Melanina

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Melanina presente en el material obscuro con forma de gránulos al centro de la imagen en un melanoma pigmentado con tinción de Papanicolau.

La melanina es un pigmento que se halla en la mayor parte de los seres vivos. En los animales el pigmento se deriva del aminoácido tirosina. La forma más común de melanina es la eumelanina, un polímero negro-marrón de ácidos carboxílicos de dihidroxindol y sus formas reducidas.

En la producción de melanina en los humanos se le llama melanogénesis. La producción de melanina es estimulada por el daño en el ADN inducido por la radiación ultravioleta.^[1] Las propiedades químicas de la melanina la hace un fotoprotector muy eficiente. Absorbe la radiación ultravioleta nociva y transforma la energía en calor que resulta inofensivo a través de un proceso llamado «conversión interna ultrarrápida» Esta propiedad permite a la melanina disipar más del 99,9% de la radiación absorbida en calor.^[2] Esto previene el daño indirecto al ADN.

Melanina en los humanos

En los humanos la melanina se encuentra en la piel, el pelo, en el epitelio pigmentado que rodea la retina, la médula espinal y la zona reticular de la glándula suprarrenal; en la estría vascularis del oído interno y en ciertas zonas profundas del núcleo del cerebro, como el locus ceruleus y la substantia nigra. La melanina es determinante en el color de la piel humana.

La melanina dérmica es producida por los melanocitos. Éstos raramente se encuentran en las capas superficiales de la epidermis. Sin embargo, aunque generalmente todos los seres humanos poseen concentraciones similares de melanocitos en su piel, se producen variaciones en algunos individuos y según los diferentes grupos étnicos. En este último caso, la genética interfiere confiriendo una mayor o menor concentración de melanina en la piel. Algunos individuos, tanto en animales como en humanos, carecen de melanina, o bien tienen concentraciones mínimas de ella, lo que produce la condición conocida como albinismo.

Ya que la melanina está compuesta de moléculas pequeñas, existen muchos tipos de melanina con diferentes proporciones y tipos de enlaces entre las moléculas que las componen. Tanto la feomelanina como la eumelanina sí se pueden encontrar en la piel y cabello humanos, pero la eumelanina es la más abundante de las melaninas en los humanos. También es la que más frecuentemente muestra deficiencias en el albinismo.

Se piensa que la melanina es el principal agente protector para numerosas formas de vida en contra de la radiación ultravioleta, pero recientes estudios sugieren que este polímero podría tener distintas funciones para cada organismo. Por ejemplo, la inmunidad innata de los invertebrados frente a los patógenos invasores es influida principalmente por la melanina: a sólo minutos de la infección, el microbio es encapsulado en melanina (mecanización); los radicales libres generados después de la formación de esta cápsula ayudan a su eliminación.

En la melanina es común encontrar en los polímeros numerosos enlaces cruzados: 5,6-dihidroxyndol (DHI) y 5,6-dihidroxyndol-2 ácido carboxílico (DHICA); esto ha sido descubierto en recientes investigaciones dentro de las propiedades eléctricas de la eumelanina. Sin embargo, esto ha indicado que tal vez existe otro mecanismo conformado por oligómeros básicos que se adhieren unos a otros.

La estructura molecular de la melanina se encuentra constantemente en estudio.

La eumelanina se encuentra en la piel y el cabello y su concentración da la coloración al cabello gris, negro, amarillo, y café. En los humanos es abundante en la gente con piel oscura. Existen dos tipos de eumelanina que se distinguen el uno del otro por diferentes enlaces químicos. Estos son la eumelanina café y la eumelanina negra. Las pequeñas concentraciones de eumelanina negra en ausencia de otros pigmentos produce el color gris. Una pequeña concentración de eumelanina café en ausencia de otros pigmentos produce el amarillo (rubio).

