Melaniin

Keemilised ja füüsikalised näitajad

Melaniinide kohta teatakse vähe, puudub ka melaniini kokkuleppeline definitsioon ja nomenklatuur ning tüüpide liigitus. Nii ei arvata tihti melaniini sünteesi toimuvat teatud lahtilõigatud puu- ja juurviljade lõikekohas, kui need pruunistuvad.
CAS-number 8049-97-6. Molaarmass on 318,2830 g/mol. Hariliku seepia melaniini molekulivalem on C₁₈H₁₀N₂O₄ . Melaniin on non-refractile. Melaniinigraanuli läbimõõt on väiksem kui 800 nanomeetrit. Selle omaduse põhjal eristatakse melaniini harilikest vere pigmentidest, mis on suuremad, kämbulised ja värvuse poolest varieeruvad (rohelisest kollaseni või punakaspruunini).
Feomelaniinid sisaldavad väävlit.
Feomelaniin erineb eumelaniinist biokeemilise koostise, sünteesiradade jpm poolest.
Kaaliumpermanganaadi lahjendatud lahus ja vesinikperoksiid on üsna efektiivsed melaniini pleegitajad.

Organismides

Melaniini on tuvastatud dinosauruste kivististes ja varasematel peajalgsetel. Melaniini leidub enamikus elusorganismides, välja arvatud ämblikuliste seltsi loomad, neil pole melaniini pigmendina tuvastatud.

Mikroorganismid

Melaniin kaitseb mikroorganisme, nagu bakterid ja seened, rakukahjustusi põhjustavate nähtuste, näiteks UV-kiirguse eest. Samuti kaitseb melaniin kahjustuste eest, mida põhjustavad kõrge temperatuur, keemilised kahjustused (nt raskmetallid ja oksüdeerivad ühendid) ja biokeemilised ohud. Seega mängib melaniin paljudes patogeensetes mikroobides tähtsat rolli virulentsuses, kaitstes mikroobe peremeesorganismi immuunvastuste eest. Katsetes laborirottidega läbis radioaktiivselt märgistatud bakteriaalset päritolu melaniin vere-aju barjääri. Pyomelanin'i sünteesivad sellised bakterid nagu Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Hypomonas sp., Shewanelia colwelliana jpt.
Seeneriigi levinuimad melaniinitüübid on 1,8-dihydroxynaphthalene (DHN) ja L-3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA). Melaniinid paiknevad seentel melaniseeritud rakukestas ja võivad erineda ka seene kasvukohtade- ja/või -tingimuste suhtes, nii erineb looduses kasvava musta pässiku sünteesitav melaniin (allomelaniin) Befungin 'i valmistamisel kasutatava kultuurtšaaga melaniinist (eumelaniin). Seene melaniini ülesanneteks loetakse vastupanuvõimet keskkonna pakutavatele, vahel lausa äärmuslikele tingimustele, nagu külm kliima Antarktikas või tuumareaktoritest vabanenud radioaktiivsete ainetega reostatud piirkondades. Näiteks suudavad teatud melaniseeritud seened jääda ellu nõudepesumasinas, kus neil tuleb vastu seista nii ebaharilikele temperatuuridele kui ka nõudepesuvahendite toimele.
Cryptococcus neoformans'il võivad melanisatsiooni tagavad geenid kaasa aidata peremeesorganismi surmale. Arvatakse, et inimeste suhtes patogeensust esile kutsuda võivatel seeneliikidel, nagu Cryptococcus neoformans, Paracoccidioides brasiliensis, Aspergillus fumigatus, Histoplasma capsulatum, Blastomyces dermatitidis, Candida albicans, Cladosporium, Fonsecaea, Phialophora ja Wangiella liikidel ja Malassezia furfur aitab pigment kaasa nende "virulentsusvõimele", mõjutades mitmeti peremeesorganismi immuunvastuseid, manipuleerides makrofaage ja inhibeerides tsütokiinide sünteesi.
Mõningad seened on võimelised kasutama melaniini fotosünteetilise pigmendina, mis võimaldab neil gammakiirgust püüda ning kasutada kiirguse energiat enda kasvuks.

