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Perché ci abbronziamo: i meccanismi cellulari alla base di una perfetta abbronzatura

Quasi tutti gli organismi viventi sul nostro pianeta esistono in diversi colori. La pigmentazione della superficie esterna del corpo umano è un carattere altamente ereditario e regolato da fattori genetici, ambientali ed endocrini.

Il colore della nostra pelle è determinato dal quantità, dal tipo e dalla distribuzione di un pigmento inerte prodotto dagli strati profondi della pelle e chiamato melanina.

La melanina gioca diversi ruoli all’interno del nostro corpo e delle nostre comunità: dalla definizione dell’etnia alla termoregolazione. In questo post, però, mi concentrerò sul suo ruolo di protezione contro i raggi ultravioletti (UV) presenti nella radiazione solare.

Prima di entrare nel dettaglio del metabolismo della melanina procediamo con ordine partendo dalla struttura più ampia della pelle per arrivare progressivamente al microscopico livello dei singoli enzimi localizzati all’interno delle cellule della pelle stessa.

La pelle è uno degli organi più estesi del corpo umano ed è costantemente in contatto con l’ambiente esterno. È quindi necessario che sia dotata di efficaci meccanismi di difesa per proteggerci dalle minacce ambientali.

La pelle è divisa in due strati principali (l’epidermide superficiale e il derma più profondo) organizzati a loro volta in sottostrati minori.

L’epidermide, per esempio, ha uno spessore variabile tra i 5 e i 100 micrometri (milionesimi di metro, o millesimi di millimetro) e si organizza in 5 sottostrati differenti: lo strato basale (o germinativo) più profondo, lo strato spinoso, lo strato granuloso, lo strato lucido e lo strato corneo più superficiale.

Gli strati dell’epidermide. I cheratinociti maturano spostandosi verso gli strati superficiali accumulando cheratina e morendo diventando squame di pelle. (fonte: Wikipedia)

Ciascuno strato è caratterizzato da una particolare popolazione di cellule specializzate. I principali tipi di cellule che compongono l’epidermide sono due: i cheratinociti e i melanociti.

I cheratinociti si trovano in forma immatura (poco specializzati e con un alto tasso di proliferazione) nello strato basale e maturano spostandosi negli strati superiori accumulando progressivamente una proteina filamentosa chiamata cheratina. L’accumulo di cheratina raggiunge il massimo nello strato corneo dove i cheratinociti muoiono formando lo strato più superficiale della pelle che si desquama. Lo strato corneo riduce la perdita d’acqua attraverso la pelle e previene l’invasione di agenti patogeni e sostanze nocive.

Ai melanociti, invece, è affidata la produzione di melanina. Si trovano nello strato basale dell’epidermide e sono caratterizzati da ramificazioni del corpo cellulare (dendritri) che utilizzano per mettersi in contatto con i cheratinociti. Ogni melanocita è in contatto con circa 40 cheratinociti e insieme formano una “unità epidermico-melanica”.

I melanociti producono e accumulano la melanina in granuli detti melanosomi che vengono catalogati in base allo stadio di sviluppo (dallo stadio I allo stadio IV). I melanosomi allo stadio II e III sono poveri di melanina e sono più numerosi nelle etnie a pelle chiara mentre i melanosomi di stadio IV sono ricchi di melanina e abbondano nei melanociti delle etnie dalla pelle più scura. Lo schema del tipo di melanosomi e la loro distribuzione sono determinati a livello embrionale e non dipendono da fattori esterni come la luce solare.

I melanociti dei mammiferi possono produrre due tipi di melanina: la feomelanina (giallo-rossa) e la eumelanina (marrone-nera). L’eumelanina viene sintetizzata a partire dall’amminoacido tirosina e dipende da tre enzimi fondamentali: la tirosinasi (TYR), TYRP1 (tyrosinase-related protein 1) e la DOPAcromo tautomerasi (DCT).

La pigmentazione cutanea è quindi il risultato di due differenti processi: la sintesi di melanina nei melanociti ed il suo trasferimento dai melanociti ai cheratinociti.

In seguito ad uno stimolo come l’esposizione ai raggi UV i cheratinociti attivano una serie di segnali molecolari che “risvegliano” i melanociti i quali a loro volta inviano i melanosomi carichi di melanina ai cheratinociti. Una volta nei cheratinociti i melanosomi si dispongono intorno al nucleo cellulare per proteggere il prezioso DNA contenuto al suo interno.

In realtà l’esposizione ai raggi UV attiva due differenti meccanismi difensivi nella pelle. Oltre alla dislocazione della melanina negli strati superficiali dell’epidermide appena descritta la pelle reagisce anche aumentando lo spessore dello strato corneo. I filamenti di cheratina sono in grado infatti di assorbire e deviare parte dei raggi UV presenti nella radiazione solare.