La feomelanina se encuentra en la piel y el cabello, y es más abundante en humanos de piel no muy gruesa. La feomelanina produce una tonalidad rosa a roja y se encuentra en grandes cantidades en el cabello rojo. La feomelanina se encuentra particularmente en los labios, pezones, glande y vagina. La feomelanina puede convertirse en un factor cancerígeno si es expuesta a los rayos ultravioletas del sol. Químicamente, la feomelanina difiere de la eumelanina, ya que en la estructura de su oligómero incorpora el aminoácido L-cisteina, así como unidades de DHI y DHICA.

La neuromelanina es el pigmento oscuro presente en las neuronas que recubren cuatro núcleos del cerebro: la pars compacta de la subtantia nigra (en latín «substancia negra»), la ' parte del locus cereleus (o «punto azul»), el núcleo dorsal motor del nervio vago (nervio craneal X) y la parte media del núcleo del puente de Varolio. Ambos, la sustantia negra y el locus ceruleus, pueden ser fácilmente identificados en el momento de una autopsia debido a su pigmentación oscura; en los humanos este núcleo no se encuentra pigmentado al momento de su nacimiento, el pigmento aparece después de la madurez. Aunque la función de la neuromelanina en el cerebro sigue siendo desconocida, puede que sea el resultado de las monoamidas contenidas en los neurotransmisores, cuya única fuente se encuentra en las neuronas. La pérdida de color en el núcleo del cerebro es observada en ciertas enfermedades neurodegenerativas.

Melanina en otros seres vivos

En los animales los pigmentos de melanina son derivados del aminoácido tirosina. La forma más común de melanina biológica es la eumelanina, un polímero pardo-negro del ácido dihidroxindole carboxílico, y sus formas reducidas. Todas las melaninas son derivadas del poliacetileno. La melanina más común -dopamelanina- es un copolímero mixto de poliacetileno, polianilina y polipirrol. Otra forma común de melanina es la feomelanina, un polímero rojo-pardo compuesto de unidades de benzotiazina responsable del cabello rojo y las pecas. negro o café, o bien la mezcla de sus copolímeros. La forma más común de melanina orgánica es un polímero, conformado por indolequinina o dehidroxindolina ácido carboxílico, ya sea combinados o en cadena. La melanina existe en el reino vegetal, animal y en el protista, donde sirve de pigmento. La presencia de melanina en los reinos Archaea y Bacteria sigue siendo motivo de debate entre los investigadores del área. El incremento de la producción de melanina en la piel humana es llamado melanogénesis. El daño inducido en el ADN por la radiación UV, estimula la producción de melanina,[1]y esto lleva desarrollar el bronceado de la piel. El bronceado basado en la melanogénesis toma tiempo para lograrse, pero es mas duradero.

Apariencia al microscopio

Su color es negro, no refráctil, granular, teniendo los gránulos un diámetro aproximado de menos de 800 nanómetros. Esta característica es lo que diferencia a la melanina de otros pigmentos contenidos en la sangre, que se encuentran en trozos más grandes y son refráctiles, en un rango de color del verde al amarillo así como el café rojizo. En lesiones altamente pigmentadas, se pueden encontrar agregado de melanina que pueden obscurecer el detalle histológico. Una solución de permanganato de potasio es un efectivo agente decolorante de la melanina.

La melanina en desórdenes genéticos y enfermedades

La deficiencia de melanina ha sido relacionada con numerosas anomalías genéticas y enfermedades. Existen diez tipos diferentes de albinismo oculocutáneo, que es principalmente un desorden recesivo autosomático. Ciertas etnias tienen mayor número de incidencias, en sus diferentes formas; por ejemplo, la más común, es el llamado albinismo oculocutáneo del Tipo 2 (OCA2); éste es común especialmente dentro de personas descendientes directos de África. Es un desorden recesivo y autosomático caracterizado por una reducción o ausencia congénita de melanina en la piel, pelo y ojos. La frecuencia estimada del OCA2 entre los afroamericanos es de 1 cada 10.000, lo que contrasta en frecuencia con 1 cada 36.000 entre americanos blancos. En algunas naciones africanas la frecuencia del padecimiento es aún mayor, yendo de 1 cada 2.000 a 1 cada 5.000. Otra forma de albinismo, el albinismo oculocutáneo amarillo, aparece prevalentemente entre los amish (cristianos bautistas) de ancestros suizos y alemanes. La gente con esta variante de este desorden comúnmente tiene piel y cabello blanco al nacer, pero rápidamente generan pigmento durante su infancia.