Selgrootud

Selgrootute immuunsüsteem kaasab end patogeenide eest kaitstes melaniini. Vaid minuteid pärast nakatumist surutakse mikroob kokku melaniini ning sellise kapseldumise käigus toodetud vabade radikaalsete kõrvalsaaduste moodustumist seostatakse nende tapmisega. Putukatel ei seostata melaniini sünteesi mitte ainult kehakatte värvuse loomisega, vaid neil osaleb melaniin ka immuunsuses ja seda sisaldab ka hemolümf. Liblikalistel osalevad tiivamelaniinid liblika musta ning pruuni tiivavärvuse kujundamisel. Lisaks tiivavärvusele osaleb melaniin liblikatel ka immuunvastustes. Kui putuka kehasse siseneb võõrkeha, milleks võib olla parasitoid, patogeen või kemikaal, siis terve liblika adekvaatse immuunvastuse korral moodustavad hemotsüüdid võõrkeha ümber kapsli (kapseldamine), kuhu paigutub ka melaniin.
Peajalgsete tindipauna tindi, mille üks koostisaine on melaniin, pihustamine aitab neil teatud kriitilistes olukordades kaitsemehhanismina kiskjate eest maskeeruda ja põgeneda. Hariliku seepia tindinääret (tindipaun) kasutatakse melanogeneesi bioloogilise mudelsüsteemina. Tindinäärmes paiknevad rakud, mis liiguvad küpsenuna näärme pinnale ja sünteesivad melanosoomides melaniini (eumelaniini), mis vajadusel väljutatakse vastava avause kaudu. Tindinäärme biokeemiliste uuringute kohaselt sisaldab nääre mitmeid melanogeenseid ensüüme, sh türosinaasi, peroksidaasi (peroxidase) ja dopamiini.

Selgroogsed

Enamikul kahepaiksetel, kaladel ja roomajatel sünteesivad melaniini melanomacrophages keskmes paiknevad graanulid, mis paiknevad sellistes elundites nagu maks, põrn, neerud. Melanomacrophages on agressiivsed fagotsütaarsed rakud, mis õgivad seeni, baktereid, parasiite, mükobaktereid, ladustavad erütrotsüütide lõhkemise järel rauda jpm ja neid seostatakse organismi immuunsusega. Kaladel sünteesitakse nahamelaniin pre-melanosoomides ja see määrab osalt ka kalasoomuste värvuse. 
Madudel on melanotsüüte tuvastatud peamiselt nahas. Neid liigitatakse asukoha järgi: pärisnahas paiknevad naha melanotsüüdid, epidermises paiknevad epidermaalsed melanotsüüdid ning nahaalused melanotsüüdid, mis paiknevad sügaval nahas ja moodustavad võrgustiku. Kõik nimetatud rakud sisaldavad melaniini sünteesivaid osiseid. Lisaks sisaldavad melaniiniladestusi ka näiteks pärisrästiklaste ja lõgismadulaste peas paiknevad mürginäärmeid katvad koed, lihased ja mürginäärmed. Sugukonda Colubridae liigitatud madudel melaniiniladestusi Duvernoy näärmetes ei ole tuvastatud. Melaniiniladestiste ülesandeid madudel on vähe uuritud, kuid arvatakse, et need moodustavad kaitsebarjääri päikesekiirguse eest, mis võib kahjustada mürgiaparaati või inaktiveerida mürgina toimiva sülje.
Lindudel on melaniini ülesandeks sulestiku kaitsmine päikesekiirguse ja kulumise eest, seetõttu on paljude linnuliikide (näiteks kajakad, haned, toonekured jpt) kulumisele vastuvõtlikumad sulestikuosad, näiteks tiivaotsad, tumedat värvi. Aga sulepigmentidel võib olla ka kasulikke keemilisi omadusi, nii seob melaniin linnu organismi sattunud mürgiseid raskmetalle. Surnud sulekoesse seotud raskmetallid ei ole enam linnule nii ohtlikud, sest ei pääse mööda organismi ringlema.
Lindude seas esineb ka ebaharilikult tumeda värvusega sulestikke (melanismi), näiteks kuningpingviinidel (Aptenodytes patagonicus). Arvatakse, et seda põhjustab sulestikus sünteesitava eumelaniini taseme tõus.

