Меланин в эпидермисе

Меланоци́ты — специализированные клетки кожи, вырабатывающие пигмент меланин. У человека определяют конституционную меланиновую пигментацию (цвет кожи) и возможность загара. Имеют нейральное происхождение [1] (из нервного гребня).

Содержание

Функции [ править | править код ]

Меланоциты выполняют защитную функцию, так как выделение меланина является ответной защитной реакцией организма на ультрафиолетовое излучение. Имеют вид разветвлённых (деревообразных) клеток, тело которых лежит в базальном слое эпидермиса, а длинные отростки идут в шиповатый [1] . Меланоциты синтезируют меланин (черно-коричневый (эумеланин) или желто-красный (феомеланин), отвечающие за окрашивание глаз, кожи и волос) и накапливают в теле клетки в меланосомах, которые транспортируются в отростки. Из последних они поступают в кератиноциты эпидермиса, где защищают их ядерный аппарат от повреждения ультрафиолетовыми лучами, а в дальнейшем разрушаются лизосомами. Синтез меланина и его транспорт в эпителиальные клетки стимулируются меланостимулирующим гормоном (МСГ) и АКТГ, а также действием солнечных лучей [1] .

Большинство меланоцитов располагаются в коже, внутреннем ухе, пигментированной части эпителия сетчатки глаза, а также сосудистого слоя глаз. Нейромеланин продуцируется в больших количествах в катехоламинергических клетках чёрной субстанции(точнее, в отделе pars compacta) и голубого пятна, придавая этим структурам характерный цвет. У птиц и млекопитающих меланоциты находятся в основании волос и перьев и определяют окраску шерсти и оперения. У амфибий и рептилий изменение распределения пигмента внутри меланоцитов (меланофоров) связаны с изменениями окраски тела.

Общая характеристика меланина. Разнообразный цвет кожи человека опре­деляется относительным содержанием в ней меланина, оксигемоглобина, восста­новленного гемоглобина и каротина, однако именно меланин является основ­ным пигментом, от которого зависит цвет кожи, волос и глаз. Он выполняет также функции фильтра, уменьшающего опасное воздействие на кожу ультра­фиолетовых лучей и таким образом предотвращающего острую реакцию на сол­нечные ожоги и хроническое воздействие лучистой энергии, в том числе рак кожи.

Получив свое название от греческого слова «melas», что означает черный, меланин представляет собой белковосвязанный полимер, образующийся при окислении тирозина тирозиназой до дигидроксифенилаланина (ДОФА) в меланоцитах, специализированных шиловидных эпидермоцитах, производных нервного гребешка. Структура меланина неизвестна, поскольку эумеланин настолько не растворим, что все попытки фрагментировать его на идентифицируемые частицы оказались безуспешными. Вместе с тем известно, что все меланины животного происхождения содержат индолы и состоят в основном из индол-5,6-хиноновых единиц в противоположность меланинам растительного происхождения, содер­жащим катехолы. Феомеланнны представляют собой желто-коричневые серо-содержащие пигменты, которые в отличие от эумеланина легко растворяются в щелочных растворах. Феомеланины находятся лишь в волосах и окрашивают их в рыжий цвет.

Цвет кожи определяется содер­жанием меланина в кератиноцитах, представляющих собой клетки-ре­цепторы меланинсодержащих органелл, формируемых меланоцитами и названных меланосомами. В нор­ме цвет кожи детерминирован ге­нетическими или конституциональными факторами и не изменяется в некоторых участках тела (напри­мер, в области ягодиц), поскольку кожа не подвергается внешним воздействиям, или цвет ее изменяет­ся под действием солнечных лучей (загар) в результате усиленной пигментации под влиянием гормо­нов, стимулирующих меланоциты (МСГ).

Биосинтез меланина. Система меланоцитов состоит из самих ме­ланоцитов, локализующихся на гра­нице дермы и эпидермиса, в воло­сяных луковицах, увеальном трак-Рис. 51-1. Схематическое изображе­ние эмбрионального источника то­пографии и развитие меланоцитов у человека (с разрешения В. Stanbury и др.).

Рис. 51-2. Схематическое изображение эпидермального меланинового комп­лекса. а: Меланоцит снабжает меланосомами группу кератиноцитов.