I raggi UV si dividono a seconda della lunghezza d’onda in UVA (320-400nm), UVB (280-320nm) e UVC (200-280nm). Questi ultimi sono in genere schermati dallo strato di ozono e non raggiungono la superficie della Terra. I raggi UVB sono schermati dai vetri delle finestre e delle macchine mentre gli UVA passano attraverso i vetri e possono raggiungere gli strati più profondi della pelle.

Si stima che il tra il 20 e il 50% dei raggi UVA riesca a raggiungere lo strato dei melanociti mentre solo il 9-15% degli UVB riesce ad arrivare a tale profondità.

Livello di penetrazione dei raggi UV negli strati della pelle. I raggi UVA vanno in profondità arrivando sino agli strati profondi del derma

Mentre i raggi UVB (che colpiscono gli strati più superficiali) sono maggiormente responsabili di eritemi e scottature, i raggi UVA sono tra le maggiori cause dell’incidenza dei tumori della pelle (melanomi).

L’unico effetto benefico noto è legato alla produzione di vitamina D stimolata dai raggi UVB.

I raggi UV sono pericolosi in quanto stimolano la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS, noti ai più come ossidanti o radicali liberi) e danneggiano direttamente la doppia elica del DNA aumentando il rischio di accumulare mutazioni che possono portare allo sviluppo di tumori. La melanina è in grado sia di schermare le radiazioni sia di reagire con i radicali liberi prevenendo i danni potenziali dovuti all’esposizione alla luce solare.

L’esposizione ai raggi UV può causare danni al DNA come rotture nei filamenti dei cromosomi  (frecce blu, fonte: Wikipedia).

L’abbronzatura è quindi una risposta difensiva della pelle e si realizza in due fasi: una fase precoce e una fase tardiva.

La fase precoce è rapida e stimolata soprattutto dai raggi UVA. Inizia immediatamente dopo l’esposizione, raggiunge il proprio massimo dopo 1-2 e ore e scema dopo 3-24 ore dopo. Questo processo rapido è dovuto alla traslocazione dei melanosomi esistenti verso le regioni periferiche dei melanociti e non involve la sintesi di nuova melanina.

La fase tardiva, invece, è un fenonemo graduale stimolato principalmente dai raggi UVB. Il processo inizia dalle 48 alle 72 ore dopo l’esposizione, raggiunge il massimo dopo 3 settimane e la pelle non torna al livello di partenza prima di 8-10 mesi dopo l’esposizione.

Questo secondo processo a differenza della risposta immediata coinvolge sia l’aumento nel numero di melanociti sia la sintesi di nuovi melanosomi e nuova melanina. I melanociti, inoltre, aumentano il numero di prolungamenti  così come la produzione dell’enzima tirosinasi.

Considerando che complessivamente il DNA di una singola cellula subisce ogni giorno almeno 500.000 singole lesioni (in genere eliminate da efficienti sistemi di riparazione molecolari) la melanina è un fedele cane da guardia che ci protegge continuamente oltre a donarci un’abbronzatura invidiabile!

Per approfondimenti  (review in inglese sull’argomento) cliccate QUI.

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Nessuna razza: il colore della pelle e la vitamina D

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Sono veramente troppi gli episodi di intolleranza a cui dobbiamo assistere quotidianamente: dai barbari insulti al ministro Kyenge da parte di esponenti politici e non, ai cori contro atleti di colore come Balotelli, al razzismo di tutti i giorni che piaga le nostre comunità portandole verso la paura del diverso.

Personalmente considero qualsiasi forma di discriminazione un attentato al concetto stesso di Civiltà e trovo vergognoso che dopo millenni di evoluzione culturale possano ancora esistere uomini che reputano le proprie caratteristiche genetico-comportamentali superiori rispetto a quelle di altre persone.

Il concetto di razza sa di stantìo e le semplici differenze di pigmentazione cutanea non possono essere usate come discriminante razziale in nessun contesto.

Ma perché alcuni uomini sono bianchi ed altri sono neri?

Le risposte a questa domanda sono spesso fantasiose se non offensive, basti pensare a dottrine come il Mormonismo che vede la pelle scura come un marchio del peccato e una maledizione divina.

Senza scomodare nessun essere trascendente, le ragioni delle differenti colorazioni della cute umana hanno semplici basi genetiche ed evolutive. La risposta risiede, ancora una volta, in una molecola: la vitamina D.

Le vitamine sono molecole necessarie alla nostra sopravvivenza ma che il nostro organismo non è in grado di produrre in modo autonomo e che vanno quindi assunte quotidianamente tramite l’alimentazione.

