5. Общие выводы

Выяснены две общие особенности биосинтеза меланинов: 1) начальные стадии включают ферментативное окисление фе-яольных или полифенольных предшественников с образованием хинонов, и 2) высокореакционноспособные хиноны легко подвергаются полимеризации или сополимеризации, приводящей к образованию окрашенных меланиновых макромолекул.

Создается впечатление, что делавшиеся до сих пор попытки классифицировать меланиновые вещества на эумеланины, феоо

о

(7.2"t; Гидракси-П-бензсжинан

меланины и алломеланины и установить биосинтетические пути этих трех групп позволяют получить лишь весьма упрощенную картину. Большинство (если не все) живых тканей обладают ферментами полифенолоксидазного типа. Все живые ткани содержат фенольные соединения, часто (особенно у растений) весьма разнообразные. В результате окисления любого из этих соединений полифенолоксидазой — либо его одного, либо в комбинации с другими фенольными или нефенольными веществами (например, цистеином) — происходит образование хинонов, способных полимеризоваться с образованием макромолекулярных продуктов со свойствами меланинов.

Таким образом, один и тот же основной биосинтетический процесс приводит к образованию огромного числа продуктов, которые могут выглядеть сходными, но иметь совершенно разную структуру. Различия возникают благодаря разнообразию в степени окисления мономерных предшественников и существованию различных последовательностей и механизмов полимеризации, сополимеризации и перекрестного связывания. Детали этих механизмов все еще не установлены ни для одного индивидуального природного меланина. Не исключено, что еще будут идентифицированы новые структурные типы меланинов, молекулы которых построены из пока не открытых мономерных единиц.

7.5. Факторы, влияющие на меланогенез

7.5.1. У растений и грибов

Контроль меланогенеза у растений и грибов подробно неизучался. Вместе с тем известно, что у растений синтез меланина в темных пятнах и характер расположения этих пятен, обусловливающий общий внешний вид листьев и цветков, находится под генетическим контролем. Меланины могут синтезироваться в ответ на механическое повреждение тканей, например у плодов после удара появляются бурые и черные пятна. У ряда грибов наблюдается корреляция между синтезом меланинов и спорообразованием, однако значение этого явления пока не известно. Это может быть связано с образованием прочной инертной устойчивой оболочки спор, а не с их окрашиванием, как в случае оболочек семян растений.

7.5.2. У животных

У животных меланины обычно содержатся в особых ор-ганеллах и специфических клетках, так что, скорее всего, регу-ляторный механизм контролирует процесс дифференциации и образования этих клеток и органелл, а не биосинтез меланинов непосредственно. Конечно, в основном синтез и отложение меланинов, обусловливающие внешнюю окраску или характер ее распределения у животного, находятся под генетическим контролем. Так, люди негроидной расы имеют черную кожу вне зависимости от окружающей среды. Однако факторы среды и сезонные изменения также могут быть чрезвычайно важными. Известно, например, несколько примеров стимуляции меланогенеза низкими температурами или такими факторами, как влажность и роение (у пчел).

Беспозвоночные и пойкилотермные позвоночные. У этих животных изменения окраски как быстрые, так и медленные весьма обычны и, как правило, происходят с участием меланинов и меланинсодержащих клеток. Однако рассматривать в этом случае меланины изолированно нельзя, поскольку в окрашивании клеток участвуют также другие пигменты и другие клетки или типы органелл. Мы обсудим изменения окраски и механизмы таких изменений в гл. 8.

Млекопитающие и птицы. Меланиновая пигментация у млекопитающих и птиц находится под прямым генетическим контролем. Тип изменения окраски у них отличается от того, который обычен для беспозвоночных, амфибий, рептилий и рыб, правда, у некоторых видов наблюдаются сезонные вариации окраски.

Широко изучалась пигментация человеческой кожи. Показано, что в коже происходит быстрое обновление меланинов: они теряются при слущивании эпидермиса и затем вновь синтезируются. У представителей темных рас меланина синтезируется и накапливается значительно больше, чем у представителей так называемой белой расы. Меланоциты обнаруживаются в коже человеческого зародыша, принадлежащего к негроидной расе, уже на одиннадцатой неделе развития.

У людей белой расы хорошо заметен рост содержания меланина в коже в результате экспозиции на солнечном свету при загорании. Загар формируется в две стадии. Сначала, сразу же после облучения солнечным светом, синтезируется некоторое количество меланина в результате фотоокисления предшественников и быстро образуется «заслон», защищающий от солнечных ожогов. Этот быстрый загар возникает в основном под действием света с длиной волны 350 нм. Главный и стойкий загар развивается спустя два дня после экспозиции на -солнце и достигает максимума примерно через семь дней. Ме-ланиновые гранулы образуются в эпидермальных меланоцитах, а затем они распространяются в кератиноциты (клетки кожи). Стойкий загар (как и болезненный ожог кожи) наиболее эффективно вызывается светом с длиной волны ~300 нм. На основе биохимических процессов, обусловливающих загар, выросла целая индустрия летнего отдыха, однако механизм этих процессов все еще до конца не ясен.

