Melanine
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Melanine(vonaltgriechischμέλαςmélas„schwarz “) sind in der belebten Natur weit verbreitete dunkelbraune bis schwarze oder gelbliche bis rötlichePigmente.Sie bewirken die Färbung derHaut,Haare,FedernundAugen.Chemisch handelt es sich umCopolymeremitIndolverbindungenals Untereinheiten. Sie kommen in Wirbeltieren und Insekten, alsFarbstoffin der Tinte vonTintenfischen(sieheSepia) und auch in Mikroorganismen und Pflanzen vor. Melanine entstehen durch die enzymatischeOxidationdesTyrosins(enzymatische Bräunung). Gebildet wird Melanin bei Wirbeltieren in denMelanozytender Haut sowie in derAderhaut[1]undIrisdes Auges.[2]Beim Menschen und anderenPrimatenkommtNeuromelanin,dessen dortige Funktion unklar ist, in derSubstantia nigradesGehirnsvor.
Struktur
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Trotz langjähriger Bemühungen ist es bisher nicht gelungen, die exakte Struktur eines Melanins aufzuklären. Es gilt als sicher, dass es sich umCopolymerehandelt, deren UntereinheitenIndolverbindungensind, die hauptsächlich über C-C-Bindungen verknüpft sind. Die Schwierigkeit liegt in derUnlöslichkeitder Melanine in jedem Lösungsmittel, in ihrer ausgeprägtenHeterogenitätund im Fehlen von wohldefinierten spektralen oder physikochemischen Signalen. Außerdem sind sie schwer von biologisch gleichzeitig entstehendenProteinenzu trennen.[3][4] Eine Übersicht zur Melaninbildung, Untersuchungsmethoden und Strukturelementen finden sich in zwei der folgenden Standardwerke zu Chemie und Biologie der Melanine.[5][6]
Melanin beim Menschen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Vorkommen und Varianten
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Melanin tritt beim Menschen vor allem in zwei Varianten auf: eine braun-schwärzliche (Eumelanin) und eine hellere gelblich-rötliche (Phäomelanin) Variante, die schwefelhaltig ist. Beide sind nicht wasserlösliche Polymerisationsprodukte der Aminosäure Tyrosin. Es gibt auch andersfarbige Varianten, sogenannte Allomelanine, die ausHydroxybenzolenentstehen. Diese finden sich vorwiegend in Pflanzen, Pilzen und Bakterien. Fast immer treten die Melanine als Mischtypen auf und sind zusätzlich mit Lipiden oder Eiweiß verknüpft.
Die Melanine in der menschlichen Haut und den Haaren sind Mischformen aus Eumelaninen und den schwefelhaltigen Phäomelaninen. Das Mischungsverhältnis dieser beiden Melanintypen ist mitbestimmend für den Hauttyp eines Menschen. Dabei ist der Gehalt an Phäomelanin in tiefrotem Haar besonders hoch und nimmt über braune zu schwarzen Haaren hin ab. Eines der Hauptargumente für die UV-Schutzfunktion ist die Beobachtung, dass stark pigmentierte Bevölkerungsgruppen in geringerem Maße an sonneninduziertem Hautkrebs („Melanom“) erkranken als schwächer pigmentierte Bevölkerungsgruppen.
Rothaarige Personen haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, Melanome zu entwickeln. Deswegen wird angenommen, dass dieser Melanintyp die Haut weniger effizient schützt.[7]
Synthese und Transfer
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Melanin wird in den Melanosomen derMelanozyten(Hautzellen, die sich in der unteren Epidermis befinden) synthetisiert. Dabei katalysiert das EnzymTyrosinasedie ersten beiden Schritte vonTyrosinbis zum Zwischenprodukt Dopachinon, welches für beide Varianten gleich ist. Eumelanin wird schließlich unter anderem über das Zwischenprodukt Dihydroxyindol und Indolchinon gebildet; Phäomelanin hingegen durch die Addition der Aminosäure Cystein über das Zwischenprodukt Cysteinyl-Dopa.
Anschließend gelangt es in den Melanosomen an den Rand der Melanozyten, wo es von benachbarten Keratinozyten aufgenommen wird. Dort legt sich das Melanin schützend um den Zellkern, um ihn vor schädlicher UV-Strahlung zu schützen.
Die Melaninbildung wird durch UVB-Strahlung angeregt. Dabei entstehen kleinste DNA-Schäden, die dasTumorsuppressorgenP53aktivieren, welches nun eine Signalkaskade auslöst, die zum Anstieg des MSH (Melanozyten-stimulierendes Hormon) führt, welches aus derHypophysefreigesetzt wird. Das führt zu erhöhtem Melanozytenwachstum sowie der Aktivierung des Enzyms Tyrosinase.
Funktionsweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Inzwischen sind auch die photochemischen Prozesse, welche Melanin zu einem hervorragenden UV-Filter machen, untersucht worden. Es wurde gezeigt, dass Melanin mehr als 99,9 % der Strahlungsenergie in harmlose Wärme umwandelt.[8]Dies geschieht durch die ultraschnelleinnere Umwandlung(engl.internal conversion) vom elektronisch angeregten Zustand in Vibrationszustände des Moleküls. Durch diese ultraschnelle Umwandlung verkürzt sich die Lebensdauer des angeregten Zustandes. Dadurch wird verhindert, dass sich freie Radikale bilden. Der angeregte Zustand des Melanins ist sehr kurzlebig, und deshalb bietet es einen exzellentenPhotoschutz.
