای بالقوه‌ای را در اکتشاف فضایی پیشنهاد می‌کنند.

Trichochromes

تریکوکروم ها (که قبلاً به عنوان تریکوسیدرین شناخته می شدند) رنگدانه هایی هستند که از طریق مسیر متابولیکی مشابه اوملانین ها و فئوملانین ها سنتز می شوند. با این حال، آنها وزن مولکولی پایینی دارند که آنها را از دومی متمایز می کند. این ترکیبات در انواع خاصی از موهای قرمز انسان یافت می شوند.

انسان

در انسان، ملانین به عنوان عامل تعیین کننده اصلی رنگ پوست عمل می کند. علاوه بر این، در مو، بافت رنگدانه‌دار زیر عنبیه چشم و استریا واسکولاریس گوش داخلی وجود دارد. در داخل مغز، بافت‌های حاوی ملانین، بصل النخاع و نورون‌های رنگدانه‌دار واقع در نواحی ساقه مغز، از جمله لوکوس سرولئوس را در بر می‌گیرند. علاوه بر این، وجود آن در زونا رتیکولاریس غده فوق کلیوی مشاهده می‌شود.

ملانین پوستی توسط ملانوسیت‌ها که در لایه پایه اپیدرمی قرار دارند، سنتز می‌شود. در حالی که انسان ها به طور کلی غلظت ملانوسیت های مشابهی را در پوست خود نشان می دهند، ملانوسیت ها در افراد و جمعیت های قومی خاص مقادیر متفاوتی از ملانین تولید می کنند. نسبت اپیدرمی یوملانین (74٪) به فئوملانین (26٪) صرف نظر از سطح رنگدانه ثابت باقی می ماند. شرایطی که آلبینیسم نامیده می‌شود با سنتز حداقل یا غایب ملانین در افراد خاص مشخص می‌شود.

با توجه به اینکه ملانین مجموعه‌ای از مولکول‌های کوچک‌تر تشکیل دهنده را تشکیل می‌دهد، انواع ملانین متعددی وجود دارد که با نسبت‌ها و آرایش‌های پیوندی متفاوت این اجزای مولکولی متمایز می‌شوند. هر دو pheomelanin و eumelanin در پوست و موی انسان وجود دارند. با این حال، یوملانین نشان دهنده ملانین غالب در انسان است و شکلی است که اغلب در موارد آلبینیسم کمبود دارد.

ملانین در سراسر ارگانیسم ها

ملانین ها نقش ها و عملکردهای بسیار متنوعی را در طیف وسیعی از موجودات از خود نشان می دهند. به عنوان مثال، یک نوع ملانین جوهری را تشکیل می دهد که توسط سفالوپودهای متعدد به عنوان یک مکانیسم دفاعی در برابر شکار استفاده می شود. علاوه بر این، ملانین ها از میکروارگانیسم ها، از جمله باکتری ها و قارچ ها، در برابر آسیب سلولی ناشی از عوامل استرس زا مانند اشعه UV خورشیدی و گونه های فعال اکسیژن محافظت می کنند. ملانین علاوه بر این، محافظت در برابر آسیب های ناشی از دماهای بالا، عوامل استرس زای شیمیایی (مانند فلزات سنگین و عوامل اکسید کننده) و چالش های بیوشیمیایی (به عنوان مثال، پاسخ های ایمنی میزبان به میکروب های مهاجم) ایجاد می کند. در نتیجه، در بسیاری از میکروب های بیماری زا (به عنوان مثال، قارچ Cryptococcus neoformans)، به نظر می رسد ملانین ها با محافظت از میکروارگانیسم در برابر پاسخ های ایمنی میزبان، به میزان قابل توجهی در حدت و بیماری زایی نقش دارند. در بی مهرگان، ملانین یک جزء حیاتی از سیستم دفاعی ذاتی دفاعی در برابر عوامل بیماری‌زای مهاجم را تشکیل می‌دهد. دقایقی پس از عفونت، میکروب تحت کپسوله شدن درون ملانین (ملانیزاسیون) قرار می‌گیرد و اعتقاد بر این است که تولید همزمان محصولات جانبی رادیکال‌های آزاد در طول تشکیل کپسول، ریشه‌کنی میکروبی را تسهیل می‌کند. گونه‌های قارچی خاصی که به عنوان قارچ‌های رادیوتروفیک شناخته می‌شوند، ظاهراً از ملانین به عنوان رنگدانه فتوسنتزی استفاده می‌کنند و به آنها اجازه می‌دهد تا اشعه گاما را جذب کرده و این انرژی را برای رشد تبدیل کنند.