На синтез меланина в коже человека влияет гормон гипофиза— меланоцитстимулирующий гормон (МСГ). У женщин •белой расы избыточный синтез меланинов часто происходит в некоторых участках кожи во время беременности, что отражает обычно повышение активности гипофиза. Меланинстимулиру-ющие гормоны стимулируют меланогенез и распределение меланинов и у других позвоночных и беспозвоночных животных. Известно, что меланогенез у многих низших животных стимулируется светом, но этот эффект явно отсутствует в случае темных перьев птиц или волос млекопитающих.

Сезонные вариации. Хорошо известно, что оперение многих птиц в брачный период отличается от зимнего оперения. Эти различия часто обусловлены вариациями синтеза меланинов (эумеланинов и феомеланинов) в новых перьях, которые растут после линьки. Вероятно, происходящие при этом процессы находятся как под гормональным, так и под генетическим контролем. Некоторые млекопитающие и птицы, живущие в Арктике, летом имеют темную окраску, а зимой полностью или частично белую, т. е. они извлекают максимальную пользу из подобной

маскировки во все времена года. Факторами, вызывающими сезонную линьку и контролирующими меланогенез в растущих волосах и перьях, могут быть температура и продолжительность дня.

7.5.3. Аномальный меланогенез

Альбинизм. Альбиносные представители млекопитающих и птиц являются рецессивными гомозиготами, у которых в коже, глазах, а также в волосах или перьях отсутствует меланин, и потому они не окрашены в отличие от темного доминантного фенотипа. Такие животные имеют меланоциты, в которых содержатся только бесцветные тени меланиновых гранул, поскольку они лишены тирозиназы (полифенолоксидазы) и потому не

CH(OH)CH2.NH СН3

(7 22) Адреналин

способны превращать тирозин в меланин. Отмечена необычная восприимчивость животных-альбиносов к болезням, хотя не известно, связано ли это с неспособностью образовывать меланин.

Болезни человека, связанные с нарушением метаболизма меланина. У человека и других животных многие опухоли имеют темную окраску. В таких опухолях (меланомах) синтезируются и накапливаются избыточные количества меланина. Много меланина содержится также в родинках и родимых пятнах.

Усиление и ослабление меланогенеза наблюдается при ряде заболеваний, в том числе болезни Паркинсона, аддисоновой болезни, а также при витилиго. Однако изменения меланогенеза являются при этих заболеваниях, по-видимому, вторичными. В некоторых случаях источником мономеров для меланиновых молекул может служить адреналин (7.22) или его предшественники, используемые в нормальных условиях для образования адреналина.

7.6. Функции

Единственная функция меланинов растений состоит в формировании общей окраски растений или характера ее распределения. Что касается очевидной корреляции между синтезом меланинов и споруляцией у различных грибов, то ее значение пока не известно.

Две главные функции меланинов у животных, а именно их роль как пигментов наружных покровов и как светозащитных пигментов в глазах и коже, обсуждаются в гл. 8 и 11.

7.7. Заключение и комментарии

Из всех групп природных пигментов, рассмотренных в этой книге, меланины несомненно являются наиболее трудными для изучения. Выделение, очистка и химическое разрушение меланинов представляют такую проблему, что их пришлось охарактеризовать не по какому-либо химическому свойству, а просто как группу темных, чрезвычайно стабильных полимеров. Поэтому в области структуры и биосинтеза меланинов перед увлеченными и настойчивыми исследователями структуры — широкое поле деятельности. Мы еще очень далеки как от возможности определить структуру какого-либо меланина, так и от полного понимания его биосинтеза. В этой связи хотелось бы отметить, что меланины из многих объектов вообще не изучались. В детальной разработке нуждается еще один вопрос — белковое окружение меланинов in vivo.

По-видимому, у меланинов нет других функций, кроме пигментной, но даже в этом случае они заслуживают внимания как единственные пигменты, ответственные за окраску тканей у человека. Желание миллионов представителей белых рас увеличить содержание меланина в коже при загорании на солнечном свету привело к созданию целой индустрии летнего отдыха. Необходимо помнить, что в основе расовых конфликтов и апартеида лежат всего лишь различия в содержании кожных меланинов. По этой причине ни одна другая группа природных пигментов не имеет столь далеко идущих социальных последствий. Как ни трудны химические проблемы, связанные с меланинами, разрешить их, вероятно, все-таки легче, чем проблемы социальные.

7.8. Рекомендуемая литература

Для дополнительного чтения о меланинах