我不要變小黑——淺談皮膚的光照傷害與曬黑機制


責任編輯/汪郁馨

核稿編輯/林翊庭

圖說美編/柯岱君


難度:★★★★☆

應備知識:光的物理與化學性質、DNA的結構

連結大學:生物化學


趁著暑假,很多人會騎上機車或踩上腳踏車,熱血的環島一圈。當你興高采烈地回到家,看見鏡子中的自己卻大吃一驚!眼前的人活生生就是一個木炭,鏡中的膚色跟旅程之前相比,徹底地黑了N個色階;朋友們碰面時,還會大肆的嘲笑你是小黑。你在心中絕望的怒吼著:「可惡的黑色素!」

等等!假如黑色素沒有其他的好處,只有讓我們變醜的功能,那為甚麼在漫長的演化過程中,人類還是保有了這個物質和變黑的生理反應呢?想必是因為黑色素相當的重要,有其必須存在的價值。以下就讓我們來了解為甚麼照到陽光會變成小黑,以及變成小黑有甚麼好處。

皮膚的兇惡天敵——UV[1,2]

相信大家都同意:太陽光的照射就是造成皮膚變黑、曬傷,甚至是產生病變的兇手。如果更詳細的探究,會發現紫外線輻射(Ultraviolet Radiation, UVR/UV)才是皮膚最大的敵人。紫外線輻射的波長範圍大約是100nm~400nm,又可以根據波長分成UVA、UVB和UVC(三者的波長依序為長到短;UVB波長約為280nm~320nm)。

UVC的能量最高,但多數會被臭氧層吸收,到達地表的量少之又少,因此在探討對皮膚造成的傷害時,UVA、UVB才是主角。而因為UVB的能量較UVA高,所以對皮膚表皮細胞造成的傷害更強。紫外線對皮膚的傷害大概可以分成三種:DNA的光傷害(photodamage)氧化傷害發炎


1. DNA的光傷害:DNA受到高能光線的照射,導致同股鹼基之間的鍵結斷裂,並重新組合成一個新產物,這就是所謂的光傷害,而UVB的能量比UVA高,所以比UVA更容易使鍵結斷裂。UVB的照射通常會讓DNA產生「嘧啶二聚體」這種結構,也就是相鄰的兩個嘧啶在C=C雙鍵處形成一個新共價鍵。6-4光產物(或6,4嘧啶-嘧啶酮,(6-4) photoproducts /6-4 pyrimidine pyrimidones, 64PP)及環丁烷嘧啶二聚體(cyclobutane pyrimidine dimers,CPD)都是很常見的嘧啶二聚體。

圖一 6-4光產物和CPD的示意圖

這些嘧啶二聚體改變了DNA的結構,造成DNA無法複製,或複製時出現鹼基配對錯誤,形成所謂的基因突變。科學界甚至發現:CPD和64PP造成的鹼基錯誤通常都是CC→TT或是C→T,因此可將CC→TT或是C→T專門視為是UV造成的基因突變。在最常見的兩種皮膚癌(基底細胞癌和鱗狀細胞癌)中,就有超過50%的個案檢測出具有這種UV造成的基因變異形式[1]。


2. 氧化傷害:UVA的能量較低,通常是透過產生活性氧化物質(reactive oxygen species,ROS)對DNA造成傷害。例如ROS會使鳥嘌呤的8號位置接上一個羥基(8-hydroxy-2'-deoxyguanine,8-OHdG)。這種變異形式的鳥嘌呤傾向和腺嘧啶結合。這樣的變異形式也可以視為是ROS造成的特定基因突變,因此我們可以透過觀察鹼基配對錯誤的種類來推測DNA曾經遭受過甚麼摧殘。

圖二 8-OHdG結構示意圖

3. 發炎(俗稱曬傷):DNA受到破壞後,細胞內部會啟動對應的機制,例如細胞自噬,並釋出發炎物質,如前列腺素(prostaglandin)、緩激肽(bradykinin)等,造成血管擴張、血流增加,進而使該處的組織水腫。從外觀上來看,就是紅腫熱等皮膚曬傷時的典型症狀。除此之外,受傷的細胞可能會釋出許多趨化因子,吸引巨噬細胞或白血球前往受傷處,因此加劇發炎反應。而細胞死亡後的碎片、細胞激素、趨化因子以及各式的免疫細胞,會增加周圍痛覺受器的敏感性,這就是為何曬太陽後,皮膚對於熱或是機械性刺激會變得比較敏感。[2,4]


由此可知UVR會對皮膚細胞的DNA造成傷害,並引起發炎反應,但還是無法解釋為甚麼曬太陽會變黑,因為在UV和膚色這層關係中還有一個第三者。以下我們繼續來談談介於UV與膚色之間的黑色素。

害我們變黑的兇手? ——黑色素Melanin

黑色素是人體中一群色素的總稱,言下之意就是黑色素還分成很多種,而它們不只決定膚色,也掌管著髮色及眼睛顏色。人體中主要的黑色素種類有二,分別為顏色較深的真黑色素(Eumelanin),和顏色較淺的Pheomelanin;Pheomelanin的中文翻譯五花八門,在本文中我們暫且稱之為棕黑色素。兩種黑色素都是酪胺酸(Tyrosine,一種胺基酸)經過一連串的反應形成的,因此常吃九層塔或青醬等等富含酪胺酸的食物,會更容易變黑喔!前面提到:黑色素決定人類的膚色,而膚色的深淺與黑色素的數量成正比。相信這個事實非常的直觀,但必須注意的是不同膚色的人,體內的棕黑色素數量差異其實不大。真黑色素的數量才是決定膚色的主要原因。