در گونه‌های ماهی ماهی، ملانین نه تنها در پوست بدن بلکه در اندام‌های داخلی از جمله چشم‌ها نیز وجود دارد. در حالی که اکثر گونه‌های ماهی از eumelanin استفاده می‌کنند، Stegastes apicalis و Cyprinus carpio از pheomelanin استفاده می‌کنند.

رنگدانه‌های تیره‌تر پرهای پرندگان به ملانین نسبت داده می‌شود، و آنها را در مقایسه با تجزیه باکتری‌ها یا تخریب غیر رنگدانه‌ای فک‌های گوشتی کمتر مستعد می‌کند. همچنین پرهای حاوی ملانین نسبت به پرهای فاقد ملانین 39 درصد مقاومت بیشتری در برابر سایش نشان می‌دهند، زیرا گرانول‌های ملانین به پر کردن فضاهای بین‌بافتی بین رشته‌های کراتین تشکیل‌دهنده پرها کمک می‌کنند. سنتز فئوملانین پرندگان مستلزم دریافت سیستئین است، یک آمینو اسید نیمه ضروری که برای سنتز آنتی اکسیدان گلوتاتیون (GSH) حیاتی است، اما اگر در مقادیر زیاد رژیم غذایی مصرف شود، بالقوه سمی است. در نتیجه، گونه‌های پرندگان گوشت‌خوار متعدد، که با مصرف پروتئین زیاد در رژیم غذایی مشخص می‌شوند، رنگ‌های مشتق از فئوملانین را نشان می‌دهند.

ملانین همچنین نقش مهمی در رنگ‌دانه پستانداران دارد. الگوهای پوشش پستانداران توسط ژن آگوتی، که بر توزیع ملانین حاکم است، دیکته می شود. مکانیسم های زیربنایی این ژن به طور کامل در موش ها بررسی شده است و بینش هایی را در مورد طیف گسترده ای از الگوهای پوشش پستانداران ارائه می دهد.

در بندپایان، رسوب ملانین در ساختارهای لایه ای مشاهده شده است که یک بازتابنده براگ را تشکیل می دهد که با ضریب شکست متناوب مشخص می شود. هنگامی که تناوب این الگو با طول موج نور مرئی مطابقت دارد، رنگ ساختاری ظاهر می شود و رنگ کمانی رنگینی به گونه های مختلف می دهد.

عنکبوت ها یکی از معدود گروه های طبقه بندی هستند که ملانین به راحتی شناسایی نشده است، اگرچه داده های تحقیقاتی نشان می دهد که عنکبوت ها در واقع در سنتز منلان هستند.

برخی از گونه‌های شب پره، مانند پروانه ببر چوبی، از سنتز ملانین از منابع موجود برای بهبود قابلیت‌های تنظیم حرارت استفاده می‌کنند. در سراسر توزیع عرضی گسترده پروانه ببر چوبی، یک همبستگی مشاهده شده است که در آن جمعیت‌هایی که در شمال واقع شده‌اند سطوح ملانیزاسیون بالایی را نشان می‌دهند. در میان فنوتیپ‌های نر زرد و سفید این گونه، افرادی که محتوای ملانین بیشتری داشتند، ظرفیت بیشتری برای حفظ گرما نشان دادند. با این حال، این مزیت با افزایش خطر شکار، که به سیگنال‌دهی آپوزماتیک کم‌تر و قوی‌تر نسبت داده می‌شود، خنثی شد.

ملانین به طور بالقوه به مگس‌های مگس سرکه و مدل‌های موش در برابر آسیب DNA ناشی از تشعشعات غیر فرابنفش محافظت می‌کند.