El albinismo ocular afecta no solo la pigmentación del ojo, sino también su agudeza. Los test de vista realizados a albinos dan resultados pobres dentro de un rango dentro de 20/60 a 20/400. Existen dos formas de albinismo con una recurrencia aproximada de 1 cada 2.700, directamente asociadas con las muertes a causa de melanomas.

Así también la mortalidad entre pacientes que padecen el síndrome de Hermansky-Pudlak y Chediak-Higashi ha ido en aumento. Los pacientes con el síndrome de Hermansky-Pudlak presentan una predisposición al sangrado (debida a una falla en las plaquetas) así como también fibrosis pulmonar, desorden inflamatorio pulmonar, cardiomiopatía y deficiencia renal. Pacientes con el síndrome de Chédiak–Higashi son susceptibles a infecciones y pueden desarrollar el mal lymphofollicular. El rol que la deficiencia de melanina juega en estas enfermedades permanece todavía en estudio.

La conexión entre el albinismo y la sordera ha sido siempre conocida, pero poco comprendida, por más de un siglo y medio. En 1859 en el Tratado del origen de las especies, escrito por Charles Darwin, se apunta que «los gatos blancos de ojos azules generalmente son sordos». En los humanos, la hipopigmentación y la sordera coinciden en el extraño Síndrome de Waardenburg, predominantemente observado entre los indios hopi. La incidencia de albinismo en los indios hopi ha sido estimada en 1 por cada 200 individuos. Curiosamente, patrones similares de albinismo y sordera han sido encontrados en otros mamíferos, incluyendo perros y roedores. Sin embargo, la falta de melanina por sí misma no parece ser la responsable de la sordera asociada con la hipopigmentación, ya que la mayoría de los individuos que carecen de las enzimas requeridas para sintetizar la melanina no presentan ninguna deficiencia auditiva. Es en cambio la ausencia de melanocitos en la stria vascularis del oído interno, que resulta en deficiencia coclear, el origen del problema; sin embargo, la razón aún permanece desconocida, aunque se baraja la posibilidad de que la melanina posea una función protectora (podría ser, incluso, el mejor material absorbente de sonido hasta ahora conocido). A la vez, la melanina podría afectar el desarrollo, como sugería Darwin.

En el mal de Parkinson, una enfermedad que afecta el funcionamiento neuromotor, existe una disminución de neuromelanina en la subtantia nigra como consecuencia de una disminución de neuronas dopaminergicas, lo que resulta en una menor síntesis de dopamina. Aunque no se ha encontrado una relación entre la raza y los niveles de neuromelanina en la sustantia nigra, una mayor incidencia de casos en la población blanca en relación a la negra «sugiere que la melanina cutánea podría de alguna manera servir de protección a la neuromelanina en la substantia nigra de toxinas externas»^{[cita requerida]}.

Aunado a la deficiencia de melanina, el peso molecular del polímetro melanina podría disminuir a causa de varios factores como el estrés oxidativo (por exposición a la luz), resultando en una perturbación asociada con las proteínas primarias de la melanina, cambios en el pH o bien en concentraciones de iones de metal. Un descenso del peso molecular en el grado de polimerización de la melanina ocular, se cree que convierte el polímetro, normalmente anti-oxidante, en un oxidante. En este estado pro-oxidante, la melanina pareciera estar envuelta en la causa y la progresión de la degeneración macular y el melanoma.

