Melanine

Melanin ⓘ
Eine mögliche Struktur von Eumelanin
Material-Typ	Heterogenes Biopolymer

Mikroskopische Aufnahme des Melaninpigments (lichtbrechendes körniges Material - Bildmitte) in einem pigmentierten Melanom. ⓘ

Mikroskopische Aufnahme der Epidermis, mit Melaninmarkierung auf der linken Seite. ⓘ

Melanin (/ˈmɛlənɪn/ (listen); von griechisch: μέλας, romanisiert: melas, wörtl. 'schwarz, dunkel') ist eine allgemeine Bezeichnung für eine Gruppe natürlicher Pigmente, die in den meisten Organismen vorkommen. Eumelanin entsteht durch einen mehrstufigen chemischen Prozess, der als Melanogenese bezeichnet wird und bei dem auf die Oxidation der Aminosäure Tyrosin eine Polymerisation folgt. Die Melaninpigmente werden in einer spezialisierten Gruppe von Zellen, den Melanozyten, produziert. Funktionell dient Eumelanin als Schutz vor UV-Strahlung. Melanin (Neuromelanin) fungiert als Katalysator für alle zellulären Funktionen innerhalb eines Organismus. ⓘ

Es gibt fünf Grundtypen von Melanin: Eumelanin, Phäomelanin, Neuromelanin, Allomelanin und Pyomelanin. Der häufigste Typ ist das Eumelanin, von dem es zwei Arten gibt - das braune Eumelanin und das schwarze Eumelanin. Phäomelanin, das bei einer Fehlfunktion der Melanozyten aufgrund einer rezessiven Ableitung des Gens gebildet wird, ist ein Cystein-Derivat, das Polybenzothiazin-Anteile enthält, die weitgehend für die rot-gelbe Färbung einiger Haut- und Haarfarben verantwortlich sind. Neuromelanin ist im Gehirn zu finden. Seine Wirksamkeit bei der Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit ist Gegenstand von Forschungsarbeiten. Allomelanin und Pyomelanin sind zwei Arten von stickstofffreiem Melanin. ⓘ

In der menschlichen Haut wird die Melanogenese durch die Einwirkung von UV-Strahlung ausgelöst, wodurch die Haut dunkler wird. Eumelanin ist ein effektives Absorptionsmittel für Licht; das Pigment ist in der Lage, über 99,9 % der absorbierten UV-Strahlung zu zerstreuen. Aufgrund dieser Eigenschaft wird angenommen, dass Eumelanin die Hautzellen vor Schäden durch UVA- und UVB-Strahlung schützt und so das Risiko eines Folatverlustes und eines Abbaus der Haut verringert. Es wird davon ausgegangen, dass die Exposition gegenüber UV-Strahlung mit einem erhöhten Risiko für das maligne Melanom, eine Krebsart der Melanozyten (Melaninzellen), verbunden ist. Studien haben gezeigt, dass bei Personen mit einer höheren Melaninkonzentration, d. h. einem dunkleren Hautton, weniger Hautkrebs auftritt. ⓘ

Vier Tage alte Embryonen des Zebrabärblings, unten eine Albino-Mutation ohne Melanin ⓘ

Melanine (von altgriechisch μέλας mélas „schwarz“) sind in der belebten Natur weit verbreitete dunkelbraune bis schwarze oder gelbliche bis rötliche Pigmente. Sie bewirken die Färbung der Haut, Haare, Federn und Augen. Chemisch handelt es sich um Copolymere mit Indolverbindungen als Untereinheiten. Sie kommen in Wirbeltieren und Insekten, als Farbstoff in der Tinte von Tintenfischen (siehe Sepia) und auch in Mikroorganismen und Pflanzen vor. Melanine entstehen durch die enzymatische Oxidation des Tyrosins (enzymatische Bräunung). Gebildet wird Melanin bei Wirbeltieren in den Melanozyten der Haut sowie in der Aderhaut und Iris des Auges. Beim Menschen und anderen Primaten kommt Neuromelanin, dessen dortige Funktion unklar ist, in der Substantia nigra des Gehirns vor. ⓘ

Menschen

Albinismus tritt auf, wenn die Melanozyten wenig Melanin produzieren. Dieses albinotische Mädchen stammt aus Papua-Neuguinea. ⓘ

Beim Menschen ist Melanin der Hauptbestimmungsfaktor der Hautfarbe. Es kommt auch in Haaren, im pigmentierten Gewebe unter der Iris des Auges und in der Stria vascularis des Innenohrs vor. Im Gehirn befinden sich Gewebe mit Melanin in der Medulla und in pigmenthaltigen Neuronen in Bereichen des Hirnstamms, wie dem Locus coeruleus. Es kommt auch in der Zona reticularis der Nebenniere vor. ⓘ

