Под каким светом загорает кожа?

 

Для начала вспомним, под каким светом загорает наша кожа. Люди становятся золотистыми или, бронзовыми, когда на их кожу попадают искусственные или естественные ультрафиолетовые лучи - свёт с длиной волны меньше-400 нм (более длинноволновое излучение относится уже к видимому свету). Источник естественного ультрафиолета - прямая или рассеянная солнечная радиация (слово"рассеянный" означает, что загореть можно и в облачную погоду), а искусственного - например, ртутно-кварцевые лампы. Но ультрафиолет бывает разный, и его действие на кожу зависит от длины волны излучения. Мягкое УФ-излучение (315-400 нм, УФ-А) наименее опасно для организма. Средний ультрафиолет (280-315 нм, УФ-В) и жесткий (100-280 нм, УФ-С) гораздо опаснее, так как они лучше поглощаются биологическими молекулами.

До поверхности Земли доходит только излучение А и В, а от жесткого ультрафиолета С нас пока спасает озоновый слой (хотя сейчас из-за озоновых дыр ситуация меняется).

Как показали специальные исследования, до земной поверхности не доходят лучи с длиной волны меньше 286 нм. Реально же на умеренные широты попадает излучение от 295 нм (в Москве – от 301 нм). То, под каким УФ-излучением мы загораем, зависит помимо всего прочего от широты местности, ее высоты над уровнем моря и запыленности атмосферы. Получить солнечный ожог в горах несравненно легче, чем на равнине, а на юге загорают быстрее, чем в средних широтах.

 

 

Химия загара

 

Загар – это защитная реакция кожи на облучение. Под действием света в ней образуется особый черно-коричневый пигмент меланин (от греческого melas – черный), который не только защищает кожу от излучения, но и выполняет функции антиокислителя, нейтрализуя опасные для клеток свободные радикалы. Меланин в больших или меньших количествах есть и в незагорелой коже, и он же окрашивает радужную оболочку глаз и волосы (его нет только у альбиносов).

Меланин – это высокомолекулярное соединение сложного строения. Его цвет и защитные функции во многом обусловлены тем, что в нем есть неспаренные электроны. Механизм образования меланина полностью не выяснен, но известно, что важную роль в нем играют аминокислота тирозин и фермент тирозиназа (рис. 1).

 

Он синтезируется в особых клетках кожи – меланоцитах, а регулирует этот процесс гормональная система, в основном гормоны гипофиза (так называемые меланоцитостимулирующие гормоны). Взаимодействуя с молекулой белка, меланин формирует темные зернышки размером от 0,1 до 2 мкм. Меланоциты через свои отростки как бы впрыскивают эти зернышки в клетки верхних слоев кожи, пока почти весь меланин не окажется в наружном роговом слое. Оттенок загара, возможно, зависит от того, в каком состоянии находится меланин: в окисленном он черный, а в восстановленном – желто-коричневый.

Меланин – прекрасный фильтр, он задерживает более 90% УФ-излучения, но это не единственный природный механизм защиты кожи. Ведь хорошо известно, что даже загорелый человек или негр не застрахованы от ожога, если окажутся на жарком солнце после перерыва. И вместе с тем альбиносы, совсем не имеющие меланина, вырабатывают некоторую устойчивость к ультрафиолету и могут какое-то время находиться на солнце. От ожога их спасает толстый роговой слой из мертвых клеток на поверхности кожи. Чем дольше человек находится под солнцем, тем толще становится роговой слой. Поэтому загоревшая кожа становится более грубой и шершавой, чем она была до загара. Еще одна степень защиты – урокановая кислота, присутствующая в наружных слоях кожи. При облучении молекулы этой кислоты изменяют свою форму (транс-форма переходит в цис-) и таким образом превращают ультрафиолетовую радиацию просто в теплоту. В темноте идет обратная реакция (рис. 2).

 

Но почему мы должны защищать кожу от ультрафиолета? Ведь известно, что он полезен, более того, необходим человеку хотя бы потому, что стимулирует образование витамина D (при длине волны 280-320 нм).

Умеренные дозы ультрафиолета помогают организму подавлять простудные, инфекционные и аллергические заболевания, улучшают питание и кровоснабжение кожи, способствуют нормализации обмена веществ, благотворно действуют на аппетит и сон. Более того, ультрафиолет повышает устойчивость ко многим вредным веществам, в частности к свинцу, ртути, кадмию, бензолу, тетрахлориду углерода и сероуглероду, что весьма важно для химиков.

Но все хорошо в меру. Избыток УФ излучения, напротив, угнетает защитные силы организма, а кроме того, нарушает обменные процессы, функцию эндокринной системы. Многие испытали на себе, как плохо сказывается длительное облучение на самочувствии: появляются повышенные возбудимость, раздражительность или, наоборот, вялость. Давно известно и то, что лучи с длиной волны в интервале 270 – 334 нм могут вызвать рак: наиболее опасны УФ-В лучи от 301 до 303 нм – именно в той области самая высокая чувствительность кожи к ожогу.

