黑色素生成晚期阶段的化学特性与应用机遇综述

作者及发表信息

本文由Lucia Panzella（意大利那不勒斯费德里科二世大学化学科学系）、Atsuko Ebato与Kenzo Koike（日本花王株式会社护发产品研究实验室）等学者合作完成，2018年6月13日发表于International Journal of Molecular Sciences，标题为《The Late Stages of Melanogenesis: Exploring the Chemical Facets and the Application Opportunities》。

研究背景与主题

黑色素（melanin）是决定人类皮肤、毛发和眼睛颜色的关键生物色素，分为真黑素（eumelanin，呈黑褐色）和褐黑素（pheomelanin，呈红黄色）。本文聚焦黑色素生物合成晚期阶段——即5,6-二羟基吲哚（DHI）和5,6-二羟基吲哚-2-羧酸（DHICA）的氧化聚合过程，通过仿生化学方法解析其结构特性，并探讨其在化妆品与健康领域的应用潜力。

主要观点与论据

1. 黑色素生成晚期阶段的化学机制

黑色素合成由酪氨酸酶（tyrosinase）催化酪氨酸氧化为多巴醌（dopaquinone）启动。多巴醌通过分子内环化生成多巴色素（dopachrome），进而脱羧形成DHI或经多巴色素互变异构酶（DCT）催化生成DHICA。晚期阶段的核心在于DHI与DHICA的氧化聚合：
- DHI聚合特性：通过2,4′或2,7′键合形成线性寡聚体，进一步耦合生成平面结构聚合物，导致强可见光吸收（黑色）。质谱分析显示其分子量可达2500 Da以上。
- DHICA聚合特性：羧基的吸电子效应使其倾向于4,4′、4,7′或7,7′键合，形成非平面结构，紫外区吸收显著但可见光区吸收较弱。

支持证据：
- 脉冲辐解实验证实DHI可被多巴醌氧化（Edge et al., 2006）。
- 基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）揭示了DHI寡聚体的分子量分布（Pezzella et al., 2007）。

2. 黑色素结构与功能的关系

• 光学特性：DHI黑色素的宽谱吸收源于平面寡聚体的π电子离域（内源性发色团），而DHICA黑色素的颜色主要依赖聚集态下的分子间相互作用（外源性发色团）。
  
• 抗氧化能力：DHICA及其黑色素表现出显著的OH自由基清除能力和铁离子还原活性，而DHI黑色素可能促氧化。
  

支持数据：
- 通过聚乙醇（PVA）稳定水溶性黑色素模型，证实DHI黑色素的吸收光谱更接近理论单调曲线（Pezzella et al., 2009）。
- 化学分析显示DHICA黑色素的抗氧化效能优于DHI（Panzella et al., 2013）。

3. 黑色素前体的应用开发

3.1 DHI基染发系统

• 优势：DHI在弱碱性条件下经空气氧化快速生成黑色素，逐步覆盖白发，避免传统氧化染发剂对角蛋白的损伤（如半胱氨酸氧化率仅为未处理头发的0.2%）。
  
• 产业化：利用米曲霉酪氨酸酶（melB）生物转化多巴制备DHI，通过控制氧分压和pH提高产率（专利JP 4653333）。
  

应用效果：
- 0.3% DHI配方经6次处理可使白发色差（ΔE）达40，且透射电镜显示色素仅沉积于毛小皮（图3c）。

3.2 DHICA衍生物的化妆品成分

• 甲基酯化DHICA（MeDHICA）：解决天然DHICA黑色素水溶性差的问题，其聚合物在二甲基亚砜（DMSO）中溶解度达1.5 mM，保留强UVA吸收和抗氧化性，且光稳定性显著提升（Micillo et al., 2018）。
  

研究意义与价值

1. 理论贡献：阐明了DHI与DHICA聚合路径的结构差异，为黑色素多样性提供了化学解释。
   
2. 应用创新：开发了基于DHI的渐进式染发技术和MeDHICA防晒成分，推动天然色素在化妆品中的应用。
   
3. 跨学科启示：结合生物化学、材料科学和美容医学，为黑色素的仿生合成与功能化设计树立范例。
   

亮点总结

• 方法学创新：采用仿生氧化模型解析黑色素聚合机制，辅以MALDI-MS和脉冲辐解技术。
  
• 转化医学突破：首次实现DHI染发的商业化（花王专利JP 4955920），兼顾自然发色与低损伤性。
  
• 理论争议回应：否定了黑色素中存在卟啉环结构的假说（Kaxiras模型），强调线性寡聚体的主导地位。
  

本文为黑色素的化学基础研究与产业应用搭建了桥梁，尤其为开发新型光防护和抗氧化剂提供了分子设计思路。