Das Melanin in der Haut wird von Melanozyten produziert, die sich in der Basalschicht der Epidermis befinden. Obwohl die Menschen im Allgemeinen eine ähnliche Konzentration von Melanozyten in ihrer Haut haben, produzieren die Melanozyten einiger Individuen und ethnischer Gruppen unterschiedliche Mengen an Melanin. Einige Menschen haben eine sehr geringe oder gar keine Melaninsynthese in ihrem Körper, ein Zustand, der als Albinismus bekannt ist. ⓘ

Da Melanin ein Aggregat aus kleineren Komponentenmolekülen ist, gibt es viele verschiedene Melaninarten mit unterschiedlichen Anteilen und Bindungsmustern dieser Komponentenmoleküle. Sowohl Phäomelanin als auch Eumelanin kommen in der menschlichen Haut und im Haar vor, aber Eumelanin ist das am häufigsten vorkommende Melanin beim Menschen und auch die Form, die bei Albinismus am häufigsten fehlt. ⓘ

Eumelanin

Teil der Strukturformel von Eumelanin. "(COOH)" kann COOH oder H oder (seltener) andere Substituenten bedeuten. Der Pfeil zeigt an, wo das Polymer weitergeht. ⓘ

Seit langem geht man davon aus, dass Eumelaninpolymere zahlreiche vernetzte 5,6-Dihydroxyindol- (DHI) und 5,6-Dihydroxyindol-2-carbonsäure- (DHICA) Polymere umfassen. ⓘ

Es gibt zwei Arten von Eumelanin, nämlich braunes Eumelanin und schwarzes Eumelanin. Diese beiden Arten von Eumelanin unterscheiden sich chemisch voneinander durch ihr Muster an polymeren Bindungen. Eine geringe Menge an schwarzem Eumelanin in Abwesenheit anderer Pigmente verursacht graues Haar. Ein geringer Anteil an braunem Eumelanin in Abwesenheit anderer Pigmente führt zu gelbem (blondem) Haar. Das Eumelanin ist in der Haut, im Haar usw. vorhanden. ⓘ

Phäomelanin

Teil der Strukturformel von Phäomelanin. "(COOH)" kann COOH oder H sein, oder (seltener) andere Substituenten. Die Pfeile zeigen an, wo das Polymer weitergeht. ⓘ

Phäomelanine (oder Phäomelanine) verleihen eine Reihe von gelblichen bis rötlichen Farben. Phäomelanine sind besonders in den Lippen, Brustwarzen, der Eichel des Penis und der Vagina konzentriert. Wenn eine geringe Menge an braunem Eumelanin im Haar, das sonst blondes Haar verursachen würde, mit rotem Phäomelanin gemischt wird, entsteht orangefarbenes Haar, das typischerweise als "rotes" oder "rothaariges" Haar bezeichnet wird. Phäomelanin kommt auch in der Haut vor, so dass die Haut von Rothaarigen oft einen eher rosafarbenen Farbton aufweist. ⓘ

Chemisch gesehen unterscheiden sich die Phäomelanine von den Eumelaninen dadurch, dass die Oligomerstruktur Benzothiazin- und Benzothiazoleinheiten enthält, die anstelle von DHI und DHICA entstehen, wenn die Aminosäure L-Cystein vorhanden ist. ⓘ

Trichochrome

Trichochrome (früher Trichosiderine genannt) sind Pigmente, die auf demselben Stoffwechselweg wie die Eumelanine und Phäomelanine entstehen, aber im Gegensatz zu diesen Molekülen haben sie ein geringes Molekulargewicht. Sie kommen in einigen roten menschlichen Haaren vor. ⓘ

Neuromelanin

Neuromelanin (NM) ist ein dunkles, unlösliches Polymerpigment, das in bestimmten Populationen von katecholaminergen Neuronen im Gehirn gebildet wird. Der Mensch hat die größte Menge an NM, das bei anderen Primaten in geringeren Mengen vorhanden ist und bei vielen anderen Arten völlig fehlt. Die biologische Funktion ist nach wie vor unbekannt, obwohl sich gezeigt hat, dass menschliches NM Übergangsmetalle wie Eisen sowie andere potenziell toxische Moleküle effizient bindet. Daher könnte es eine entscheidende Rolle bei der Apoptose und der damit verbundenen Parkinson-Krankheit spielen. ⓘ

