Меланин — универсальный чёрный
Наверное, каждый слышал о меланине — пигменте, который отвечает за цвет кожи, волос, радужной оболочки глаз (и не только). Но это сложное соединение не имеет единой химической формулы. Меланины образуют семейство тёмных полимерных пигментов, которые широко распространены в живой природе. Их накапливают самые разные организмы: грибы, бактерии, растения и животные. Дело в том, что фотозащитная способность меланина, благодаря которой он известен, — далеко не единственное его полезное свойство. Но что ещё может этот пигмент и какие секреты строения делают его настолько универсальным?
Меланины животных (в том числе человека) традиционно делят на два основных типа: эумеланин (от греч. eû — хороший, настоящий), отвечающий за чёрнокоричневую окраску тканей, и феомеланин (от греч. phaiós — тёмный), ответственный за желтовато-красные оттенки. Позднее были открыты ещё два типа меланина, они получили свои названия по источнику выделения. Это нейромеланин, обнаруженный в определённых участках мозга человека и других приматов, и пиомеланин, синтезируемый некоторыми болезнетворными микроорганизмами. Остальные меланины, выделенные из растений, грибов и бактерий, объединили под названием алломеланины (от греч. állos — другой). Но источник выделения пигмента не всегда может помочь в его классификации, ведь многие организмы способны к синтезу сразу нескольких типов пигмента.
Чтобы разобраться в различиях между типами меланина, полезно рассмотреть их химические структуры. Синтез любого вещества начинается с субстрата. В случае меланина главным субстратом у многих организмов выступает аминокислота L-тирозин. Из неё в два этапа фермент тирозиназа, или его аналоги, в зависимости от организма, образует ДОФА-хинон*. Он очень реакционноспособен, поэтому легко преобразуется в основной предшественник меланина — 5,6-дигидроксииндол (DHI). Такой путь синтеза могут использовать животные, бактерии, грибы и растения. Модифицируя отдельные этапы синтеза, организмы научились производить разные типы меланина.
* ДОФА — L-диоксифенилаланин.
Эумеланин и феомеланин. В состав эумеланина входят сразу два типа мономеров — остатки DHI и DHICA — 5,6-дигидроксииндол-2 карбоновой кислоты. Дело в том, что помимо обычной тирозиназы в меланоцитах млекопитающих (клетках, вырабатывающих меланин) был обнаружен дополнительный фермент, названный TYRP-2, или ДОФА-хром таутомераза. С его помощью возможен синтез DHICA — ещё одного прекурсора меланина.
Феомеланин синтезируется из того же ДОФА-хинона, только в процессе к нему присоединяется аминокислота цистеин. Так как цистеин содержит атом серы, характерной чертой феомеланина служит её высокое содержание — около 6—16%, тогда как в эумеланине оно составляет 0,2%.
Пути синтеза этих двух типов меланина очень схожи, и часто они синтезируются совместно. Найти в живой природе чисто эумеланиновый или феомеланиновый окрас практически невозможно — обычно встречается сочетание пигментов обоих типов.
Нейромеланин. В отличие от меланинов кожи нейромеланин синтезируется в нейронах. В том числе он придаёт цвет участку мозга, названному чёрной субстанцией. Его основные прекурсоры — нейромедиаторы дофамин и, в меньшей степени, норадреналин. По аналогии с синтезом феомеланина в процессе к ним могут присоединяться остатки цистеина. Когда цистеин в нейроне заканчивается, синтез продолжается без него. Так формируется своеобразная двойная структура гранул нейромеланина: феомеланиновое ядро, покрытое эумеланиновой оболочкой.
Пиомеланин. Его синтезируют в основном бактерии, разрушая для этого ароматические аминокислоты — тирозин или фенилаланин. Из тирозина в результате образуется гомогентизиновая кислота (HGA). Её присутствие отличает пиомеланин от других типов меланина. В числе бактерий, производящих пиомеланин, — Legionella pneumophila, возбудитель «болезни легионеров», и Burkholderia cepacia — исключительно устойчивый патоген.
Алломеланины. Эти пигменты стоят особняком от других типов меланина, так как для их синтеза не нужен L-тирозин. Вместо него бактерии, грибы и растения используют другие доступные метаболиты — ацетат, малонил-КоА и катехолы соответственно. Слегка отличаются и ферменты, необходимые для синтеза. Если внимательно посмотреть на субстрат и основные прекурсоры алломеланинов, можно заметить ещё одну особенность — в них нет азота. В «готовом» алломеланине его меньше 2%. Считается, что так организмы, живущие в условиях недостатка азота (в частности, растения), стремятся его экономить.
Итак, с мономерами мы познакомились. Что происходит дальше? Мономеры соединяются друг с другом и формируют одну длинную молекулу — полимер.
Экспериментальное изучение структуры меланина на уровне полимера — задача со звёздочкой. Дело в том, что меланин аморфен, не растворяется в большинстве растворителей и устойчив к химической деградации. Растворить его способна жёсткая щёлочь, но в большинстве случаев это означает разрушение сразу до мономеров, так что восстановить оригинальную структуру невозможно. Ещё меланин часто прочно связан с клеточными тканями (например с клеточной стенкой), поэтому белки и липиды, оставшиеся от клеточной стенки после растворения, могут мешать анализу. Тем не менее кое-что учёным всё-таки удалось понять.