گیاهان

ملانین‌های سنتز شده توسط گیاهان به دلیل ظرفیت تولید کاتکول بر اثر همجوشی قلیایی، گهگاه به‌عنوان «ملانین‌های کاتکول» نام‌گذاری می‌شوند. این نوع ملانین اغلب در طی فرآیند قهوه ای شدن آنزیمی در میوه ها مشاهده می شود که نمونه آن موز است. ملانین استخراج شده از پوسته شاه بلوط هم به عنوان یک آنتی اکسیدان و هم به عنوان یک عامل رنگ دهنده طبیعی کاربرد دارد. بیوسنتز آن مستلزم اکسیداسیون ایندول-5،6-کینون است که توسط پلی فنل اکسیداز نوع تیروزیناز کاتالیز می شود که از تیروزین و کاتکول آمین ها سرچشمه می گیرد، که در تشکیل ملانین کاتکول به اوج خود می رسد. با وجود این، گونه های گیاهی متعددی دارای ترکیباتی هستند که به طور فعال تولید ملانین را سرکوب می کنند.

تفسیر به عنوان یک مونومر منفرد

درک معاصر تصدیق می‌کند که ملانین‌ها فاقد ساختار منحصر به فرد و مشخص یا ترکیب استوکیومتری هستند. با وجود این، پایگاه‌های داده شیمیایی مختلف، از جمله PubChem، فرمول‌های ساختاری و تجربی خاصی را فهرست می‌کنند. یک مثال رایج 3,8-Dimethyl-2,7-dihydrobenzo[1,2,3-cd:4,5,6-c′d′]diindole-4,5,9,10-tetrone با فرمول تجربی C18H§1112§N§1314§O§1516§. این نمایش را می توان به عنوان یک مونومر فرضی در نظر گرفت که با ترکیب عنصری اندازه گیری شده و ویژگی های خاص ملانین هماهنگ است، اگرچه وقوع طبیعی آن غیرمحتمل است. سولانو معتقد است که این قرارداد گمراه‌کننده بالقوه از گزارشی در سال 1948 که یک فرمول تجربی را به تفصیل شرح می‌دهد، سرچشمه می‌گیرد، اما هیچ زمینه تاریخی دیگری ارائه نمی‌دهد.

مسیرهای بیوسنتزی

مرحله اولیه در مسیرهای بیوسنتزی برای یوملانین ها و فئوملانین ها توسط آنزیم تیروزیناز انجام می شود.

تیروزین ← DOPA ← دوپاکینون

دوپاکینون قادر به واکنش با سیستئین از طریق دو مسیر مجزا است که منجر به تشکیل بنزوتیازین‌ها و متعاقباً فئوملانین‌ها می‌شود.

دوپاکینون + سیستئین ← 5-S-سیستئینیل دوپا ← بنزوتیازین واسطه ← فئوملانین

دوپاکینون + سیستئین ← 2-S-سیستئینیل دوپا ← بنزوتیازین حد واسط ← فئوملانین

علاوه بر این، دوپاکینون می‌تواند به لوکودواپاکروم تبدیل شود و متعاقباً از طریق دو مسیر دیگر برای تولید یوملانین‌ها ادامه یابد.

دوپاکینون ← لئوکودواکروم ← دوپاکروم ← 5،6-دی هیدروکسی اندول-2-کربوکسیلیک اسید ← کینون ← یوملانین

دوپاکینون ← لئوکودواکروم ← دوپاکروم ← 5،6-دی هیدروکسی اندول ← کینون ← یوملانین

مسیرهای متابولیک جامع در پایگاه داده KEGG قابل دسترسی است.

ظاهر میکروسکوپی

ملانین از نظر میکروسکوپی به صورت یک ماده قهوه ای، غیر انکسار و دانه های ریز، با گرانول های مجزا که معمولاً کمتر از 800 نانومتر قطر دارند، ظاهر می شود. این مورفولوژی مشخصه ملانین را از رنگدانه های رایج تجزیه خون متمایز می کند که عموما بزرگتر، نامنظم تر، شکست پذیرتر هستند و طیف رنگی از سبز تا زرد یا قهوه ای مایل به قرمز را نشان می دهند. در ضایعاتی که با رنگدانه قابل توجه مشخص می شوند، دانه های غلیظ ملانین ممکن است شفافیت معاینه بافت شناسی را مختل کنند. محلول رقیق شده پرمنگنات پتاسیم به عنوان یک عامل سفید کننده موثر برای ملانین عمل می کند.