Andere Organismen

Melanine haben sehr unterschiedliche Rollen und Funktionen in verschiedenen Organismen. Eine Form von Melanin bildet die Tinte, die von vielen Kopffüßern (siehe Tinte der Kopffüßer) als Abwehrmechanismus gegen Fressfeinde verwendet wird. Melanine schützen auch Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze vor zellschädigenden Einflüssen wie UV-Strahlung der Sonne und reaktiven Sauerstoffspezies. Melanin schützt auch vor Schäden durch hohe Temperaturen, chemische Belastungen (z. B. Schwermetalle und Oxidationsmittel) und biochemische Bedrohungen (z. B. die Wirtsabwehr gegen eindringende Mikroben). Daher scheinen Melanine bei vielen pathogenen Mikroben (z. B. bei Cryptococcus neoformans, einem Pilz) eine wichtige Rolle bei der Virulenz und Pathogenität zu spielen, indem sie die Mikrobe vor Immunreaktionen ihres Wirts schützen. Bei wirbellosen Tieren ist Melanin ein wichtiger Aspekt des angeborenen Immunsystems gegen eindringende Krankheitserreger. Innerhalb von Minuten nach der Infektion wird die Mikrobe in Melanin eingekapselt (Melanisierung), und man nimmt an, dass die Entstehung freier Radikale während der Bildung dieser Kapsel zu ihrer Abtötung beiträgt. Einige Pilzarten, so genannte radiotrophe Pilze, scheinen Melanin als photosynthetisches Pigment nutzen zu können, das sie in die Lage versetzt, Gammastrahlen einzufangen und diese Energie für ihr Wachstum nutzbar zu machen. ⓘ

Die dunkleren Federn von Vögeln verdanken ihre Farbe dem Melanin und werden von Bakterien weniger leicht abgebaut als unpigmentierte oder solche, die Carotinoid-Pigmente enthalten. Melaninhaltige Federn sind außerdem um 39 % abriebfester als ungefärbte, da die Melaninkörnchen dazu beitragen, den Raum zwischen den Keratinsträngen, aus denen die Federn bestehen, auszufüllen. Die Synthese von Phäomelanin bei Vögeln setzt den Verzehr von Cystein voraus, einer semi-essentiellen Aminosäure, die für die Synthese des Antioxidans Glutathion (GSH) notwendig ist, aber bei einem Überschuss in der Nahrung toxisch sein kann. Viele fleischfressende Vögel, die einen hohen Proteingehalt in ihrer Nahrung haben, weisen eine auf Phäomelanin basierende Färbung auf. ⓘ

Melanin ist auch für die Pigmentierung von Säugetieren wichtig. Das Fellmuster von Säugetieren wird durch das Agouti-Gen bestimmt, das die Verteilung von Melanin reguliert. Die Mechanismen dieses Gens wurden bei Mäusen eingehend untersucht, um einen Einblick in die Vielfalt der Fellmuster von Säugetieren zu erhalten. ⓘ

Bei Gliederfüßern wurde beobachtet, dass sich Melanin in Schichten ablagert, wodurch ein Bragg-Reflektor mit wechselndem Brechungsindex entsteht. Wenn die Skala dieses Musters mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts übereinstimmt, entsteht eine strukturelle Färbung, die bei einer Reihe von Arten eine schillernde Farbe ergibt. ⓘ

Spinnentiere sind eine der wenigen Gruppen, bei denen Melanin nicht ohne weiteres nachgewiesen werden konnte, obwohl Forscher Daten gefunden haben, die darauf hindeuten, dass Spinnen tatsächlich Melanin produzieren. ⓘ

Einige Mottenarten, darunter die Tigermotte, wandeln Ressourcen in Melanin um, um ihre Wärmeregulierung zu verbessern. Da die Tigermotte in vielen Breitengraden vorkommt, wurde beobachtet, dass nördlichere Populationen eine höhere Melanisierungsrate aufweisen. Sowohl bei den gelben als auch bei den weißen männlichen Phänotypen der Tigermotte hatten Individuen mit mehr Melanin eine bessere Fähigkeit, Wärme zu speichern, aber auch eine höhere Prädationsrate aufgrund eines schwächeren und weniger effektiven aposematischen Signals. ⓘ

Melanin schützt Drosophila-Fliegen und Mäuse vor DNA-Schäden durch Nicht-UV-Strahlung. Wichtige Studien an Drosophila-Modellen sind u.a. Hopwood et al., 1985. Ein Großteil unseres Wissens über die strahlenschützenden Wirkungen von Melanin gegen Gammastrahlung stammt aus den Labors und Forschungsgruppen von Irma Mosse. Mosse begann in der Sowjetära mit der Strahlenbiologie, wurde nach der Entdeckung radiotropher Mikroben in Tschernobyl zunehmend von der Regierung unterstützt und arbeitet seit 2022 im Rahmen des belarussischen Instituts für Genetik und Zytologie weiter. Ihr wichtigster Beitrag ist Mosse et al., 2000 über Mäuse, aber auch Mosse et al., 1994, Mosse et al., 1997, Mosse et al., 1998, Mosse et al., 2001, Mosse et al., 2002, Mosse et al., 2006, Mosse et al., 2007 und Mosse et al., 2008. ⓘ