Störungen der Melaninproduktion
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Durch genetische Veranlagung bzw. durch im Laufe der Zeit erworbene Schäden an der Erbsubstanz kann die Synthese des Melanins gestört sein. Eine verminderte Bildung führt zu einerHypopigmentierung.Ist die Produktion blockiert, so fehlen auch die Farbmittel in Haut, Haaren und Augen, wodurch sich eine sehr helle weiße Haut, eine ungewöhnlich helle Haarfarbe und blau, blaugraue oder grüne Augen ergeben, die je nach Einfallswinkel des Lichtsroterscheinen können. Man spricht vonAlbinismusund bezeichnet die betroffenen Organismen als Albinos. Bei Überproduktion (Hyperpigmentierung) treten vermehrt dunkle Flecken in der Haut auf (Leberflecke,Sommersprossen), die bösartig (Melanom) werden können. Die Melaninproduktion kann durch den WirkstoffRucinolgezielt unterbrochen werden.
Wissenschaftler derUniversitäten in MainzundKielhaben 2016 weitere Details zum molekularen Mechanismus der enzymkatalysierten Oxidation der Melaninbildung aufgedeckt. Im Zentrum dieser Untersuchungen stehen die Aktivitäten der EnzymeTyrosinaseundCatecholoxidase.[9]
Melanin bei Wirbeltieren
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]In Tieren kommt sowohl das gelbe bis rote Phäomelanin als auch das braune bis schwarze Eumelanin vor. Bei beiden Varianten geht die Biosynthese von Tyrosin aus. Tyrosin wird zunächst hydroxyliert, dann zu einem Chinon oxidiert und schließlich oxidativ polymerisiert.[10]Das wichtigste Intermediat bei der Biosynthese ist Levodopa.[11]Bei der Synthese des Phäomelanins wird vor der Polymerisation noch Cystein an die Tyrosinderivate gebunden. Die Hydroxylierung und die Bildung des Chinons wird bei Wirbeltieren durch die Tyrosinase katalysiert und die Polymerisation durch ein Oxidoreduktase. Das Eumelanin lässt sich weiter unterteilen in zwei Strukturgruppen, die sich durch die An- oder Abwesenheit der Carboxylgruppe des Tyrosinvorläufers unterscheiden.[10]
Melanin bei Säugetieren
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Bei Säugetieren findet dieBiosynthesevon Melanin in speziellen Zellen, denMelanocyten,statt. Die Melanogenese ist ein hochkomplexer Prozess, bei Mäusen wurden beispielsweise 85 verschiedene Gene nachgewiesen, die darauf Einfluss nehmen.[10]Eine gute Versorgung mit essentiellen Metallen (Magnesium,Calcium,Eisen,Kupfer,Zink) führt bei domestizierten Säugetieren oft zu einer dunkleren Fellfarbe. Ein Zusammenhang zwischen der Versorgung vonHauskatzenmit essentiellen Aminosäuren und ihrer Fellfarbe wurde ebenfalls nachgewiesen.[12]
Melanin bei Vögeln
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Im Gegensatz zu anderen Mechanismen der Färbung ist die Färbung durch Melanine bei Vögeln primär erblich bedingt. Diese Färbung spielt auch eine Rolle bei derassortativen Paarungvon Vögeln.[13]Eine gute Versorgung mit Calcium führt beiSchleiereulenundZebrafinkenzu dunklerer Federfarbe bzw. flächenmäßig größerer Färbung. Ein ähnlicher Effekt trat auch beiKohlmeisenauf, wenn die Umgebung mitCadmiumbzw.Bleiverschmutzt war.[12]Die rötliche Farbe von Hühnerfedern basiert auch Phäomelanin.[10]
Die Melaninproduktion ist „teuer “, sie kostet den Organismus viel Kraft. Weiße Flecken im Federkleid von schwarzen Vögeln wieAmselnoderRabenvögelndeuten auf Mangelernährung hin. Die Größe des schwarzen Brustflecks beim männlichenHaussperlingist ein Indikator seiner biologischenFitness.
