黑色素形成的生物化学机制(一)

在过去的20多年里关于黑色素的形成发展成了几个综合性的观点，但在这些观点中，只有少数涉及到生物化学方面。并且在不同物种中，黑色素的形成过程并没有联系起来。关于人类、低等动物和植物的黑色素形成都提了不同的机制。

通过对植物、昆虫和海洋动物黑色素形成的生物化学研究表明：L-酪氨酸被酪氨酸酶催化氧化形成二羟苯基L-丙氨酸(多巴)然后多巴被氧化生成黑色素。

然而，直到最近，哺乳动物组织中酪氨酸酶的存在还没有得到确切的证实。人们认为哺乳动物组织中黑色素的形成机制与其他物种不同。组织化学证据表明哺乳动物的皮肤含有一种酶，多巴氧化酶，它能催化多巴而不是酪氨酸氧化生成黑色素。

很大程度上基于这些理念，形成了两个独立的黑色素进化假说。即昆虫和植物中黑色素的形成与酪氨酸酶相关，哺乳动物黑色素的形成与多巴氧化酶相关。

在本综述中，根据最近的证据表明，这些单独的概念现在可以合并成一种假设，以解释人类、低等动物、昆虫和植物中黑色素的形成机制，主要考虑与黑色素形成有关的酶的性质及其反应机制。在可能的情况下，我们将尝试将这些特性和反应机制与正常的及病理的黑色素沉积联系起来。考虑到自然界中黑色素的广泛存在，以及人们对黑色素形成问题的浓厚兴趣，在澄清黑色素形成的机制方面拖延如此之久，可能显得有些令人惊讶。这是因为在对黑素原生成的研究过程中遇到了一些障碍。首先，不知道黑色素（一种由邻二羟基苯基化合物，如多巴、肾上腺素、儿茶酚氧化而成的深色聚合产物)的化学成分；其次，黑色素很难纯化，因此不同的研究人员报告了不同的化学成分；再次，不能制备出对酪氨酸和多巴具有酶活性的表皮提取物，这可能是由于皮肤中酶的含量很少，也可能是由于研磨和均质皮肤提取液的效果不理想；最后，黑色素从其前体形成是一个复杂的过程，涉及几个步骤，反应的速率取决于周围的许多化学和物理因素。

组织学研究

早在1901年，Furth就提出了黑色素形成假设，即黑色素是细胞内氧化酶作用于某些蛋白质分子中的芳香或色素群的结果。一位瑞士皮肤科医生Bloch在这个假设的激发下，试图用实验方法来证明它。他的实验方法是基于两个临床观察。首先，黑色素沉着是Addison病的一个典型特征，这是一种由于肾上腺功能不全引起的疾病。在色素沉着增加和类肾上腺素物质代谢异常之间可能存在某种联系，尽管这种联系是矛盾的。其次，在转移性黑色素瘤的病例中，其尿液中含有大量的儿茶酚衍生物。这些结果表明，黑色素前体与肾上腺素和儿茶酚化合物之间存在化学相似性。因此，Bloch选择了一种天然存在的氨基酸，3,4-二羟苯-L-丙氨酸(他将其缩写为dopa，使用其德语名的首字母，di-oxy-苯丙氨酸)作为组织化学研究的对象。

Bloch把冰冻的人体皮肤色素沉着部分浸入1：1000的多巴溶液中（加入缓冲液至pH7.3-7.4）。他发现在室温下24小时后黑色素颗粒被分解在位于表皮的基底层细胞的细胞间。Bloch把这些特殊的细胞叫黑素母细胞，它位于表皮-真皮交界处，是产生黑色素的地方。此外，这种反应的强度与皮肤形成黑色素的能力是一致的。黑色素沉积在皮肤色素沉着的区域是最剧烈的，如表皮的基底层，毛基质的生发层和毛基质细胞以及色素痣细胞。白化病患者和白癜风患者的皮肤不会出现黑色素沉积，白化病是一种局部的黑色素完全丧失的皮肤病。因此，Bloch认为“多巴反应”是细胞形成色素能力的可靠指标。