 

 

Витамин D

 

Витамин D образуется в коже под действием солнечных лучей из провитаминов. Первое вещество называется D3, или холекальциферол, и оно может образовываться под действием ультрафиолета B (длина волны 280–320 нм) или поступать с животной пищей. Второй — D2, эргокальциферол, — не синтезируется под действием света, а поступает к нам в организм только с пищей, например с некоторыми видами грибов. Предшественник D3 образуется в эпидермисе кожи из холестерина  (7-дегидрохолестерин (провитамин витамина D3)) под воздействием УФ-лучей, при температуре тела изомеризуется в витамин D3, потом связывается со специальным белком (DBP, или витамин-D-связывающийбелок) и проникает в кровь, а с кровью переносится в печень. Туда же попадает витамин D (как D2, так и D3) из пищи. Первичное гидроксилированние витамина D в позиции 25 происходит в печеночных микросомах и/или митохондриях с участием фермента витамин-D-25-гидроксилазы. В печени D превращается в 25-гидроксихолекальциферол (сокращенно кальцидиол, или 25(ОH)D). Вторичное гидроксилирование происходит в почках, с участием фермента 25- гидроксивитамин-D-1-альфа-гидроксилазы системы P-450, в почках, из кальцидиола наконец получается активный гормон — 1,25-дигидроксихолекальциферол (кальцитриол, или 1,25(OH)2D; см. рис. 2). 1,25 (OH) 2 D-гормон связывается с рецептором витамина D (VDR) (В клетках многих органов и тканей, в ядрах и на мембранах, есть рецепторы кальцитриола (они так и называются VDR, от vitamin D receptor. Рецепторы VDR присутствуют в клетках мозга, сердца, кожи, молочных желез, кишечника, половых органов — всего более чем в 40 органах и тканях. Есть данные, что 3% человеческого генома регулируется гормоном 1,25(OH)2D. Возможно, это и объясняет его разнообразное и разноплановое действие (рис. 3). Активность многих генов регулируется через рецепторы витамина D: чем длиннее столбик, тем сильнее их влияние. Интересно, что они воздействуют и на такие признаки, как чувствительность кожи к загару и цвет волос, а также, хотя и не столь сильно, на рост человека (Ramagopalan S.V. et al., “Genome Research”, 2010, 20, 10, 1352–1360)). Связанный витамин D затем формирует гетеродимер с X-рецепторами ретиноевой кислоты (RXR). Полученный гетеродимер затем поступает в клеточное ядро, чтобы оказаться связанным с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) и принять участие в увеличении транскрипции витамин-D зависимых генов, кодирующие определенные белки, — включается синтез этих белков.

Рис

(рис. 3)

Важнейшая функция, за которую отвечает витамин D, — формирование и обновление костной ткани, ведь без него в организме не усваивается ни кальций, ни фосфор. Но у него есть и множество других задач. Среди них — регуляция клеточного деления и управление дифференцировкой клеток, регуляция иммунного ответа и секреция гормонов.

 

Первое гидроксилирование нарушается при печеночной недостаточности, второе – при хронической почечной недостаточности. При условии, что организм получает достаточное количество ультрафиолетового излучения, потребность в витамине D компенсируется полностью. Однако количество витамина D, синтезируемого под действием солнечного света, зависит от таких факторов как:

1.  длина волны света (наиболее эффективен средний спектр волн, который мы получаем утром и на закате).

2.  исходная пигментация кожи (чем темнее кожа, тем меньше витамина D вырабатывается под действием солнечного света);

3.  возраст (стареющая кожа теряет свою способность синтезировать витамин D);

4.  уровень загрязненности атмосферы (промышленные выбросы и пыль не пропускают спектр ультрафиолетовых лучей, потенцирующих синтез витамина D, этим объясняется, в частности, высокая распространенность рахита у детей, проживающих в Африке и Азии в промышленных городах).

 

 

Немного фотохимии

 

Давайте постараемся проследить путь кванта света после того, как он попадает на кожу, и понять, что же вредного он в себе несет. Биомолекулы (какие – мы увидим дальше) поглощают кванты света и переходят в возбужденное состояние. Этот процесс можно проиллюстрировать диаграммой, предложенной в 1935 году польским физиком Александром Яблонским (рис. 3).

 

Не будем вдаваться в подробности энергетических переходов. Для нас важны два обстоятельства: во-первых, в возбужденных состояниях молекулы живут очень недолго (ничтожные доли секунды, причем в синглетном состоянии обычно значительно меньше, чем в триплетном), а во-вторых, они становятся очень реакционноспособными. У такой молекулы есть три возможных судьбы. Первая – вернуться в основное состояние; при этом избыток энергии, принесенный квантом света, перейдет в тепловую энергию, которая передастся другим молекулам и рассеется в окружающее пространство. Вторая – испустить квант света (если молекула перед этим была в синглетном состоянии, излучение называется флуоресценцией, а если в триплетном – фосфоресценцией). Наконец, возбужденная молекула может вступить в ту или иную химическую реакцию: изомеризации, ионизации, диссоциации или в реакцию с другими молекулами.