La melanina y la adaptación humana

Los melanocitos se encargan de insertar gránulos de melanina en los vecículos celulares especializados, llamados melanosomas. Así después estos son transportados dentro de otras células de la piel localizadas en la epidermis. Los melanosomas en cada recipiente celular se acumulan encima del núcleo de la célula, donde protegen el ADN nuclear de cualquier mutación causada por la ionización o radiación que provocan los rayos ultravioleta del Sol. La gente donde sus ancestros vivieron por largos periodos en regiones cercanas al ecuador generalmente tienen cantidades mayores de eumelanina en su piel. Esto hace que su piel se vea café o bien negra, y los protege de largos periodos de exposición solar, lo que frecuentemente resulta en melanomas en gente con tonos de piel más claros. La piel oscura también tiende a permanecer más flexible y solo muestra unas cuantas líneas de expresión con el paso del tiempo. Como resultado, las caras de la gente de piel obscura tienden a lucir jóvenes por un mayor tiempo que las de gente de piel clara.

En los humanos, la exposición a la luz solar estimula al hígado a que produzca vitamina D. Esto es por que los altos niveles de melanina cutánea actúan como un protector solar natural, la piel oscura puede tener riesgos de deficiencia de vitamina D.

En Escocia, que se localiza en la latitud Norte, los descendientes de los britones tienen piel blanca. Cuando su piel es expuesta brevemente al sol, el escaso contenido de melanina que su cuerpo produce es incapaz de protegerla contra la luz solar. Por lo tanto, su cuerpo produce vitamina D para protegerlos. La vitamina D es encontrada en cantidad en el aceite de pescado, y es necesaria para prevenir el raquitismo, una enfermedad causada por falta de calcio.

En contraste, en África, que está cerca del ecuador, los humanos requieren exposiciones prolongadas al Sol para que este penetre en su piel y así poder producir vitamina D. Esto es completamente normal. Sin embargo, cuando esclavos negros empezaron a ser llevados a Inglaterra durante la Revolución industrial, ellos fueron los primeros en mostrar síntomas de raquitismo, crecimiento retardado, piernas arqueadas y fracturas, a causa de la falta de luz solar.

Afortunadamente, en 1930 la vitamina D fue descubierta y así se pudo dispensar como un suplemento a su dieta. En estos días alimentos como la leche o el pan están fortificados con vitamina D.

Estudios recientes arrojan que toda la humanidad se originó en África. Es más probable que los primeros pobladores hayan contado con grandes cantidades de melanocitos produciendo eumelanina. Acorde a esto, la piel obscura (como la muestra la gente originaria de África). Alguna de esta gente migró y se estableció en otras zonas de Asia y Europa, la presión selectiva por la producción de eumelanina disminuyó en climas donde la radiación del sol era ligeramente menos intensa, estas variaciones en los genes hicieron que la producción de melanina comenzara a desaparecer en la población, resultando en cabello y piel más claras sobre todo en las latitudes más altas. No se sabe si estos cambios fueron generados por selección positiva o bien por cambios genéticos, o bien tal vez por el requerimiento de la vitamina D. Las dos variantes genéticas asociadas con la piel pálida no parecen haber pasado por selección positiva.

Del mismo modo que la gente que migró hacia el norte, los que tienen piel clara y migraron al sur se aclimataron a una radiación solar más fuerte. La piel en mayoría de la gente se obscurece al ser expuesta a luz UV, dándoles así mayor protección cuando es necesario. Este es el sentido psicológico del bronceado. La gente de piel obscura produce mayor eumelanina y es menos común que sufra quemaduras solares y, por ende, de melanoma, que es una forma potencialmente mortal de cáncer de piel, así como otros problemas de salud relacionados, incluyendo la fotodegradación de ciertas vitaminas como las rivoflaminas, carotenoides, tocoferol, y los fólicos.

Las pecas y los lunares se forman en donde se localiza una mayor concentración de melanina en la piel. Están altamente asociados con la piel pálida.

La melanina ayuda a proteger los ojos de la luz ultravioleta así como de la luz visible de alta frecuencia; la gente de ojos azules se encuentra en mayor riesgo de padecer problemas en los ojos relacionados con la radiación solar. Aun así, las lentes oculares se amarillean con la edad agregando mas protección; sin embargo, estas mismas se vuelven mas rígidas y pierden su orden, afectando a la capacidad de cambiar de forma para enfocar de lejos a cerca, una daño probablemente dado por la unión de vitaminas, causada por la exposición a los rayos UVA.