Imetajad

Kõige rohkem võib melaniini avaldumine erineda loomadel. Jaaguari või leopardi melaniini mutatsiooni puhul sünnib järglane mustana (panter). Imetajate melanotsüüdid sünteesivad eumelaniini ja feomelaniini, mis tekivad valdavalt türosiini oksüdatsioonil melanotsüütides paiknevates melanosoomides.
Hiirtel neuromelaniini seni histoloogiselt tuvastatud ei ole, kuid melaniinide roll karvastikus on silmatorkav. Nii näiteks näib Agouti hiirte karvastik pruunina, selle tagavad must eumelaniin ja kollane feomelaniin. Geneetiliste omapärade tõttu esineb ka täielikult musta või kollast värvi karvkattega hiiri. Paljude käsitiivaliste karvastik on pruuni või musta värvi. Sugukondade Pteropidae, Megadermatidae, Myzopodidae ja Vespertilionidae isaste suguelundeis sisalduvad melaniinigraanulid. Gorillade mustaines on tuvastatud neuromelaniini, gorillade nahk ja karvastik on enamasti mustjad.

Melaniin inimestel

Inimesel sünteesivad melaniini nahas paiknevad melanotsüüdid, silma pigmentepiteeli, sisekõrva ja kesknärvisüsteemi rakud. Uuemate uuringute alusel sünteesivad melaniini ka adipotsüüdid. Melaniini sünteesi juustes ja nahas reguleerib melanokortiin-1 retseptor. Pigmenti leidub ka juustes, neerupealistes, südame- ja maksarakkudes jm. Arvatakse, et melaniin üksikus melanotsüüdis, selle dendriitides või keratinotsüüti ülekantuna ei suudaks sellele rakule kaitset pakkuda, ta peab toimima koos teiste rakkudega. Üheks selliseks funktsionaalseks üksuseks peetakse naha melaniiniühikut. Naha melaniiniühik on epidermises paiknev ja talitlev rakkude kompleks, kus melanotsüüt söödab oma jätketega melanosoome umbes 36-le ümbritsevale keratinotsüüdile.
Inimestel on melaniin koos karoteenidega tähtis nahavärvi otsustav tegur. Nahal, eriti heledal, näitavad tedretähnid ja sünnimärgid rohket melaniini-kontsentratsiooni. Arvatakse, et erinevate rasside nahavärvi varieeruvuse määrab ära melanosoomides paiknev ja keratinotsüütidele ülekantava melaniini kogus.
Arvatakse, et tumedanahaliste nahk on sadu tuhandeid aastaid kestnud geneetilise selektsiooni tulem, kuna melaniin täidab peale UV-kiirguse absorbeerimise ka antioksüdandi rolli. Keratinotsüütidesse jõudnud melaniinigraanulid kuhjuvad rakutuuma ümber ja neelavad kahjulikku ultraviolettkiirgust takistades selle jõudmist rakutuuma ja vältimaks DNA kahjustumist. Päikesekiirgus mõjutab mitmete rakutüüpide talitlust ja loetakse mitmete uurijate poolt üheks nahavähki esile kutsuvaks teguriks. Päikesevalgusele eksponeeritud hele nahk sünteesib, näiteks päevitamise järgselt, melaniini, kutsudes esile kas päikesepõletuse või hilisema naha pruunistumise (indutseeritud tumedanahalisuse). Tumedanahaiste hulka ei loeta mitte üksnes Aafrika, vaid ka Ladina-Ameerika päritolu tumeda naha pigmentatsiooniga inimesi. Tumeda nahavärviga on ka Austraalia aborigeenid. Võrreldes europiidse päritoluga inimeste nahaga oli nende naha melanotsüütide arvukus kõrgem, histokeemiliselt aktiivsem ja sisaldab suuremaid melanosoome, ka ei hävi melaniin keratinotsüütide lüsosoomides samas tempos kui europiidses nahas. Aborigeenide nahal ei ilmne ka aastatepikkuse päikse käes olemise järgselt märkimisväärseid nahakahjustusi.
Kuigi üldiselt on inimestel ühesugune kogus melanotsüüte, siis mõningatel indiviididel ja rahvastel ekspresseerivad melanotsüüdid erineva sagedusega melaniini tootvaid geene ja tumedama nahavärviga inimestel on melaniinisõmerad suuremad. Tumedanahaliste inimeste melanosoomides sünteesitakse valdavalt eumelaniini. Heledama nahaga inimeste naharakkude melanosoomides sünteesitakse valdavalt feomelaniini. Feomelaniin ei paku efektiivset kaitset ultraviolettkiirguse toime vastu, pigem muudab organismi kiirguse toimele vastuvõtlikumaks. Pikka aega arvatigi, et punapeadel osaleb feomelaniin ultraviolettkiirguse koostoimel nahavähi tekkes, kuid uuemate uuringute kohaselt langeb määrav roll siiski geneetilisele omapärale.
Inuitid ehk lääneeskimod on rühm rahvaid ja hõime, kelle põline asuala on Põhja-Ameerika põhjaosas Kanadas, Alaskal ja Gröönimaal. Nende nahk on vaatamata vähesele päikesevalgusele sageli pruuni värvi. Arvatakse, et nende naha melaniinisisaldus on suur tänu rohkelt D-vitamiini sisaldavale toidule.