Представлены четыре биоло­гических процесса в образо­вании и упаковке меланосом, лежащие в основе меланиновой пигментации у представителей негроидной и европеоидной популяций (б): 1) образование в меланоцитах меланосом; 2) меланизация меланосом в меланоцитах; 3) секреция кератиноцитами меланоцитов; 4) транспорт меланоцитов кератиноцитами с разруше­нием меланосом в лизосомоподобных органеллах (у представителей европеоидной популяции) или без за­метного их разрушения (у представителей негроидной популяции). Обратите вни­мание на разные размеры меланосом в черных и бе­лых эпидермальных кератиноцитах: в черных кератиноцитах они не образуют агрегатов, в белых — груп­пы из нескольких мелано­сом образуют скопления в ограниченных мембраной лизосомоподобных органеллах: меланосомы часто фрагментированы (G — ап­парат Гольджи. N — ядро, I-IV — четыре стадии раз­вития меланосомы).

Рис. 51-3. Биосинтез меланина из тирозина.

Рис.51-4. Схематическое изобра­жение меланогенеза в коже чело­века при световом и электронно-микроскопическом исследовании.

те, пигментном эпителии сетчатки, внутреннем ухе и мягкой мозговой оболочке 1рис. 51-1). Эта система аналогична хромаффинной системе (но о связи между ними ничего не известно), клетки которой также являются производными нерв­ного гребня и обладают биохимическими механизмами для гидроксилированин тирозина в ДОФА. Однако в хромаффинной системе ферментом служит не тирозиназа, а тирозингидроксилаза, ДОФА же превращается в адренохром, а не в тирозиномеланин.

Локализующиеся в эпидермисе на границе с дермой меланоциты представ­ляют собой отростчатые клетки, функционально связанные с некоторыми кера­тиноцитами; каждый меланоцит и соответствующие ему 36 кератиноцитов со­ставляют эпидермальную меланиновую единицу (рис. 51-2), обеспечивающую направленный транспорт специализированных тирозиназосодержащих меланинпродуцирующих органелл (меланосомы) к кератиноцитам. Меланосомы, эти эллипсоидные органеллы, формируются в зоне эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи. Вначале они представляют собой не содержащие меланина сферические структуры, которые по мере накопления пигмента темнеют, уплотняются и приобретают овальную форму.

Тирозиназа, играющая роль основного фермента в механизмах продукции меланина, относится к большой группе медьсодержащих аэробных оксидаз, ката­лизирующих окисление моногидрокси- и о-дигидроксифенола в ортахиноны. У человека и других млекопитающих она активирует процесс гидроксилирования предшественника меланина тирозина в ДОФА и дофахинон (рис. 51-3). Тирозиназа требуется только для первого этапа биосинтеза меланина — ортогидрооксилирования тирозина. Примечательно, что ионы цинка активируют превра­щение дофахрома в 5,6-дигидроксиндол, а меланосомы содержат цинк в высокой концентрации. К настоящему времени выявлен ряд новых факторов, способных усиливать или блокировать синтез меланина после действия тирозиназы.

Биология меланиновой пигментации. С клинической точки зрения, меланиновая пигментация (рис. 51-4) отражает присутствие в кератиноцитах меланина. Поскольку соотношение кератиноцнтов к меланоцитам в эпидермисе составляет 36:1, то очевидно, что содержание меланина в кератиноцитах должно быть доминирующим фактором в определении цвета кожи. Связь последнего с локали­зацией меланина в эпидермисе изучалась под световым микроскопом у лиц негроидной популяции с различными оттенками кожи (от коричневого до чер­ного), проживающих в США. При слабо пигментированной коже отмечены большие колебания как количества, так и локализации меланиновых частиц в эпидермисе: в мальпигиевом слое обнаруживаются скудные отложения меланина, в роговом слое они отсутствуют. И действительно, у лиц с очень слабо пигмен­тированной кожей единичные меланиновые частицы локализуются в кератино­цитах базального слоя. При максимально пигментированной коже они локализу­ются и в последних, и в мальпигиевых клетках, и в роговом слое. Изучение кожи различной окраски у чернокожих, проживающих в США, и у их потомства по­казало, что за степень пигментации кожи ответственны 3—6 пар генов. Механиз­мы генетического контроля избирательной окраски кожи неизвестны, однако он тесно связан с исходной интенсивностью.

Согласно данным, полученным при изучении здоровой кожи и кожи с нару­шением пигментации, степень последней с клинической точки зрения зависит не только от скорости формирования меланосом, но и от количества меланосом, транспортируемых в кератиноциты (см. рис. 51-2). К другим факторам, детерми­нирующим меланиновую пигментацию в норме и патологии, относится количество меланина в разных меланосомах. До недавнего времени считалось, что пигмен­тация связана с действием трех основных варьирующих факторов: с образова­нием меланосом, их меланизацией и секрецией. Однако в последние годы про­демонстрировано участие и четвертой непостоянной агрегации и разрушения меланосом во время их перехода в кератиноциты.

