La melanina es un biopolímero (un polímero es una cadena de unidades que se repiten, cada unidad es un monómero) cuya estructura química no se conoce aún al detalle, se conoce sin embargo los monómeros que lo conforman. El nombre melanina proviene del griego μέλας (melas, que significa negro) y el sufijo -ina (sustancia o material), en la antigüedad se utilizó el termino melanina para referirse a cualquier pigmento obscuro.(1)
La melanina se encuentra en animales, plantas, hongos y bacterias. Siendo su principal función la protección contra los rayos UV, es un aceptora/donadora de radicales libres por lo que tiene una función antioxidante, disipa radiación en forma de calor por lo que ayuda la regulación de la temperatura corporal y determina la apariencia de cada persona en cuanto a color de ojos, cabello y piel, por esto tiene una enorme relavancia a nivel cosmético.
Entre algunos datos curiosos de la melanina es el mejor conductor de sonido que se conoce, tiene buena conductividad electrica, presenta un efecto quelante (capaz de atrapar iones metálicos), es parte fundamental del sistema inmune de los invertebrados.(2)
Melanina en la piel
En la piel la melanina se sintetiza en los melanocitos, celulas dentrificadas que se encuentran en la epidermis y que tienen una apariencia semejante a las neuronas en el cerebro. El mecanismo de síntesis de melanina se conoce como melanogénesis, a continuación se enumeran los paso de la melanogénesis:
- Estimualcion del melanocito por radiación UV.
- Producción de tirosina aminoácido esencial para la producción de melanina.
- Conversión de tirosina en dopaquinona es llevada a cabo por la enzima tirosinasa.
- Polimerización de dopaquinona, da lugar a los dos tipos principales de melanina en la piel feomelanina (pigmento amarillo-rojizo) y eumelanina (pigmento marron- café).
- Almacenamiento en los melanosomas, organelos dentro de los melanocitos que permiten el almacenamiento de la melanina desde su formación hasta la forma final.
- Transferencia a los queratinocitos, los queratinocitos son las células más abundantes en la epidermis y por lo tanto las que cumplen con la funcion barrera de la piel.
- Se distribuye en la epidermis dando la coloración específica a cada piel asi como la protección a la radiación UV.
Los tratamientos cosméticos para despigmentar la piel atacan varios pasos de la melanogénesis, es importante recordar que la epidermis en adultos se recambia aproximadamente cada 28 días, para ver efectos de un producto cosmético es importante además del uso sistemático utilizarlo 3 meses para ver resultados.
Tipos de melanina
En el cuerpo humano se encuetran 3 tipos de melanina: eumelanina que forma un pigmento marron-café y que es el más eficiente dispersar la radición en el espectro UV-Vis, feomelanina que forma un pigmento amarillo-rojizo protege contra la radicación de forma menos efeciente (un ejemplo tipico de la feomelanina es el color rojo intenso de la cresta del gallo), y neuromelanina que se encuentra en la sustancia nigra en el cerebro si bien no se conoce su función se cree que ayuda a la protección del cerebro contra agentes oxidantes (la perdida de la sustancia nigra se relaciona con la enfermedad de Parkinson)
La eumelanina y la feomelanina se pueden encontrar en diferentes proporciones en cada individuo dando características físicas particulares. Aunque el número de melanocitos no cambia dependiendo el grupo étnico, si hay razgos caracteristicos entre la proporcion eumelanina/feomelanina, el tamaño de los melanocitos y la actividad así como la distribución de la melanina en la piel(2). Estas diferencias se deben a una adapatación a las diferentes condiciones climáticas y sobretodo a la cantidad de radicación solar recibida.
| EUMELANINA | FEOMELANINA | |
| COLOR | Colores obscuros como marrón café y negro. | Colores claros como amarillo y rojo. |
| COMPOSICIÓN QUIMICA | Está compuesta por monómeros de eumelanina que continen principalmente indol-5,6-quinona e indol-5,6-semiquinona. Contenido de Nitrógeno (6-9%) Contenido de Azufre (9-12%) | Se incluyen compuesto azufrados como la cisteína y el glutatión. Contenido de Nitrógeno (8-11%) Contenido de Azufre (9-12%) |
| PROTECCION UV | Absorbe dentro del espectro de UV- visible entre los 400 y los 250 nm, siendo mucho mas eficiente en la región UV. Absorbe la radiación y la disipa en forma de calor. | Tiene un rango de absorción mas reducido entre los 300 y 350 nm. La sobre exposición a la radiación UV puede derivar en la generación de radicales libres (o especies reactivas de oxígeno ROS, por sus siglas en ingles). |
| EN EL CUERPO | Piel, Iris, Cabello | Labios, Pezones, Glande, Vagina |
Los tipos de melanina fueron identificados y estudiados en la década de los ochentas, se sabe que son resistentes a la hidrólisis ácida y en condiciones alcalínas (pH básico) el comportamiento es diferente, la feomelanina es soluble en solución alcalina mientras la eumelanina es insoluble. (3) También se estudió la degradación con agentes oxidantes como el permanganato de potasio y el peróxido de hidrógeno. Permitiendo así identificar los diferentes monómeros que la conforman.
Funciones de la melanina
Protección contra la radiación solar
La radiación solar se compone de tres tipos de radiación UV, Visible e Infrarroja. La UV es la menos abundate pero la mas energética, se sabe que la melanina tiene su pico de absorción en este rango y ha sido la mas estudiada por sus efectos dañinos en la piel asi como su relevancia en el cancer de piel. La luz visible genera en la piel pigmentación y ha sido un tema de moda en cosmética en la última década dado que los dispositivos electrónicos emiten luz azul.