اختلالات ژنتیکی و حالات بیماری

آلبینیسم چشمی (OCA) تقریباً نه نوع متمایز را در بر می گیرد که عمدتاً به عنوان یک اختلال اتوزومال مغلوب ظاهر می شود. شیوع اشکال خاص OCA به طور قابل توجهی در بین جمعیت های قومی مختلف متفاوت است. به عنوان مثال، آلبینیسم چشمی نوع 2 (OCA2)، شایع ترین شکل، فراوانی قابل توجهی در میان افراد سیاه پوست آفریقایی تبار و اجداد اروپایی سفیدپوست نشان می دهد. افراد مبتلا به OCA2 معمولاً با پوست روشن ظاهر می شوند، اگرچه معمولاً نسبت به افرادی که تحت تأثیر OCA1 قرار گرفته اند کم رنگ تر هستند. این افراد اغلب رنگ مو از بلوند کم رنگ تا طلایی، بلوند توت فرنگی یا حتی قهوه ای را نشان می دهند که اغلب با چشم های آبی همراه است. اکثریت قابل‌توجهی، 98.7 تا 100 درصد از اروپایی‌های مدرن حامل آلل SLC24A5 مشتق‌شده هستند، که یک عامل تعیین‌کننده ژنتیکی شناخته شده آلبینیسم چشمی غیرسندرمیک است. این بیماری یک اختلال اتوزومال مغلوب است که با کاهش مادرزادی یا عدم وجود کامل رنگدانه ملانین در پوست، مو و چشم مشخص می شود. فراوانی تخمینی OCA2 در میان آمریکایی های آفریقایی تبار 1 در 10000 است، رقمی که به شدت با فراوانی آن 1 در 36000 در میان آمریکایی های اروپایی اروپایی متفاوت است. در برخی از کشورهای آفریقایی، فراوانی این اختلال حتی بیشتر است و از 1 در 2000 تا 1 در 5000 متغیر است. گونه دیگری از آلبینیسم که "زالی چشمی زرد" نامیده می شود، شیوع بالاتری در جامعه آمیش ها را نشان می دهد که اصل و نسب آنها عمدتاً سوئیسی و آلمانی است. افراد مبتلا به این نوع IB معمولاً در بدو تولد با مو و پوست سفید ظاهر می‌شوند، اما متعاقباً در دوران شیرخوارگی دچار رنگدانه‌های طبیعی پوست می‌شوند.

آلبینیسم چشمی نه تنها بر رنگدانه‌های چشم تأثیر می‌گذارد، بلکه به‌طور قابل‌توجهی در حدت بینایی نیز اختلال ایجاد می‌کند. افراد مبتلا به آلبینیسم به طور کلی عملکرد بینایی ضعیفی از خود نشان می دهند و اندازه گیری حدت معمولاً در محدوده 20/60 تا 20/400 قرار می گیرد. علاوه بر این، دو شکل خاص از آلبینیسم، که به ویژه در بین افراد با منشاء پورتوریکویی با شیوع تقریبی 1 در 2700 شایع است، با نرخ مرگ و میر بیش از میزان مرگ و میر ناشی از ملانوما مرتبط است.

ارتباط بین آلبینیسم و ​​ناشنوایی به طور گسترده ای شناخته شده است. چارلز داروین در رساله مهم خود در سال 1859، درباره منشاء گونه ها، به این مشاهدات اشاره کرد که "گربه هایی که کاملا سفید هستند و چشمان آبی دارند عموما ناشنوا هستند". در انسان، بروز همزمان هیپوپیگمانتاسیون و ناشنوایی مشخصه سندرم نادر Waardenburg است که عمدتاً در جمعیت هوپی در آمریکای شمالی مشاهده می شود. بروز آلبینیسم در میان افراد هوپی تقریباً 1 در 200 تخمین زده شده است. الگوهای مشابهی از آلبینیسم و ​​ناشنوایی در سایر گونه های پستانداران از جمله سگ سانان و جوندگان ثبت شده است. با این وجود، به نظر نمی‌رسد که فقدان ملانین خود عامل مستقیم ناشنوایی مرتبط با هیپوپیگمانتاسیون باشد، زیرا اکثر افراد فاقد آنزیم‌های لازم برای سنتز ملانین عملکرد شنوایی طبیعی دارند. درعوض، اختلال حلزون ناشی از عدم وجود ملانوسیت ها در استریا واسکولاریس گوش داخلی است، اگرچه مکانیسم های دقیق زیربنای این پدیده به طور کامل شناخته نشده است.