Меланосомы локализуются в меланоцитах преимущественно изолированно друг от друга в виде отграниченных мембраной дискретных органелл. В кератиноцитах же они могут существовать и в виде агрегатов по три и более частиц в одной органелле, снабженной мембраной. Эти органеллы напоминают меланосомосодержащие органеллы макрофагов, известные под названием лизосом. Пред­ставляется, что меланосомы эпидермальных кератиноцитов постепенно разру­шаются. В значительно пигментированной коже, однако, интактные меланосомы располагаются и в роговом слое. Это свидетельствует о том, что некоторые меланосомы в эпидермисе не разрушаются вместе с лизосомами. Регуляция меланогенеза и меланиновой пигментации детерминируется генами, гормонами и ультрафиолетовыми лучами. Эти факторы могут действовать независимо один от другого или в сочетании один с другим. Кроме того, отчетливое влияние на эти процессы могут оказывать специфические халоны и гликопептиды по прин­ципу отрицательной обратной связи и регуляции митоти.ческой активности ме-ланоцитов и кератиноцитов. Скорость транспорта меланосом к кератиноцитам может, действительно, влиять на количество синтезируемых меланосом. Халоны могут также изменять активность аденилатциклазы и скорость деления мелано-цитов и кератиноцитов. Представляется, что гормоны (МСГ) оказывают прямое воздействие на аденилатциклазу, что ведет к увеличению количества цикличе­ского аденозин монофосфата (цАМФ) и соответственно синтеза тирозиназы и меланосом.

Меланиновая пигментация кожи связана с десятью биологическими процес­сами (рис. 51-5). Агрегация и дисперсия меланосом имеют, возможно, неболь­шое значение в аномалиях пигментации у человека. Такие феномены были отмечены лишь в особых эффекторных клетках, меланофорах, присущих позво­ночным, находящимся в филогенетическом ряду ниже млекопитающих. У этих животных состояние меланосом находится под нервным и гормональным контро­лем.

У человека путем выработки и транспорта меланосом меланоциты обеспе­чивают защиту от биологического повреждения, вызываемого видимой частью спектра и ультрафиолетовой радиацией (УФР). В увеальном тракте и пигментном эпителии сетчатки меланин защищает глаз от видимой и длинноволновой (УФР-А) части лучистой энергии, тогда как УФР-Б в значительной мере задер­живается роговицей. Содержащий меланин эпидермис человека защищает кожу, эффективно задерживая УФР-А и УФР-Б.

У человека система защиты от УФР высоко развита, воздействие этой части электромагнитного спектра ведет к активации сложного механизма (загар) обра­зования плотных, содержащих хромопротеин органелл (меланосомы) и их до­ставки к эпидермальным клеткам, внутри которых меланосомы рассеивают и абсорбируют ультрафиолетовые лучи, удаляют обладающие повреждающим действием свободные радикалы, образующиеся в коже в результате воздействия УФР.

Эпидермальные клетки и роговой слой очень пигментированной кожи запол­нены мириадами меланосом. В них содержится около 30% меланина, поэтому из-за своей плотности и высокой способности к поглощению УФР они могут обеспечить защиту от повреждающего действия солнечных лучей. Локализация меланосом в околоядерной зоне эпидермальных клеток уже сама по себе способна защитить легко повреждаемое, содержащее ДНК, ядро за счет уменьшения пря­мого воздействия фотонов.

Мнение о роли меланина в защите от повреждающего действия УФР общепринято. Лица негроидной популяции и темнокожие представители европеоидной популяции значительно менее восприимчивы к острому и хроническому лучевому воздействию, чем светлокожие. Солнцезависимый рак кожи открытых частей лица и рук очень редко встречается у чернокожих, проживающих в ре­гионах с высоким уровнем УФР-Б радиации. С другой стороны, проживающие там же черные альбиносы очень чувствительны с точки зрения возможности раз­вития рака кожи, который, как и солнечные кератозы, может развиваться у них в детском возрасте. Наконец, меланин участвует в защите кожи от воздействия ряда экологических факторов, вызывающих ее преждевременное старение.

Рис.51-5. Схематическое изображение морфологических и метаболических меха­низмов меланиновой пигментации эпидермиса.

Как барьер на пути агрессивного влияния окружающей среды кожный покров имеет в своем арсенале не одно средство для обезвреживания врага. И первый враг – это ультрафиолетовое излучение. Загар является прямым результатом активизации защитных сил организма и работы меланоцитов, которые продуцируют природный пигмент – меланин.

Цвет кожи, глаз и волос определяется уровнем меланина в эпидермисе. Как два в одном: пигмент окрашивающий и защищающий организм. Меланин в организме способен активизировать множество биологических процессов. О синтезе меланина в организме и его функциях читайте в этой статье.