黑素原的起源多年来一直是一个有争议的话题。Bloch, Peck和一些人支持这样一种观点，即黑素原是由普通栅栏状基底细胞在特定刺激下产生的。Masson和Becker则认为黑素原是神经上皮细胞的起源。近年来，一些研究小组对两栖类、鸟类和小鼠进行了胚胎学研究，并最终认为黑素细胞来自神经嵴区域。

进一步的研究证据表明，特定细胞中多巴氧化生成黑色素的反应是由于一种叫做多巴氧化酶的存在。这一结论的证据包括:1）组织加热到100℃后不发生这种反应；2）反应需在合适的pH条件下进行，最适pH为7.32；3）当加入M/2000硫化氢或者M/500氰化钾（这两种物质为酶抑制剂）时反应完全终止；4）只有左旋多巴被细胞催化氧化。

为了进一步证实酶假说，Bloch和Schaaf从新生兔子的皮肤中取样，并通过直观量热法证明存在一种热不稳定的、氰化物敏感的催化剂，这种催化剂能够加速多巴形成黑色素。在相同条件下，从白化病人皮肤的取样没有多巴的催化氧化反应。尽管Bloch测定酶活性的技术不详细，但他的研究数据提供了令人信服的证据，证明某些表皮细胞对多巴氧化的催化作用是由于一种酶的存在。

多巴氧化酶在正常人类或者动物皮肤中的存在并没有通过酶技术（通过测压法测量在多巴存在下皮肤薄片或提取物的摄氧量）得到证实。虽然有几位研究者尝试过用这种方法验证，但都没获得成功，这可能是因为皮肤中的酶含量太少，而且很难制备出适合测定酶活性的皮肤提取物和匀浆。还有一种可能是，在制备皮肤提取物时，研究人员忽略了考虑到自然产生抑制剂的可能性——这种抑制剂可以掩盖酶的存在。最近，Rothman和他的同事们成功地解释了在人类表皮中存在一种水溶性、可透析的、热稳定的植物酪氨酸酶抑制剂。这种抑制作用被碘乙酰胺和另一种强效的巯基抑制剂（对氯汞苯甲酸）抵消了。后来的研究表明，巯基对表皮提取物的抑制作用具有剂量依赖性。

虽然Bloch对多巴的组织化学研究已经得到充分证实，但是由于在哺乳动物组织中多巴形成黑色素的机理从未被证实，因此这种观点没有被普遍接受。Raper从粉虱的酪氨酸-酪氨酸酶反应中分离出结晶形式的多巴（作为反应的第一个氧化产物）。这有力地说明了黑色素的形成反应无论初始底物是酪氨酸还是多巴，在多巴产生之后都是相同的，并且强调了在各种组织中酪氨酸转化为多巴的机制，存在一定的认知差距。Raper有力地证明了酪氨酸是一种天然存在的氨基酸，它存在于所有的皮肤组织中，也是植物和昆虫形成黑色素的原始物质。正如之前所阐明的，在相同条件下（多巴是有效的）培养冷冻皮肤切片与酪氨酸，不能观察到Bloch的多巴 - 氧化酶反应。由于人们普遍认为酪氨酸是哺乳动物组织以及植物和昆虫组织中酶促反应生成黑色素的天然或生理基质，但是由于在哺乳动物细胞中酪氨酸转变为多巴的机制并不清楚，因此黑色素的形成机制多年来一直是一个令人费解的问题。

对于黑色素的形成机制仍然有很多问题需要研究。Bloch的定性研究可能可以通过使用当今的痕量化学分析方法来定量分析和组织学定位少量的酶。此外，通过使用C14标定法标定酪氨酸，可能能够说明其是否为黑色素细胞生成黑色素的原始物质。

未完待续……

翻译：德之馨(上海)有限公司 马媛 梅鹤祥