U lidí se melanin vyskytuje v kůži, vlasech, pigmentované tkáni pod duhovkou, medule a zona reticularis nadledvinek, stria vascularis vnitřního ucha a v pigmentových neuronech určitých hlubokých mozkových jader, jako je lokus ceruleus a substantia nigra. Melanin je primárním determinantem lidské barvy kůže.
Dermální melanin je produkován melanocyty, které se nacházejí ve stratum basale epidermis. Ačkoli lidské bytosti mají obecně podobnou koncentraci melanocytů ve své kůži, melanocyty u některých jedinců a etnických skupin častěji nebo méně často exprimují geny produkující melanin, čímž propůjčují větší nebo menší koncentraci kožního melaninu. Některá jednotlivá zvířata a lidé mají ve svém těle velmi málo nebo vůbec žádný melanin, což je stav známý jako albinismus.
Vzhledem k tomu, že melanin je souhrnem menších složek molekul, existuje řada různých typů melaninu s různými proporcemi a pojivými vzory těchto složek molekul. Feomelanin i eumelanin se vyskytují v lidské kůži a vlasech, ale eumelanin je u lidí nejrozšířenější melanin, stejně jako forma, která je u albinismu nejpravděpodobnější.
O eumelaninových polymerech se dlouho soudilo, že obsahují četné zesíťované polymery 5,6-dihydroxyindolu (DHI) a 5,6-dihydroxyindolu-2-karboxylové kyseliny (DHICA); nedávný výzkum elektrických vlastností eumelaninu však naznačil, že se může skládat z více základních oligomerů, které na sebe ulpívají nějakým jiným mechanismem. Přesná povaha molekulární struktury eumelaninu je tedy opět předmětem zkoumání. [Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text] Eumelanin se vyskytuje ve vlasech a kůži a barví vlasy šedě, černě, žlutě a hnědě. U lidí je hojnější u lidí s tmavou kůží.
Existují dva různé typy eumelaninu, které se od sebe odlišují
vzorcem polymerních vazeb. Dva typy jsou černý eumelanin a hnědý eumelanin. Černý eumelanin je nejtmavší, hnědý eumelanin je světlejší než černý eumelanin. černý eumelanin je většinou u neevropanů a starších Evropanů, zatímco hnědý eumelanin je většinou u mladých Evropanů.
Malé množství černého eumelaninu v nepřítomnosti jiných pigmentů způsobuje šedivé vlasy.
Malé množství hnědého eumelaninu v nepřítomnosti jiných pigmentů způsobuje žluté (blond) vlasy.
Femelanin se vyskytuje také ve vlasech a kůži a vyskytuje se jak u lidí se světlejší pletí, tak u lidí s tmavší pletí. Obecně však ženy mají více femelaninu než muži, a proto je kůže žen obecně červenější než u mužů. Femelanin dodává růžový až červený odstín, a proto se vyskytuje ve zvláště velkém množství v červených vlasech. Femelanin se koncentruje zejména ve rtech, bradavkách, žaludu penisu a pochvě. Femelanin se také může stát karcinogenním, pokud je vystaven ultrafialovým paprskům slunce. Chemicky se femelanin liší od eumelaninu tím, že jeho oligomerní struktura zahrnuje aminokyselinu L-cystein, stejně jako DHI a DHICA jednotky.
Melanin v jiných organismech
Melaniny mají v různých organismech velmi různorodé role a funkce. Dokážou chránit mikroorganismy, jako jsou bakterie a houby, proti stresům, které zahrnují poškození buněk slunečním UV zářením nebo tvorbu reaktivních druhů kyslíku. Patří mezi ně vysoké teploty i chemické (např. těžké kovy a oxidační činidla) a biochemické (např. obrana hostitele proti napadajícím mikrobům) stresy. Proto se u mnoha patogenních mikrobů (např. u Cryptococcus neoformans, houby) zdá, že melaniny hrají důležitou roli ve virulenci a patogenitě tím, že chrání mikrob proti imunitním reakcím jeho hostitele. Nedávno byla popsána potenciálně nová role melaninu jako fotosyntetického pigmentu u některých hub, který jim umožňuje zachytit gama paprsky a využít jeho energii pro růst. (Viz radiotrofická houba) U bezobratlých je hlavním aspektem vrozeného imunitního obranného systému proti napadajícím patogenům melanin. Během několika minut po infekci je mikrob zapouzdřen do melaninu (melanizace) a má se za to, že tvorba vedlejších produktů volných radikálů během tvorby této kapsle napomáhá jejich usmrcení.