Что такое меланин и почему он важен

Меланином называется взвесь соединений полимеров, которые окрашивают живые ткани (человека, животного, грибов, микроорганизмов). Общее понятие "меланин" объединяет несколько видов подобных соединений: ДОФА (черные, коричневые), феомеланины (желтые), нейромеланины. В организме человека широко функционируют только ДОФА-меланины. Меланины класса ДОФА не могут растворяться в воде, кислотах или растворителях. Но, они становятся чувствительны в щелочной среде.

Оседает в эпидермисе, меланин образуется в меланоцитах, которые находятся в базальном слое кожи. Располагаются меланоциты под слоем кератиноцитов и сохраняются в виде гранул, внутри которых пигмент соединяется с белком. На 1 см 2 кожного покрова приходится приблизительно 1200 меланоцитов, которые соединены с кератиноцитами специальными мостиками – десмосомами. По этим мостиками меланин поднимается к месту назначения: в верхние слои кожи, корни волос, радужку глаз.

Как это происходит:

Из отростков меланоцита пигмент меланин двигается к кератиноцитам по мостику при помощи процесса фагоцитоза. В кератиноцитах меланин связывается с белком и накапливается. Таким образом определяется цвет кожи, глаз, волос. На 1 эпидермально-меланиновую единицу приходится 40 кератиноцитов и всего 1 меланоцит. Уровень меланина определяет цвет, поэтому у людей светлых рас в эпидермисе содержатся единичные гранулы с пигментом. У людей негроидной расы эпидермис заполнен полностью гранулами с пигментом. При активном солнце организму необходима постоянная защита, поэтому меланоциты постоянно вырабатывают меланин, независимо от времени года.

Как синтезируется меланин в организме

Итак, немного химии. Вырабатывается меланин в организме под руководством гормонов, секретируемых гипофизом – меланоцитостимулирующих гормонов. Меланин синтезируется в меланосомах (органеллах меланоцитов). Сначала окисляется аминокислота тирозин, в результате этого химического процесса вырабатывается ДОФА аминокислота – дигидроксифенилаланин (предшественник адреналина). После дальнейшего окисления молекулы ДОФА преобразуется в меланин. Пигмент накапливается в эпидермисе и активируется под действием солнечных лучей, покрывая тело загаром.

Зачем меланин организму: польза пигмента

Главная задача меланина – защита клеток организма от разрушительного действия ультрафиолетового излучения. Меланин действует как экран, отображая большее количество лучей, и как поглощающий компонент, который собирает те лучи, которые смогли проникнуть в эпидермис. Солнечные лучи, поглощенные меланином, никуда не исчезают, частично они перерабатываются на тепло, а остатки лучей – для резерва, чтобы обеспечивать фотохимические реакции.

Меланин защищает ядро клетки от потери и деформации генетической информации под влиянием солнца. Располагаясь в самом центре, меланин действует как система безопасности ДНК.

Функции меланинов:

• обезвреживают свободные радикалы;
• ускоряют химические и биологические реакции в организме;
• избавляют от стресса;
• обеспечивают адаптогенный эффект;
• водорастворимый меланин способен выполнять транспортную функцию;
• нейтрализуют патогенные изменения в щитовидной железе, гипоталамусе, надпочечниках, печени.

Как окрашиваются волосы и глаза

ДОФА меланин проникает вглубь волоса и придает ему темный оттенок. Если в волосках гранул с пигментом мало и они расположены на поверхности, цвет волос будет светлым.

Интересно то, что у рыжеволосых людей меланин не гранулированный, а диффузный.

От того на каком уровне и насколько глубоко располагается меланин зависит цвет глаз. Присутствие меланина в 4 или 5 слое определяет синий или голубой цвет. Если пигмент расположился в верхних слоях радужки, то глаза будут карими или светло-коричневыми. В случае хаотичного расположения меланина в слоях радужки, глаза могут быть серыми или зелеными.

Что такое альбинизм

Когда меланин в организме вырабатывается в незначительном количестве или его вообще не вырабатывается, рождаются альбиносы – люди с белым цветом волос, глаз, и почти бесцветно-белой кожей. Кроме отличительной внешности, такие люди страдают от проблем со зрением и слухом, не могут находиться на солнце, имеют слишком низкий иммунитет.

Интересно то, что меланин может вырабатываться не только в ограниченном количестве, но и быть в избытке. В этом случае развивается меланоз.

Таким образом, синтез меланина в организме важен для полноценного функционирования многих систем. Без него истощается иммунитет, ведь через кожный покров проникают многие патогенные вещества, способные навредить клеткам и привести к необратимой деградации и разрушения волокон, и, соответственно, всего организма в целом.