در بیماری پارکینسون، یک اختلال عصبی که بر عملکرد عصبی- حرکتی تأثیر می گذارد، کاهش سطح نوروملانین، زیربنایی و زیر پوستی در داخل گوش مشاهده می شود. تخریب انتخابی نورون های رنگدانه دوپامینرژیک و نورآدرنرژیک. در نتیجه، این منجر به کاهش سنتز دوپامین و نوراپی نفرین می شود. اگرچه هیچ ارتباط مستقیمی بین نژاد و سطح نوروملانین در ماده سیاه ثابت نشده است، اما شیوع بسیار کمتر بیماری پارکینسون در میان افراد سیاهپوست در مقایسه با افراد سفیدپوست، برخی را برانگیخته است که نشان دهند ملانین پوستی ممکن است به نحوی از نوروملانین موجود در ماده سیاه در برابر سموم خارجی محافظت کند.

علاوه بر کمبود ملانین، وزن مولکولی پلیمر ملانین را می توان با عوامل متعددی کاهش داد، از جمله استرس اکسیداتیو، قرار گرفتن در معرض نور، تغییرات در ارتباط آن با پروتئین های ماتریکس ملانوزومی، تغییر در pH، یا تغییرات در غلظت های محلی یون های فلزی. کاهش وزن مولکولی یا درجه پلیمریزاسیون ملانین چشمی برای تبدیل این پلیمر معمولی آنتی اکسیدانی به یک پرواکسیدان فرض شده است. در ترکیب پرواکسیدانی خود، ملانین در علت و پیشرفت دژنراسیون ماکولا و ملانوم نقش دارد. راساگیلین، یک عامل تک درمانی مهم برای بیماری پارکینسون، هم خاصیت اتصال ملانین و هم ظرفیت کاهش تومورهای ملانوما را نشان می دهد.

سطوح بالاتر اوملانین همچنین می تواند معایبی را به همراه داشته باشد، فراتر از افزایش حساسیت به کمبود ویتامین D. علاوه بر این، رنگ‌های تیره‌تر پوست عامل پیچیده‌تری در حذف لیزر لکه‌های پورت واین هستند. در حالی که به طور کلی برای افرادی با پوست روشن‌تر مؤثر است، درمان‌های لیزری در از بین بردن لکه‌های شراب پورت در بیماران آسیایی یا آفریقایی کارآیی کمتری نشان می‌دهند. افزایش غلظت ملانین در افراد با رنگ‌های تیره‌تر تمایل به انتشار و جذب تابش لیزر دارد و در نتیجه مانع از جذب نور توسط بافت هدف می‌شود. این پدیده به طور مشابه مداخلات لیزری را برای سایر بیماری‌های پوستی در افراد دارای پوست تیره‌تر پیچیده‌تر می‌کند.

کک و مک و خال ناشی از غلظت موضعی ملانین در پوست است. این تشکل‌ها به شدت با انواع پوست‌های روشن‌تر همبستگی دارند.

نیکوتین تمایلی به بافت‌های حاوی ملانین نشان می‌دهد که به نقش آن به عنوان پیش‌ساز در سنتز ملانین یا اتصال برگشت‌ناپذیر آن به ملانین نسبت داده می‌شود. فرض بر این است که این ویژگی به افزایش وابستگی به نیکوتین و کاهش نرخ ترک سیگار در افراد با رنگدانه‌های تیره‌تر کمک می‌کند.

انطباق‌های انسانی

فیزیولوژی

ملانوسیت ها گرانول های ملانین را وارد وزیکول های سلولی تخصصی می کنند که به عنوان ملانوزوم شناخته می شوند. متعاقباً، این ملانوزوم ها به سلول های کراتینوسیت در اپیدرم انسان منتقل می شوند. در درون هر سلول گیرنده، ملانوزوم‌ها در بالای هسته سلول جمع می‌شوند و در نتیجه DNA هسته‌ای را در برابر جهش‌های ناشی از اشعه ماوراء بنفش یونیزه ساطع شده از خورشید محافظت می‌کنند. جمعیت هایی با منشاء اجدادی در مناطق استوایی معمولاً غلظت بالاتری از اوملانین را در پوست خود نشان می دهند. این رنگدانه یک رنگ قهوه‌ای یا سیاه ایجاد می‌کند و در برابر قرار گرفتن در معرض شدید خورشید محافظت می‌کند، که معمولاً در افرادی با پوست روشن‌تر منجر به ملانوم می‌شود.