První krok biosyntetické dráhy eumelaninů i feomelaninů je katalyzován tyrosinázou:
Dopachinon lze kombinovat s cysteinem dvěma cestami k benzothiazinům a feomelaninům
Alternativně může být dopachinon převeden na leukodopachrom a následovat další dvě cesty k eumelaninům
Pod mikroskopem je melanin hnědý, nezlomný a jemně zrnitý, jednotlivé granule mají průměr méně než 800 nanometrů. Tím se melanin odlišuje od běžných pigmentů rozkladu krve, které jsou větší, podsadité a lomivé a jejich barva se pohybuje od zelené po žlutou nebo červenohnědou. U silně pigmentovaných lézí mohou husté agregáty melaninu zakrýt histologické detaily. Zředěný roztok manganistanu draselného je účinné melaninové bělidlo.
Nedostatek melaninu u genetických poruch a stavů onemocnění
Nedostatek melaninu je již nějakou dobu spojován s různými genetickými abnormalitami a chorobnými stavy.
Existuje přibližně deset různých typů okultního albinismu, což je většinou autosomálně recesivní porucha. Určitá etnika mají vyšší výskyt různých forem. Například nejběžnější typ, nazývaný okultní albinismus typu 2 (OCA2), je zvláště častý mezi lidmi černošského afrického původu. Je to autosomálně recesivní porucha charakterizovaná vrozenou redukcí nebo absencí melaninového pigmentu v kůži, vlasech a očích. Odhadovaná frekvence OCA2 mezi Afroameričany je 1 z 10 000, což kontrastuje s frekvencí 1 z 36 000 u bílých Američanů. V některých afrických státech je frekvence poruchy ještě vyšší, pohybuje se od 1 z 2 000 do 1 z 5 000. Další forma albinismu, „žlutý okultní albinismus“, se zdá být více rozšířený mezi Amiši, kteří jsou primárně švýcarského a německého původu. Lidé s touto IB variantou poruchy mají běžně bílé vlasy a kůži při narození, ale rychle se u nich vyvíjí normální pigmentace kůže v kojeneckém věku.
Oční albinismus ovlivňuje nejen pigmentaci očí, ale i zrakovou ostrost. Osoby s albinismem obvykle testují špatně, v rozmezí 20/60 až 20/400. Kromě úmrtí souvisejících s melanomem jsou navíc s mortalitou spojeny dvě formy albinismu, přičemž mezi lidmi portorického původu je nejrozšířenější přibližně 1 z 2700.
Úmrtnost se zvyšuje také u pacientů s Hermanského-Pudlakovým syndromem a Chediak-Higashiho syndromem. Pacienti s Hermanského-Pudlakovým syndromem mají sekundární krvácivou diatézu při dysfunkci krevních destiček a také trpí restriktivním onemocněním plic (plicní fibróza), zánětlivým onemocněním střev, kardiomyopatií a onemocněním ledvin. Pacienti s Chediak-Higashiho syndromem jsou náchylní k infekcím a také se u nich může vyvinout lymfofolikulární malignita.
Úloha, kterou nedostatek melaninu hraje při takových poruchách, zůstává předmětem zkoumání.
Spojitost mezi albinismem a hluchotou je dobře známá, i když málo pochopená, už více než půldruhého století. Charles Darwin ve svém pojednání O původu druhů z roku 1859 poznamenal, že „kočky, které jsou zcela bílé a mají modré oči, jsou obecně hluché“. U lidí se hypopigmentace a hluchota vyskytují společně u vzácného Waardenburgova syndromu, který je v Severní Americe pozorován především u Hopiů. Výskyt albinismu u indiánů kmene Hopi byl odhadnut přibližně na 1 z 200 jedinců. Zajímavé je, že podobné vzory albinismu a hluchoty byly nalezeny i u jiných savců, včetně psů a hlodavců. Nedostatek melaninu jako takového se však nezdá být přímo zodpovědný za hluchotu spojenou s hypopigmentací, protože většina jedinců postrádajících enzymy potřebné k syntéze melaninu má normální sluchovou funkci. Namísto toho absence melanocytů ve stria vascularis vnitřního ucha vede ke kochleárnímu poškození, i když není zcela jasné, proč tomu tak je. Je možné, že melanin, nejlepší známý materiál pohlcující zvuk, hraje nějakou ochrannou funkci. Střídavě může melanin ovlivnit vývoj, jak naznačuje Darwin.