Un reciente descubrimiento hecho por J.D. Simon sugiere que la melanina podría tener un papel relevante dentro de la fotoprotección. La melanina es capaz de ligar efectivamente los iones de metal a través de sus grupos de carboxilato e hidroxifenólicos, y en muchos casos mucho más eficientemente que la poderosa EDTA. Y Así podría servir para neutralizar iones de metal potencialmente tóxicos, protegiendo así el resto de la célula. Esta hipótesis mantiene el hecho de que la pérdida de neuromelanina en la enfermedad de Parkinson está ligada a un incremento en los niveles de hierro en el cerebro.

Propiedades físicas y aplicaciones tecnológicas

Espectro de absorción de la melanina

La melanina es un biopolímero y un neuropéptido. Las melaninas son estructuras rígidas de polímeros conductores compuestos de poliacetileno, polipirol, y polianilina «negros» y sus polímeros mezclados. La melanina más simple es el poliacetileno, del cual derivan todos los demás, algunas melaninas fungales son poliacetileno puro.

En 1963, DE Weiss y sus colaboradores, reportaron una alta conductividad eléctrica en la melanina, barniz ionizado, y en el polipirrol oxidado «negro». Lograron una conductividad eléctrica tan alta como 1 Om/cm. Una década después, John McGuiness, y sus colaboradores reportaron una alta conductividad estable en un switch hecho con melanina DOPA. Más adelante, este material emitió un flash de luz —electroluminiscencia— cuando fue activado. La melanina muestra una resistencia negativa, una propiedad clásica en los polímeros electro-activos conductores. Del mismo modo, la melanina es el mejor material absorbente de sonido conocido hasta la fecha, esto debido a la fuerte formación de parejas electrón-fotón. Esto tal vez este relacionado con la presencia de melanina en el oído interno.

Estos descubrimientos estuvieron perdidos hasta el resurgimiento reciente de melaninas usadas en dispositivos, particularmente en displays electroluminicentes. En el año 2000, el premio Nobel de química fue obtenido por tres científicos por el subsecuente (re)descubrimiento y el desarrollo de dichos polímetros conductores orgánicos. Al parecer el Comité del premio Nobel no tenía ninguna evidencia del reporte casi idéntico que Weiss registró en 1977 sobre la alta conductividad pasiva en el polipirrol, ni de las propiedades de alta conductividad de la melanina DOPA y sus semiconductores similares. El dispositivo electrónico orgánico de melanina es exhibido en estos días en el Museo Nacional de la Historia Americana de la Institución Smithsoniana, en su sala Smithsonian Chips que cuenta con una colección de dispositivos electrónicos históricos.

La melanina influencia la actividad neuronal y media la conducción de radiación, luz calor y energía cinética. Así pues, es sujeto de constante interés en la investigación y desarrollo biotecnológico, más notablemente en los electrónicos orgánicos (algunas veces llamados «electrónicos plásticos») y nanotecnología, donde semiconductores son usados para incrementar la conductividad de la melanina. El pirrol y acetileno negros son los semiconductores orgánicos estudiados más frecuentemente.

A pesar de que la melanina sintética (comúnmente referida como BSM, o Black Synthetic Matter, «Materia Sintética Negra») está hecha de 3-6 unidades oligométricas ligadas, referidas como «protomolécula», no existe evidencia alguna de que sea un biopolímero natural (BCM, por Black Cell Matter, «Materia de Celdas Negras»), pero emula su estructura. Sin embargo, no existe razón para creer que la melanina natural no pertenece a la categoría de los poliarenios y de las polienios policatónicos, como el pirrol y el acetileno negro, es necesario repasar todos los datos analíticos biológicos y químicos reunidos hasta la fecha en el estudio de las melaninas naturales (eumelaninas, feomelaninas, y alomelaninas).

Referencias

• Este artículo fue creado a partir de la traducción del artículo Melanin de la Wikipedia en inglés, bajo licencia Creative Commons Atribución Compartir Igual 3.0 y GFDL.