با این حال، همه اثرات رنگدانه‌ها ذاتاً سودمند نیستند. در آب و هوای گرم، رنگدانه ها بار حرارتی را افزایش می دهند، به طوری که افراد دارای پوست تیره در مقایسه با افرادی که پوست بسیار روشن دارند، تقریباً 30٪ گرمای خورشیدی بیشتری جذب می کنند. با این حال، این اثر ممکن است با افزایش تعریق کاهش یابد. برعکس، در محیط های سردتر، پوست تیره منجر به اتلاف حرارت بیشتر از طریق تشعشع می شود. علاوه بر این، رنگدانه مانع سنتز ویتامین D می شود. با توجه به اینکه به نظر نمی رسد رنگدانه به طور انحصاری برای بقا در مناطق گرمسیری مفید باشد، فرضیه های جایگزینی در مورد اهمیت بیولوژیکی آن ارائه شده است، مانند پتانسیل آن به عنوان یک پدیده ثانویه ناشی از سازگاری با انگل ها و بیماری های گرمسیری.

منشاء تکاملی

جمعیت‌های اولیه انسانی رنگدانه‌های تیره پوست را به عنوان پاسخی سازگار به ریزش موهای بدن ایجاد کردند که متعاقباً تأثیر اشعه ماوراء بنفش (UV) را تشدید کرد. قبل از تکامل بی‌مویی، انسان‌های اجدادی احتمالاً پوست روشن‌تری در زیر خز خود داشتند، شبیه به آنچه در سایر گونه‌های نخستی‌ها مشاهده می‌شود. انسان‌های مدرن از نظر تشریحی تقریباً 200000 تا 100000 سال پیش در آفریقا به وجود آمدند و متعاقباً از طریق مهاجرت‌هایی که بین 80000 تا 50000 سال پیش رخ داد در سراسر جهان پراکنده شدند و شواهدی از آمیختگی با گونه‌های انسان باستانی (مانند نئاندرتال‌ها، نئاندرتال‌ها و مناطق بالقوه دیگر) وجود داشت. اولین انسان‌های مدرن پوست تیره‌تری داشتند که قابل مقایسه با جمعیت‌های بومی آفریقایی معاصر بود. پس از مهاجرت به آسیا و اروپا، فشار انتخابی به نفع پوست تیره تر و محافظ در برابر اشعه ماوراء بنفش کاهش یافت. این کاهش فشار انتخابی منجر به طیف متنوعی از رنگ پوست انسان شد که امروزه مشاهده می شود. در میان دو نوع ژن رایج مرتبط با پوست روشن‌تر انسان، Mc1r شواهدی از انتخاب مثبت نشان نمی‌دهد، در حالی که SLC24A5 به وضوح تحت انتخاب مثبت قرار گرفته است.

افکت‌ها

مشابه جمعیت‌هایی که به سمت شمال مهاجرت کردند، افراد با پوست روشن‌تر که به سمت استوا نقل مکان می‌کنند، با تابش شدیدتر خورشیدی سازگار می‌شوند. انتخاب طبیعی به نفع کاهش تولید ملانین در محیط هایی است که با اشعه ماوراء بنفش ضعیف مشخص می شود. پوست اکثر افراد با قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش تیره می شود و در نتیجه در صورت لزوم محافظت بیشتری ایجاد می کند. این فرآیند نشان دهنده عملکرد فیزیولوژیکی برنزه شدن در برابر آفتاب است. افرادی که پوست تیره‌تری دارند، که مقادیر بیشتری یوملانین محافظ پوست را سنتز می‌کنند، در برابر آفتاب‌سوختگی و شروع ملانوم، یک نوع بالقوه کشنده سرطان پوست، دفاعی عالی دارند. آن‌ها همچنین انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به سایر مسائل بهداشتی مرتبط با قرار گرفتن در معرض تابش شدید خورشید، از جمله تخریب نوری ویتامین‌های ضروری مانند ریبوفلاوین، کاروتنوئیدها، توکوفرول و فولات نشان می‌دهند.