U Parkinsonovy choroby, poruchy, která ovlivňuje neuromotorické funkce, je snížený výskyt neuromelaninu v substantia nigra v důsledku specifického vypadávání dopaminergních pigmentovaných neuronů. To má za následek sníženou syntézu dopaminu. I když nebyla hlášena žádná korelace mezi rasou a hladinou neuromelaninu v substantia nigra, výrazně nižší výskyt Parkinsona u černochů než u bělochů „přiměl [přiměl] některé k domněnce, že kožní melanin by mohl nějak sloužit k ochraně neuromelaninu v substantia nigra před vnějšími toxiny.“ Viz také Nicolausův recenzní článek o funkci neuromalaninů
Kromě nedostatku melaninu může být molekulová hmotnost melaninového polymeru snížena v důsledku různých faktorů, jako je oxidační stres, expozice světlu, perturbace ve spojení s melanosomálními matrixovými proteiny, změny pH nebo lokální koncentrace kovových iontů. Snížení molekulové hmotnosti nebo snížení stupně polymerizace očního melaninu bylo navrženo k přeměně normálně antioxidačního polymeru na pro-oxidant. Ve svém pro-oxidačním stavu bylo navrženo, aby se melanin podílel na příčinné a progresi makulární degenerace a melanomu. (Ref: Pigmentová buňka Res. 2001; svazek 14: strany 148-154. „Redoxní regulace u lidských melanocytů a melanomu“)
Melanin a lidská adaptace
Melanocyty vkládají granule melaninu do specializovaných buněčných váčků zvaných melanosomy. Ty se pak přenášejí do ostatních kožních buněk lidské epidermis. Melanocyty v každé přijímající buňce se hromadí na vrcholu buněčného jádra, kde chrání jadernou DNA před mutacemi způsobenými ionizujícím zářením slunečních ultrafialových paprsků. Lidé, jejichž předci žili po dlouhou dobu v oblastech zeměkoule poblíž rovníku, mají obecně ve své kůži větší množství eumelaninu. Díky tomu je jejich kůže hnědá nebo černá a chrání je před vysokým stupněm vystavení slunci, což častěji vede k melanomům u lidí s lehčí kůží.
U lidí expozice slunečnímu záření stimuluje pokožku k produkci vitamínu D. Vzhledem k tomu, že vysoká hladina kožního melaninu působí jako přírodní sluneční clona, může být tmavá pokožka rizikovým faktorem pro nedostatek vitamínu D.
Ve Skotsku, které leží na severní šířce, mají potomci Britů bílou kůži. Když je jejich kůže vystavena hubenému slunečnímu záření, mizivé množství melaninu, který jejich kůže produkuje, není schopno sluneční záření blokovat. Proto jsou jejich těla schopna s pomocí slunečního záření vytvářet vitamín D. Vitamin D, vitamín, který se nachází v rybím oleji, je nezbytný pro prevenci křivice, což je onemocnění kostí způsobené příliš malým množstvím vápníku.
Oproti tomu v subsaharské Africe, která leží blízko rovníku, lidé potřebují intenzivní sluneční světlo, aby proniklo jejich tmavou pokožkou a vytvořilo se tak vitamín D. Když však černoši žili v Anglii během průmyslové revoluce, jako první se u nich objevily příznaky křivice, jako je zpomalený růst, ohnuté nohy a zlomeniny, protože nebylo k dispozici dostatek slunečního světla.
Naštěstí byl v roce 1930 objeven a vydán vitamín D jako doplněk stravy. Nyní je mnoho běžných potravin, jako je mléko a chléb, obohaceno vitamínem D.
Nejnovější vědecké poznatky naznačují, že všichni lidé se vyvíjeli v Africe a zbytek světa pak osídlili postupným zářením. Je nejpravděpodobnější, že první lidé měli relativně velké množství eumelaninu produkujícího melanocyty a tím i tmavší kůži (jak to dnes předvádějí původní obyvatelé Afriky). Jak někteří z těchto původních obyvatel migrovali a usazovali se v oblastech Asie a Evropy, selektivní tlak na produkci eumelaninu se snižoval v podnebí, kde záření ze slunce bylo méně intenzivní. V populaci se tak začaly objevovat odchylky v genech podílejících se na produkci melaninu, což mělo za následek světlejší vlasy a kůži u lidí pobývajících v severních zeměpisných šířkách. Byly provedeny studie, které měly zjistit, zda tyto změny byly způsobeny genetickým driftem nebo pozitivním výběrem, možná řízeným požadavkem na vitamín D. Ze dvou běžných genových variant, o nichž je známo, že jsou spojeny s bledou lidskou kůží, se nezdá, že by Mc1r prošel pozitivním výběrem, zatímco SLC24A5 ano.