Таким образом, ультрафиолет запускает различные вторичные процессы, в том числе и цепные реакции. Единственное препятствие – малое время жизни возбужденных состояний.

Итак, у молекулы, поглотившей квант света, есть несколько путей для дальнейшего превращения. Для нашей кожи опасен третий путь – химические реакции возбужденных молекул. Например, когда в такую реакцию вступают фрагменты ДНК, то возникают мутации, а это может стать причиной перерождения клетки в раковую. Эти фрагменты – азотистые основания нуклеотидов, по-разному реагируют на возбуждение: вредоносные превращения пиримидиновых оснований происходят в десять раз легче по сравнению с пуриновыми. Пиримидины могут вступать в реакции димеризации, гидратации или образовывать сшивки с белками. Но самая опасная из них – димеризация, из-за нее происходит 70-80% всех необратимых повреждений ДНК под действием УФ-света.

Конечно, в клетках предусмотрена защита от фотоповреждений. Есть множество ферментов, которые вырезают поврежденные участки и затем достраивают разорванную цепь ДНК. Так, существует фермент фотолиаза, который расщепляет пиримидиновые димеры. По некоторым данным, участвует в фотозащите и гормон серотонин, который встраивается в ДНК (без образования химических связей) и мешает образованию опасных димеров. Пиримидиновые основания поглощают свет в области 200-300 нм. Однако исследования показали, что изменения в ДНК могут происходить и под действием света УФ-А (320-400 нм), но этот механизм еще полностью не изучен. К счастью, мягкий УФ-А действует сравнительно слабо, и вред от него проявляется только тогда, когда интенсивность и доза излучения на несколько порядков выше по сравнению с коротковолновым УФ-излучением.

К сожалению, одной ДНК дело не ограничивается, УФ-радиация может повреждать и белки. Поскольку к белкам относятся все ферменты, то их повреждение может отозваться тяжелыми последствиями. Измерения показали, что эффективность повреждения белков может быть 0,1 – 1% в расчете на число поглощенных квантов. Не все аминокислотные остатки в составе белков одинаково чувствительны к ультрафиолету: быстрее всего начинают реагировать триптофан и цистин. Но и этого вполне достаточно: из триптофана получается реакционноспособный радикал, который может сшивать соседние цепи белка. Если же триптофан входит в активный центр какого-либо фермента, то последний после этого неизбежно потеряет активность. Выбитый из молекулы триптофана электрон так же ничего хорошего клетке не принесет. Он помогает образованию активного радикала НО2 или напрямую разрушает другие структуры белковой молекулы. Например, после присоединения электрона к молекуле цистина разрываются дисульфидные мостики.

Помимо ДНК и белков, ультрафиолет может действовать и на липиды – то есть на мембраны клеток. При облучении изменяется их ионная проницаемость, из-за чего клетки набухают и разрываются. Так кванты света разрушают эритроциты и работу внутриклеточных органов, таких, как митохондрии и лизосомы. В случае биологических мембран кванты действуют не напрямую, но также безотказно: сначала его улавливают фотосенсибилизаторы, которые передают возбуждение на липиды. В состав липидов входят полиненасыщенные жирные кислоты с несколькими двойными связями, что и делает их чувствительными к фотоокислению. Начинается цепная реакция, в результате которой получаются гидроперекиси. Цепное фотоокисление липидов можно затормозить с помощью ингибиторов – молекул, перехватывающих свободные радикалы. Ингибиторы цепного окисления называются антиокислителями, или антиоксидантами. Наиболее известный из них – альфа-токоферол (витамин Е).

 

Корнеология и корнеотерапия

 

Эта глава подготовлена на основе посмертного обзора Альберта Клигмана под названием «Корнеобиология и корнеотерапия — заключительная глава» (Corneobiology and corneotherapy — final chapter) [Kligman А.М., 2011]. Клигман смотрел на него как на свой последний орus magnum — главный печатный труд своей жизни — и очень хотел закончить, но не успел. Уже после его смерти ученики и коллеги, опираясь на записи Клигмана, подготовили большую обзорную статью, в которой суммированы практические успехи корнеотерапевтического подхода к поддержанию здоровья и молодости кожи — как у здоровых, так и у больных людей.

 

 

''Как мертвый роговой слой стал живым»

 

 Корнеология (или корнеобиология) — это наука о роговом слое как об основном кожном барьере.

Корнеология — это современная наука, развитие которой связано с именем американского дерматолога и ученого Альберта Клигмана. Именно он в начале 1970-х гг. высказал идею о том, что роговой слой является главным барьером нашей кожи.