簡單認識過UV和黑色素後,我們終於能一探究竟,到底這兩者是怎麼聯手讓我們變黑的(圖三)。

首先,我們在大太陽底下熱血的從事環島活動,UVR透過ROS或直接的光傷害,破壞皮膚表層角質細胞(Keratinocyte)的DNA;被破壞的DNA會活化角質細胞中的p53蛋白,因而促進了POMC基因(Pro-opiomelanocortin)的轉錄;POMC轉錄出的蛋白質們負責製造一種荷爾蒙,雖然它有個很長的名字——α–melanocyte-stimulating hormone(α-MSH),但從英文名就能理解其功能就是刺激黑色素細胞(Melanocyte);於是乎,α-MSH與黑色素細胞膜上的MC1R受體(Melanocortin 1 receptor)結合,引發黑色素細胞內部的一連串下游反應,最終促進黑色素細胞轉譯出一些合成黑色素需要的酵素,提高黑色素的生產效率。黑色素被製造出來後,就會被打包在黑色素顆粒(Melanosomes)中,從黑色素細胞運送到角質細胞[2,3]。簡而言之,UV的照射破壞了角質細胞的DNA,感受到生命被威脅的角質細胞於是發出求救信號,刺激黑色素細胞加速製造黑色素,於是我們的皮膚就越來越黑了!

圖三 UV破壞Keratinocyte,進而刺激Melanocyte製造黑色素的過程

好的!相信看到這裡,你已經知道UV如何在分子的層面上使我們變黑,但你可能還是不明白黑色素存在的意義,不知道變成小黑有甚麼好處。其實,黑色素存在的意義就是抵銷UV對皮膚造成的傷害。在文章前半部有提到,UV對皮膚的傷害大致上有DNA的光傷害、ROS的氧化傷害還有發炎反應。黑色素本身有散射UV以及吸收UV的功能,它被送到角質細胞後會進入細胞內,覆蓋在角質細胞的細胞核上,變成一個「帽子」(Supranuclear caps),保護DNA不受到光傷害,所以膚色越黑的人越不容易曬傷,正是因為他們有更多的黑色素在保護著角質細胞;另一方面,黑色素可以抵消自由基,降低體內的氧化壓力,使DNA免受ROS攻擊;當DNA不會被UV或是ROS破壞,自然不會引起下游的發炎反應[1,2]。就這樣,黑色素把UV對皮膚的傷害都悄悄地抹去。

怎麼做才不容易變黑——防曬[5]

變黑,是曬太陽之後必然會發生的結果。如果想要在戶外盡情的跑跳,又想要保有美麗膚色,那防曬就是不可或缺的步驟。目前常見的防曬乳,主要透過物理性化學性的方式來達到防曬效果。


物理性防曬

透過物質的反射及折射功能降低紫外線,如二氧化鈦和氧化鋅。優點是這些物質性質穩定,不會刺激皮膚,缺點則是因為粉末質地黏稠難以均勻塗抹,加上粉末的顏色不透明,常常讓臉上東一塊白、西一塊白的。

「寬頻防曬」則是物理性防曬的新興趨勢。因為二氧化鈦和氧化鋅分別對UVB和UVA有較好的阻擋效果,若只使用單一種物質,就無法遮擋所有波長的光線。另一方面,不同大小的顆粒可以阻擋的波段也略有不同,如果將不同成分、不同大小的顆粒混合使用,就能拓「寬」可防曬的「頻」率(波長)範圍。


化學性防曬

透過能階轉換吸收掉紫外線是化學性防曬的原理,對胺基苯甲酸、二甲胺苯酸戊酯、甲基水楊酸是常見的化學性防曬物質,但化學物質容易刺激皮膚引起過敏等,使用時需要多加注意。

變成小黑其實沒什麼不好

曬黑是人體自然的保護機制。皮膚是人體的最外層,第一線面對兇惡的紫外線,因此需要特別的保護。倘若沒有黑色素,皮膚可以忍受曝曬的時間將大大下降,曬傷的機率提升,成為皮膚癌的高危險群。讀完這篇電子報並瞭解變黑其實是身體的自我保護反應,下次又被嘲笑是小黑時就不必太過沮喪,更應該慶幸:黑色素正在認真地做事,守護著我們的健康。

看完文章後,你應該會知道:

  1. 紫外線輻射(UV)會對皮膚造成傷害,包括:DNA光傷害、氧化傷害、發炎(或曬傷)。

  2. UV破壞角質細胞的DNA後,會引起一系列的下游反應,刺激黑色素細胞製造黑色素並送回角質細胞,保護其細胞核內的DNA不再受UV破壞。

  3. 物理性防曬透過物質反射及折射光線達到防曬效果;化學性防曬透過物質直接吸收紫外線達到防曬效果。

[1] Brenner, M., & Hearing, V. J. (2008). The protective role of melanin against UV damage in human skin. Photochemistry and photobiology, 84(3), 539–549.

[2] D'Orazio, J., Jarrett, S., Amaro-Ortiz, A., & Scott, T. (2013). UV radiation and the skin. International journal of molecular sciences, 14(6), 12222–12248

[3] Chen, H., Weng, Q. Y., & Fisher, D. E. (2014). UV signaling pathways within the skin. The Journal of investigative dermatology, 134(8), 2080–2085.

[4] Guerra KC, Urban K, Crane JS. Sunburn. [Updated 2020 Aug 15]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 Jan-.

[5] 范瀞文、許馨亞、陸子鈞。2013, August 21。防曬乳讓你晒SUN不晒傷。Retrieved September 21, 2020, from https://pansci.asia/archives/14882


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