Stejně jako u lidí, kteří migrovali na sever, i u lidí se světlou kůží, kteří migrují na jih, dochází k aklimatizaci na mnohem silnější sluneční záření. Pleť většiny lidí při vystavení UV záření ztmavne, což jim poskytuje větší ochranu, když je to potřeba. To je fyziologický účel opalování na slunci. U lidí s tmavou kůží, kteří produkují více eumelaninu chránícího kůži, je menší pravděpodobnost, že budou trpět spálením na slunci a vznikem melanomu, potenciálně smrtelné formy rakoviny kůže, stejně jako dalšími zdravotními problémy souvisejícími s vystavením silnému slunečnímu záření, včetně fotodegradace některých vitaminů, jako jsou riboflaviny, karotenoidy, tokoferol a folát.
Vyšší hladina eumelaninu však může být také nevýhodou, mimo vyšší dispozice k nedostatku vitamínu D. Tmavá kůže je komplikujícím faktorem při laserovém odstraňování skvrn od portského vína. Účinné při ošetřování bílé kůže, lasery jsou obecně méně úspěšné při odstraňování skvrn od portského vína u Asiatů a lidí afrického původu. Vyšší koncentrace melaninu u jedinců s tmavší pletí jednoduše rozptylují a absorbují laserové záření, čímž inhibují absorpci světla cílovou tkání. Melanin podobně může komplikovat laserové ošetřování dalších dermatologických stavů u lidí s tmavší pletí.
Pihy a znaménka se tvoří tam, kde je lokalizovaná koncentrace melaninu v kůži. Jsou vysoce spojeny s bledou kůží.
Melanin v očích je pomáhá chránit před ultrafialovým a vysokofrekvenčním viditelným světlem; lidé s modrýma očima jsou více ohroženi očními problémy spojenými se sluncem. Oční čočka navíc s věkem zežloutne, což poskytuje dodatečnou ochranu. Nicméně, čočka se také stává s věkem pevnější, ztrácí většinu své přizpůsobivosti – schopnost měnit tvar pro zaostření z dálky do blízkosti – újma způsobená pravděpodobně křížením bílkovin způsobeným UV expozicí.
Nedávný výzkum J.D. Simona a kol. (Pigment Cell Research, 2004, 17: 262-269) naznačuje, že melanin může plnit jinou ochrannou funkci než fotoochranu. Melanin je schopen účinně vázat kovové ionty prostřednictvím svých karboxylátových a fenolických hydroxylových skupin, v mnoha případech mnohem efektivněji než silný chelatační ligand ethylenediaminetetraacetát (EDTA). Může tak sloužit k sekvestraci potenciálně toxických kovových iontů, čímž chrání zbytek buňky. Tuto hypotézu podporuje skutečnost, že ztráta neuromelaninu pozorovaná u Parkinsonovy choroby je doprovázena zvýšením hladiny železa v mozku.
Fyzikální vlastnosti a technologické aplikace
Melanin je biopolymer a neuropeptid[Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text]. Melaniny jsou vodivé polymery s „tuhou páteří“ složené z polyacetylenu, polypyrrolu a polyanilinu „Blacks“ a jejich smíšených kopolymerů. Nejjednodušší melanin je polyacetylen, ze kterého odvozují všechny ostatní[Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text]. Některé houbové melaniny jsou čistý polyacetylen.
V roce 1963 DE Weiss a jeho spolupracovníci ohlásili vysokou elektrickou vodivost v melaninu, jodem dopovaném a oxidovaném polypyrrolu „Black“. Dosáhli poměrně vysoké vodivosti 1 Ohm/cm. O deset let později John McGinness a jeho spolupracovníci ohlásili vysokou vodivost „ON“ v napěťově řízeném prahovém spínači v pevném stavu vyrobeném pomocí DOPA melaninu . Dále tento materiál při spínání vyzařoval záblesk světla – elektroluminiscenci. Melanin také vykazuje negativní odpor, což je klasická vlastnost elektronicky aktivních vodivých polymerů. Stejně tak je melanin nejlepším známým materiálem pohlcujícím zvuk díky silnému elektron-fononovému spojení. To může souviset s přítomností melaninu ve vnitřním uchu.