Melanin bei Insekten
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/47/Vanessa_cardui_Eupatorium.jpg/220px-Vanessa_cardui_Eupatorium.jpg)
Auch bei Insekten kommen Phäomelanin und Eumelanin vor. Wie bei den Wirbeltieren verläuft die Biosynthese ausgehend von Tyrosin über hydroxylierte und Chinonderivate. Die genauen Reaktionsschritte sind aber andere und statt der Tyrosinase kommt bei den Insekten die Phenoloxidase vor.[10]Das wichtigste biosynthetische Intermediat ist anders als bei Wirbeltieren das Dopamin.[11]
Melanine sind für schwarze Färbungen beiInsektenverantwortlich. Bei der ArtOncopeltus fasciatuswerden verschiedene Gene in verschiedenen Körperregionen exprimiert, die die Bildung von Melaninen in dort entweder befördern oder unterdrücken und dadurch ein bestimmtes Muster erzeugen.[14]Ähnliche genetische Mechanismen bei der Flügelfärbung desAsiatischen Marienkäfersund desDistelfalterswurden ebenfalls untersucht.[15][16]
Bei Insekten sind Melanine neben der Färbung auch noch wichtig für die Immunantwort und die Wundheilung. Durch die Bildung von Melanin können nicht nur Wunden verschlossen werden, sondern auch Pathogene eingeschlossen werden, um sie unschädlich zu machen. Anders als bei Wirbeltieren kommt bei Insekten nur Eumelanin aus decarboxylierten Vorläufern vor, welches verschiedene Vorteile hat, da diese Vorläufer schneller polymerisieren und leichter abgebaut werden, sodass Melanogenese eine schneller und lokal begrenzte Reaktion bei Verletzungen ermöglicht.[10]Da größere Mengen Chinone oder Melanin auch die Insekten selbst schädigen können, verfügen sie über einen Regulierungsmechanismus, der eine Überproduktion bzw. weitere Verteilung dieser Stoffe im Körper verhindert.[17]Verschiedene bakterielle Pathogene, die Insekten befallen, bildenRhabduscin,das die Phenoloxidase und damit die Melaninbildung hemmt, wodurch diese Bakterien die Immunantwort der Insekten zum Teil umgehen können.[18]
In Schmetterlingen der GattungColiasspielen Melanine eine Rolle bei der Wärmeregulierung. In kälteren Gegenden sind die Schmetterlinge dunkler gefärbt und können damit mehr Licht in thermische Energie umwandeln, während Exemplare in wärmeren Gegenden im Allgemeinen heller gefärbt sind und eine übermäßige Erwärmung durch einfallendes Licht vermeiden.[19]Bei Moskitos der Gattungen Aedes und Anopheles hängt die Melaninproduktion in den Eiern auch mit deren Resistenz gegen Trockenheit zusammen.[20]
Melanin bei Pilzen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Eine wissenschaftliche Arbeit aus dem Jahr 2007 berichtet vonPilzen,die wahrscheinlich mittels Melanin ionisierende Strahlung (Radiosynthese) in für ihren Organismus nutzbare Energie umwandeln (radiotrophe Pilze).[21]
Ausdrücklich hervorgehoben wird, dass die Rolle des Melanins bei der Energieerzeugung im Organismus nach wie vor unklar ist und die Radioaktivität durch den Metabolismus nicht verringert wird. Klar ist lediglich, dass bei den aus Proben aus dem versiegeltenKernreaktorblock 4 von Tschernobylstammenden Pilzen
- eine höhereStoffwechselrategegeben war, wenn sie mit Melanin angereichert wurden, als bei unbehandelten Pilzen,
- bei der Energieerzeugung Veränderungen in derElektronenkonfigurationderElektronenhülleihres Melanins nachgewiesen wurden. Dies weist auf ein verändertesEnergieniveauhin, das bei der Erzeugung von Energie auch zu erwarten ist,
- eine auf das Vierfache gestiegeneReduzierungvonNAD+zu beobachten ist, wenn sie bestrahlt werden. Dabei handelt es sich um einen Stoffwechselvorgang.
Bei einer um den Faktor 500 erhöhtenStrahlenbelastungwar die Aktivität desMetabolismusvonWangiella dermatitidisundCryptococcus neoformanssignifikanthöher im Vergleich zur normalen Aktivität unter dernatürlichen Strahlenbelastung.Geht man von einstelligenMillisievert-Werten für die Hintergrundstrahlung aus, so beginnen beim Menschen bei Akutdosen im Bereich des fünfhundertfachen derselben (also Werte von und über 500 Millisievert[22]) Symptome der akutenStrahlenkrankheitspätestens Stunden bis Tage nach der Exposition. Leichte Symptome treten hierbei ab ca. 300 Millisievert auf, das Vollbild zeigt sich ab etwa 700 Millisievert.[23]
Nachweis
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Der quantitative Nachweis von Melaninen gelingt nach chemischem Abbau und Trennung mittelsHPLC.Im Fall von Eumelanin funktioniert der Abbau mittelsKaliumpermanganatund Säure und der Nachweis über das AbbauproduktPyrrol-2,3,5-tricarbonsäure.Bei Phäomelanin funktioniert der Abbau mittelsIodwasserstoffsäureund der Nachweis über die Abbauprodukte3-Amino-Tyrosinbzw. das isomere4-Amino-3-Hydroxyphenylalanin.[24]
Siehe auch
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Weblinks
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑Pschyrembel. Klinisches Wörterbuch.De Gruyter, 255. Auflage. Berlin/New York 1986,ISBN 3-11-007916-X,S. 1041.
- ↑Was ist Albinismus?(vom 17. Mai 2012 imInternet Archive)
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- ↑R.A. Nicolaus „Melanins “, Hermann Verlag, Paris 1968
- ↑G. Prota „Melanins and Melanogenesis “, Academic Press 1992
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