Melaniini ja melanogeneeside patoloogia

Melaniini sünteesi- ja metabolismiradadega seotud kõrvalekaldeid seostatakse juba pikemat aega mitmete haigusseisunditega, millest mõnede etioloogia võib ka pärilik olla, nagu parkinsoism, makula (atroofiline; eksudatiivne) seniildegeneratsioon, seniilne kuulmisnõrkus, ka pigmentatsiooni häired ja kurtus (Wardenburgi sündroom ja retinaalne (valgetähnjas; pigmentaarne; rebutaoline) düstroofia), melanuuriaga, pigmentlaik e kloasm, põletikujärgne liigpigmentumus, albinism, vitiliigo, Vogti-Koyanagi-Harada sündroom jmt. Ka esmase e primaarse biliaartsirroosi kutaanse pigmentatsiooni ilmingud kutsub esile suurenenud melaniini kogus ja Elejalde sündroomi põdevatel pediaatrilistel patsientidel ei toimi/või puudub/või on takistatud melaniini osalust eeldav pigmentatsioon.
Albinism on mitmete pärilike haiguste rühm, millest enamikku seostatakse kõrvalekalletega melanogeneesis ja ka melaniiniga. Melaniini biosüntees oleneb ensüümist türosinaas. Mutatsioonid, mis takistavad türosinaasi toimimist, võivad põhjustada kaasasündinud totaalset albinismi ehk üldist pigmenditust (kaasasündinud türosinaasi puudulikkus). Chediaki(-Steinbrincki)-Higashi sündroom on harva esinev retsessiivselt päritav tõbi, millele on iseloomulik ka teatav albinism (tyrosine-negative albinism ). Haigusega seostatakse LYST-geeni, mille mutatsioonide tulemusel tekivad talitlushäired, millega kaasneb melaniini sulgumine tavalisest suurematesse melanosoomidesse ja see ei jõua seetõttu nahka, juustesse ja silmadesse. Griscelli sündroom on harva esinev restsessiivselt päritav tõbi, millele on iseloomulik ka teatav albinism. Haigusega seostatakse geenide MYO5A (I tüüpi), RAB27A (II tüüpi) ja MLPH (III tüüpi GS) mutatsioone, mille valkude talituste hulka loetakse ka melaniini sünteesi toetamine melanosoomides ja selle laiali jagamise toetamist. Hermansky-Pudlaki sündroom on harva esinev retsessiivselt päritav tõbi, millele on iseloomulik ka teatav albinism (tyrosinase-positive albinism) : naha, juuste ja silmade pigmentatsiooni puudulikkus jpm. Haigusega seostatakse mitmete geenide mutatsioone, mille valkude talituste hulka loetakse ka melaniini sünteesi ja laiali jagamise toetamine.
Melanonühhia on küünte mustaks värvumine, mida seostatakse mitmete tegurite ja haiguslike seisunditega.
Melanoom (ladina keeles melanoma malignum) on koondnimetus inimestel esineda võivate melanotsüütidest arenevate pahaloomuliste kasvajate kohta. Paljud epidemioloogilised uuringud on näidanud väiksemat nahavähki haigestumise võimalust inimestel, kelle organismis on rohkem kontsentreeritud melaniini. Onkoloogias on melaniin abiks nahavähi staadiumite ja tüübi määramisel, samas melanootilise melanoomi korral ka bioloogiline tegur, mis reguleerib melanoomi tundlikkust ioniseeriva ja utraviolettkiirguse suhtes.
Melanoos on melaniinist või selle sarnasest ainest tekkiv naha, limaskesta või elundi ebanormaalne tumedus. Prostatic melanosis on väga haruldane (2014. seisuga 20 juhtu) healoomuline eesnäärme melanotsüütiline lesioon, mida iseloomustab melaniini esinemine eesnäärme (prostata) epiteelis ja stromaalsetes dendriitrakkudes, mis aga ei vaja välist sekkumist.
Ühe hüpoteesi kohaselt võib tervete ja Parkinsoni tõbe põdevate inimeste ajurakkude neuromelaniin erineda. Parkinsoni tõve korral peetakse peaajus neuromelaniini sisaldavaid neuroneid liig vastuvõtlikuks rakusurmale või nende kogust ebapiisavaks. Parkinsoni põdevate inimeste vereseerumis on tuvastatud anti-melaniini-antikehade kõrgenenud tase, mida püütakse seletada melaniini käitumisena autoantigeenina.
Vitiliigo ehk laikpigmenditus on selgroogsetel loomadel (näiteks inimestel, kassidel, pühvlitel, hobustel, sigadel ja koertel) teadmata põhjusel tekkiv naha laiguline pigmenditus. Arvatavalt on põhjuseks oksüdatiivne stress, autoimmuunsed, geneetilised ning viiruslikud tegurid. Ühe teooria kohaselt on vitiliigo autoimmuunse geneesiga haigus, mille puhul autoimmuunreaktsioonide tagajärjel melanotsüüdid hävivad ega tooda enam melaniini ja nahale ilmuvad ebaregulaarse kujuga heledad või täiesti valged laigud. Ka karvad vitiliigo piirkonnas muutuvad valgeks.
Vogti-Koyanagi-Harada sündroom (VKH syndrome) on eeldatavasti autoimmuunse geneesiga haigus, mida iseloomustab krooniline, kahepoolne, difuusne granulomatoosne uveiit ja ka naha-, neuroloogilised- ja kuulmishäired. VKH sündroom on immuunvahendatud haigus, arvatakse, et siin mängivad rolli T-abistajarakud, mis vahendavad autoimmuunreaktsioone melanotsüütide vastu nahas, silmamunasoonkestas, kesnärvisüsteemis ja sisekõrvas, mille tagajärjel hävitatakse melanotsüüdid.