Melanin napěťově řízený spínač, „aktivní“ elektronické zařízení z organického polymeru z roku 1974. Nyní ve Smithsonianu.
Tyto první objevy byly „ztraceny“ až do nedávného objevu takových melaninů v aplikacích přístrojů, zejména elektroluminiscenčních displejích. V roce 2000 byla Nobelova cena za chemii udělena třem vědcům za jejich následný (re)objev a vývoj takových vodivých organických polymerů v roce 1977. V zásadní repríze Weissovy a spol. práce byly tyto polymery oxidované, jodem dopované „polyacetylenové černé“ melaniny. Neexistuje žádný důkaz, že by Nobelova komise věděla o Weissově a dalších téměř totožných předchozích zprávách o pasivní vysoké vodivosti v jodované polypyrrolové černé nebo o spínání a vysoké elektrické vodivosti v DOPA melaninu a souvisejících organických polovodičích. Melaninové organické elektronické zařízení je nyní ve sbírce historických pevných elektronických přístrojů „Smithsonian Chips“ Národního muzea americké historie Smithsonian Institution.
Melanin ovlivňuje nervovou aktivitu a zprostředkovává vedení záření, světla, tepla a kinetické energie. Jako takový je předmětem intenzivního zájmu o biotechnologický výzkum a vývoj, především o organickou elektroniku (někdy nazývanou „plastová elektronika“) a nanotechnologii, kde se dopanty používají k dramatickému posílení vodivosti melaninu. Pyrrolová černá a acetylenová černá jsou nejčastěji studované organické polovodiče.
Ačkoli syntetický melanin (běžně označovaný jako BSM nebo „černá syntetická hmota“) je tvořen 3-6 vzájemně propojenými oligomerními jednotkami – tzv. „protomolekulou“ – neexistuje důkaz, že přirozeně se vyskytující biopolymer (BCM, pro „černobuněčnou hmotu“) tuto strukturu napodobuje. Protože však není důvod se domnívat, že přírodní melanin nepatří do kategorie polyarenů a polykationtových polyenů, jako pyrrolová černá a acetylenová černá, je nutné přezkoumat všechny dosud shromážděné chemické a biologické analytické údaje při studiu přírodních melaninů (eumelaniny, femelaniny, alomelaniny).“
Existují důkazy na podporu vysoce křížově vázaného heteropolymeru vázaného kovalentně na matrixové lešení melanoproteinů (Eur. J. Biochem. 1995; 232: 159-164 „Interakce melanosomálních proteinů s melaninem“). Bylo navrženo, že schopnost melaninu působit jako antioxidant je přímo úměrná jeho stupni polymerizace nebo molekulové hmotnosti (Oftalmický výzkum, 2005, 37: 136-141 „Agregace a polymerizace melaninu: možné důsledky věkem podmíněné makulární degenerace“). Suboptimální podmínky pro účinnou polymerizaci melaninových monomerů mohou vést ke vzniku prooxidantního melaninu s nižší molekulovou hmotností, který je zapleten do příčinné souvislosti a progrese makulární degenerace a melanomu. (Clinical Cancer Res. 2004; 10: 2581-2583 „Etiologická patogeneze melanomu: sjednocující hypotéza pro chybějící přiřaditelné riziko“). Signalizační dráhy, které upregulují melanizaci v pigmentovém epitelu sítnice (RPE), mohou být také zapleteny do downregulace fagocytózy zevního segmentu tyčinky ze strany RPE. Tento jev byl částečně připsán foveal sparing in macular degeneration. (Mol. Vis. 2005; 11: 482-490 „Melanizace a fagocytóza: implikace pro věkem podmíněnou makulární degeneraci).
Zaujatost založená na melaninu v lidských společnostech
Barevná mapa lidské kůže. Údaje o domorodých populacích shromážděné R. Biasuttim před rokem 1940. V důsledku toho je odběr vzorků ve velké části Asie a některých odlehlých lokalitách nedostatečný (viz např. Japonci, Inuité a Tibeťané, kteří by měli být tmavší pleti, než je zde zastoupeno, protože horská oblast).
Nelogické domněnky o lidech s ohledem na barvu vlasů jsou mnohem méně časté než zkreslení barvy pleti, mají mnohem méně a méně závažných důsledků pro reálný svět a častěji se uplatňují na ženy než na muže. Běžnými stereotypy na Západě jsou hloupé blondýny, horkokrevné zrzky a liščí brunety.