Ciascuna vitamina svolge compiti essenziali all’interno del nostro organismo ed il gruppo delle vitamine D in particolare promuove l’assorbimento di calcio e fosforo, nonché il processo di mineralizzazione delle ossa. Una carenza di vitamina D porta a gravi malattie scheletriche come il rachitismo.

La vitamina D deve essere assorbita tramite il cibo. Negli ultimi diecimila anni in Europa lo sviluppo dell’agricoltura ha promosso i cerali ad alimento primario della dieta dell’uomo. I cereali però, a differenza di carne e pesce, non contengono la vitamina D ma solo un suo precursore, il quale può diventare vitamina D a livello della pelle grazie all’assorbimento dei raggi UV del sole.

Si può quindi vivere mangiando cereali a patto di assorbire abbastanza raggi ultravioletti dal sole, in modo da garantire la conversione del precursone in vitamina D finale. Un’eccessiva quantità di raggi UV, però, è pericolosa e può facilmente arrecare gravi danni alla cute (es. melanoma).

Il gioco si basa quindi sul bilanciamento tra questi due fattori. Da un lato una pelle scura garantisce una buona schermatura dai raggi ultravioletti ma limita la conversione del precursore in vitamina D; dall’altro una pelle chiara garantisce il corretto metabolismo della vitamina D ma espone maggiormente ai danni causati dai raggi UV.

In sintesi, una pelle scura è vantaggiosa nelle regioni tropicali, dove è importante proteggersi dal forte sole, a patto di introdurre abbastanza vitamina D da carne e pesce. Una pelle chiara, invece, è vantaggiosa nelle regioni nordiche, dove il sole scarseggia e, volendo continuare ad utilizzare i prodotti dell’agricoltura, è necessario assorbire la maggior quantità possibile dei pochi raggi UV messi a disposizione dalla latitudine elevata.

Questa è una delle ragioni per le quali la specie umana ha sviluppato un’ampia varietà di pigmentazioni cutanee.

La selezione naturale favorisce i caratteri più adatti ad affrontare le sfide dell’ambiente in cui ci si trova. Non è una questione di superiorità e inferiorità, ma di semplice adattamento.

[le idee esposte in questo post si possono trovare nel libro “Chi siamo, storia della diversità umana” di Luca e Francesco Cavalli-Sforza per Mondadori]

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La differenza tra genetico ed ereditario

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Nel linguaggio comune i termini “genetico” ed “ereditario” vengono spesso considerati sinonimi e come tali utilizzati, senza alcuna distinzione. Si parla continuamente di malattie genetiche e malattie ereditarie, ma sono davvero la stessa cosa? Esiste una differenza?

In realtà genetico ed ereditario, pur essendo collegati, si riferiscono a due aspetti distinti della Biologia. Confonderli tra loro è un errore tipico del linguaggio parlato e contribuisce a creare confusione, distorcendo nozioni ed informazioni.

Con questo breve post cercherò di fare un po’ di luce sull’argomento.

Una malattia genetica è una patologia causata da alterazioni del DNA. I geni sono frammenti di DNA e, tornando alla similitudine gene=progetto usata nel mio post precedente, una mutazione genetica può essere vista come un errore di scrittura (un errore di battitura, una ripetizione o una pagina mancante) in un singolo progetto (un gene) oppure un danno più consistente ad un intero scaffale di progetti (un cromosoma). Ogni cellula del nostro corpo possiede una copia completa del nostro personale archivio di geni e ogni cellula in modo indipendente può incappare in uno degli errori di scrittura sopra citati.

Ma questi errori non sono per forza ereditari. Con il termine “ereditario” si indica tutto ciò che può essere trasmesso ai figli. Negli organismi viventi l’ereditarietà è veicolata dal DNA e le uniche cellule del corpo in grado di trasmettere geni alla prole sono i gameti (spermatozoi ed ovuli).

Gli unici errori genetici trasmissibili ai figli sono perciò quelli che si verificano in questo particolare tipo di cellule. Un padre sano, per esempio, può incappare in una mutazione in un singolo spermatozoo. Lo spermatozzo mutato non farà ammalare il genitore (in quanto tutte le altre cellule del corpo rimarranno sane) ma produrrà un figlio malato che, avendo tutte le cellule del corpo mutate (gameti compresi), trasmetterà a sua volta la mutazione ai figli.

Una mutazione genetica che si verifichi in un altro tipo cellulare diverso da uno spermatozoo o da un ovulo, invece, non potrà essere trasmessa ai propri figli. Un tumore alla pelle casutato dai raggi UV, per esempio, è una malattia genetica (in quanto i raggi UV danneggiano il DNA delle cellule della cute) ma non ereditaria (poiché la mutazione presente nella pelle non può arrivare ai gameti in nessun modo).

In sintesi, una malattia ereditaria ha sempre una base genetica, mentre una malattia genetica non è per forza ereditaria.

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