Melaniini uuringud

Histamiini roll naha pigmentatsioonis pole selge. Melanotsüütidel on tuvastatud toimivaid histamiiniretseptoreid. Inimese melanotsüütide rakukultuuri töötlemine 0,1–10 microM histamiiniga kutsus esile morfoloogilisi muutusi, suurenes türosinaasi aktiivsus ja hoogustus melaniini süntees.
1970. aastate hiirekudede uuringud näitavad, et nikotiin ladestub melaniini sisaldavatesse kudedesse, osade uurijate arvates käitub nikotiin melaniini eelkursorina ja ladestub seetõttu rakkude vastavates piirkondades.
Suurtes kogustes eksogeensete östrogeenide manustamine kiirendab feomelaniini ja alandab eumelaniini sünteesi.
Eri uuringutes on uuritud melaniini sünteesi melanogeneesi stimuleerivaid taimseid saadusi. Nelumbo nuficera eeterlik õli, lagritsa-magusjuures leiduv aine glütsürrisiin, kaavapipra risoomi ekstrakt ja kvertsetiin stimuleerivad melaniini sünteesi B16 melanoomi rakuliini rakkudes, ka mesilasmürk.
Eri uuringutes on uuritud melaniini sünteesi melanogeneesi inhibeerivaid taimseid saadusi. Melaniini sünteesi inhibeerivaid aineid sisaldavad kuivatatud leesikalehed, aaloe, tsitruseliste koores leiduv hesperidin, nikotiinamiidi (niatsiinamiid) sisaldavad taimed, valge mooruspuu kuivatatud lehtede 85% etanooliekstrakt, kassia eeterlik õli (Cinnamomi cassiae aetheroleum) jpt.