La luz infrarroja se percibe en forma de calor y es capaz de penetrar en la hipodermis, este tipo de radiación interactúa con las proteinas estructurales de la piel (como colágeno y elastina) y su exposición a largo plazo genera flacidez. En el mercado cosmético los protectores solares que protegen contra rayos UVB, UVA, visible e infrarrojo se les conoce como de amplio espectro.
La radiación UV se divide en 3 tipos UVA, UVB y UVC (estos se absorben en la atmósfera de la tierra pero pueden ser emitidos de manera por fuentes de luz artificial). Los rayos UVB penetran principalmente a la epidermis y son los causantes de las quemaduras solares y el bronceado, induciendo la producción de melanina, en los protectores solares comerciales el factor de protección solar (SPF) se refiere a la protección de este tipo de radiación.
Cuando nos exponemos al sol la piel presenta una pigmentacion inmediata, esta es causada por la radiación UVA ya que oxida la melanina presente en la epidermis, sin embargo los rayos UVA penetran hasta la dermis y aunque no hay un efecto inmediato de su exposición se sabe que a largo plazo son los responsables del fotoenvejecimiento. Los protectores solares que protegen contra rayos UVA, se indica como PA, siendo la protección más alta disponible en el mercado PA ++++.
| Tipos de radiación solar | Porcentaje de radiación solar | Longitud de onda λ (nm) | Penetración en la piel | Efecto en la piel |
| UVA | 95% | 320-380 | Dermis | Fotoenvejecimiento (arrugas) Pigmentación inmediata (oxidación de las melaninas presentes) |
| UVB | 5% | 280-320 | Epidermis | Eritema (enrojecimiento en la piel, quemaduras solares) Bronceado |
| UVC | 0% (se absorben en la atmosfera) | 200-280 |
El mecanismo mediante el cual la radiación UV es absorbida por la melanina es campo de estudio de la física, se proponen varios modelos para explicarlo uno de los mas aceptados es la «conversión interna ultra rápida» en terminos simples la energía es absorbida y disipada en forma de calor. Para profundizar en los modelos propuestos para el estudio de la melanina, la introducción de esta tesis de doctorado es maravillosa y de descarga libre «Ultrafast dynamics of the eumelanin pigment» by Aleksandra Ilina.(4)
Función antioxidante de la melanina
La función antioxidante de la melanina radica principalmente en la capacidad de la quinona presente en su monómero de aceptar radicales libres, con lo cual se convierte en semiquinona y si se puede reducir hasta una hidroquinona. Esta propiedad es la más explotada en productos cosméticos en los cuales se ponen pequeñas cadenas sintéticas de melanina como antioxidantes.
Sin embargo, la sobre exposición a la radiación puede causar el efecto contrario y la melanina en especial la feomelanina se vuelve un emisor de radicales libres, con lo cual la incidencia de cáncer de piel para las personas que presentan fototipos mas claros es aún mayor.
Biosíntesis de la melanina
La bioquímica es el área encargada del estudio de la biosíntesis de la melanina, en la cual está involucrada la enzima tirosinasa la cual convierte al aminoacido tirosina en dopaquinona. Las ortoquinonas son compuestos muy reactivos. Se cree que el fenotipo de una persona esta altamente influenciado por la cantidad de cisteina disponible en el melanocito, en ausencia de cisteina solo es posible sintetizar eumelanina. (Para una revisión mas profunda de este tema revisar la referencia 5 «A chemist’s view of melanogenesis» by Shosuke Ito)
La falta de melanina en el cuerpo humano esta relacionada con una condición llamada albinismo, que se produce como consecuencia de la enzima tirosinasa, siendo el primer paso de la síntesis de melanina, esta no se puede sintetizar. Las personas con albinismo son mucho más sensibles a la radiación solar.
Relación entre melanina y síntesis de vitamina D
La vitamina D se sintetiza en la piel por acción de los rayos UV, dado que la melanina absorbe este tipo de radiación las personas con fenotipos obscuros requieren mayor cantidad de radiación solar para sintetizarla. Esta vitamina es crucial para la fijación de calcio y el no tener suficiente vitamina D produce la enfermedad de raquitismo, esta enfermedad fue común entre los primeros esclavos africanos llevados a Inglaterra. Hoy en día es una enfermedad rara ya que se puede suplementar facialmente la vitamina D via oral.(2)
Es importante mencionar que el uso de protector solar no inhibe la síntesis de vitamina D, primero por que no se aplica en toda piel, solo en las áreas mas expuestas como cara y brazos y en segundo lugar porque los protectores solares aunque sean del factor de protección solar más alto siempre pasa un % de radiación UV a la piel.
Nota: Este blog no es un trabajo académico aunque si se revisaron al menos 10 articulos científicos para su elaboración se mencionan en las referencias los importantes y otras referencias no académicas que pueden ser de utilidad para profundizar en el tema ¡Feliz día del químico!
Referencias:
- Melanin, Radames JB Cordero & Arturo Casadevall, Current biology 30, 2020
- Melanina. www.quimica.es/enciclopedia/melanina vistidada 20 de abril de 2023
- Eumelanins and pheomelanins: Characterization by electron spin resonance Spectroscopy. Edward Bump, Ning Y Yu, J. MArtin Brown, Science, vol 217, 1982.
- Ultrafast dynamics of the eumelanin pigment, Aleksandra Ilina, Thesis doctor of philosophy in physics, Victoria University of Wellington 2022.
- A chemist’s view of melanogenesis, Shosuke Ito, Pigment Cell Res, 16, 2003.