ملانین در عنبیه و مشیمیه چشم محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش و نور مرئی با فرکانس بالا را ارائه می دهد. افرادی که چشم های آبی، سبز یا خاکستری دارند، حساسیت بیشتری نسبت به مشکلات چشمی مرتبط با قرار گرفتن در معرض نور خورشید دارند. به طور همزمان، لنز چشمی دچار زردی مرتبط با افزایش سن می شود که مزایای محافظتی بیشتری را به همراه دارد. با این وجود، این سفت شدن لنز مربوط به سن همچنین منجر به کاهش قابل توجه ظرفیت انطباق آن می شود - توانایی تغییر شکل آن برای فوکوس روی اشیاء در فواصل مختلف - کاهشی که احتمالاً به پیوند متقابل پروتئین ناشی از اشعه ماوراء بنفش نسبت داده می شود.

بررسی های معاصر نشان می دهد که ملانین ممکن است نقش محافظتی فراتر از اثر محافظتی آن را داشته باشد. ملانین از طریق گروه‌های هیدروکسیل کربوکسیلات و فنولیک خود، توانایی مؤثری برای کلات کردن یون‌های فلزی نشان می‌دهد، که غالباً از کارایی عوامل کلات‌کننده قوی مانند اتیلن دی‌آمین تترا استات (EDTA) پیشی می‌گیرد. در نتیجه، ملانین می تواند برای جداسازی یون های فلزی سمی بالقوه عمل کند و در نتیجه از یکپارچگی سلولی محافظت کند. این پیشنهاد با مشاهدات در بیماری پارکینسون، که در آن کاهش نوروملانین با افزایش غلظت آهن در مغز مرتبط است، اثبات شده است.

ویژگی‌های فیزیکی و کاربردهای فناوری

داده‌های تجربی از حضور یک هتروپلیمر بسیار متقابل متصل به ملانوپروتئین‌های داربست ماتریکس پشتیبانی می‌کنند. یک فرضیه بیان می کند که ظرفیت آنتی اکسیدانی ملانین به طور مستقیم با درجه پلیمریزاسیون یا وزن مولکولی آن در ارتباط است. شرایط ناکافی برای پلیمریزاسیون کارآمد مونومرهای ملانین می‌تواند منجر به تشکیل ملانین با وزن مولکولی پایین‌تر و پرواکسیدانت شود که در علت و پیشرفت دژنراسیون ماکولا و ملانوم نقش دارد. علاوه بر این، مسیرهای سیگنالینگ که ملانیزاسیون را در اپیتلیوم رنگدانه شبکیه (RPE) افزایش می‌دهند، ممکن است به کاهش فاگوسیتوز بخش خارجی میله توسط RPE کمک کنند. این مشاهدات تا حدی با پدیده کاهش فووئال در دژنراسیون ماکولا مرتبط است.

نقش در متاستاز ملانوم

سلول‌های ملانوم دارای رنگدانه شدید مدول یانگ تقریباً 4.93 کیلو پاسکال را نشان می‌دهند که به طور قابل‌توجهی بالاتر از 0.98 کیلو پاسکال مشاهده شده در سلول‌های غیر رنگدانه‌دار است. خاصیت ارتجاعی سلول های ملانوما یک عامل مهم موثر بر متاستاز و رشد تومور است. تومورهای بدون رنگدانه بزرگتر هستند و با تسهیلات بیشتری نسبت به همتایان رنگدانه خود منتشر می شوند. با توجه به اینکه هم سلول های رنگدانه دار و هم سلول های بدون رنگدانه در تومورهای ملانوما وجود دارند، این ناهمگنی امکان حضور همزمان فنوتیپ های مقاوم به دارو و متاستاتیک را فراهم می کند.

مراجع

مراجع

"طیف جذب ملانین." گروه علوم و فناوری کامپیوتر.

• "طیف جذب ملانین". گروه علوم و فناوری کامپیوتر."متابولیسم تیروزین—مسیر مرجع." دانشنامه ژن و ژنوم کیوتو. بازیابی 13 ژوئن 2024."ملانوژنز." دایره المعارف ژن ها و ژنوم های کیوتو. بازیابی شده 13 ژوئن 2024.منبع: بایگانی آکادمی TORIma