Pflanzen

Chemische Struktur von Indol-5,6-Chinon ⓘ

Das von Pflanzen produzierte Melanin wird manchmal als "Catechin-Melanin" bezeichnet, da es bei der Alkalifusion Catechin bilden kann. Es wird häufig bei der enzymatischen Bräunung von Früchten wie Bananen verwendet. Kastanienschalenmelanin kann als Antioxidans und Farbstoff verwendet werden. Die Biosynthese umfasst die Oxidation von Indol-5,6-Chinon durch die Polyphenoloxidase vom Typ Tyrosinase aus Tyrosin und Katecholaminen, was zur Bildung von Katecholmelanin führt. Trotzdem enthalten viele Pflanzen Verbindungen, die die Bildung von Melanin hemmen. ⓘ

Interpretation als einzelnes Monomer

Heute weiß man, dass Melanine keine einheitliche Struktur oder Stöchiometrie haben. Dennoch enthalten chemische Datenbanken wie PubChem strukturelle und empirische Formeln; typischerweise 3,8-Dimethyl-2,7-dihydrobenzo[1,2,3-cd:4,5,6-c′d′]diindol-4,5,9,10-tetrone. Man kann sich dies als ein einziges Monomer vorstellen, das die gemessene elementare Zusammensetzung und einige Eigenschaften von Melanin erklärt, aber in der Natur wahrscheinlich nicht vorkommt. Solano behauptet, dass dieser irreführende Trend auf einen Bericht über eine empirische Formel aus dem Jahr 1948 zurückgeht, nennt aber keine weiteren historischen Details. ⓘ

3,8-Dimethyl-2,7-dihydrobenzo[1,2,3-cd:4,5,6-c′d′]diindole-4,5,9,10-tetrone ⓘ

Bezeichnungen
Bevorzugter IUPAC-Name 3,8-Dimethyl-2,7-dihydrobenzo[1,2,3-cd:4,5,6-c′d′]diindole-4,5,9,10-tetrone
Bezeichner
CAS-Nummer	8049-97-6
ChemSpider	4884931
PubChem CID	6325610
Eigenschaften
Chemische Formel	C18H10N2O4
Molare Masse	318.288 g-mol-1
Dichte	1,6 bis 1,8 g/cm3
Schmelzpunkt	< -20 °C (-4 °F; 253 K)
Siedepunkt	450 bis 550 °C (842 bis 1.022 °F; 723 bis 823 K)
Wenn nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa). Infobox-Referenzen

Biosynthetische Pfade

Der erste Schritt des Biosynthesewegs sowohl für Eumelanine als auch für Phäomelanine wird durch Tyrosinase katalysiert.

Tyrosin → DOPA → Dopaquinon

Dopaquinon kann sich mit Cystein auf zwei Wegen zu Benzothiazinen und Phäomelaninen verbinden

Dopaquinon + Cystein → 5-S-Cysteinyldopa → Benzothiazin-Zwischenprodukt → Phäomelanin ⓘ

Dopaquinon + Cystein → 2-S-Cysteinyldopa → Benzothiazin-Zwischenprodukt → Phäomelanin ⓘ

Dopaquinon kann auch in Leucodopachrom umgewandelt werden und über zwei weitere Wege zu den Eumelaninen führen

Dopaquinon → Leucodopachrom → Dopachrom → 5,6-Dihydroxyindol-2-carbonsäure → Chinon → Eumelanin ⓘ

Dopaquinon → Leucodopachrom → Dopachrom → 5,6-Dihydroxyindol → Chinon → Eumelanin ⓘ

Detaillierte Stoffwechselwege sind in der KEGG-Datenbank zu finden (siehe Externe Links). ⓘ

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  L-Tyrosin

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  L-DOPA

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  L-Dopaquinon

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  L-Leukodopachrom

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  L-Dopachrom ⓘ

Mikroskopisches Erscheinungsbild

Melanin ist braun, nicht lichtbrechend und feinkörnig, wobei die einzelnen Körnchen einen Durchmesser von weniger als 800 Nanometern haben. Dies unterscheidet Melanin von den üblichen Blutspaltungspigmenten, die größer, stückig und lichtbrechend sind und deren Farbe von grün bis gelb oder rotbraun reicht. Bei stark pigmentierten Läsionen können dichte Melaninansammlungen histologische Details verdecken. Eine verdünnte Lösung von Kaliumpermanganat ist ein wirksames Bleichmittel für Melanin. ⓘ

Genetische Störungen und Krankheitszustände

Es gibt etwa neun Arten von okulokutanem Albinismus, bei dem es sich meist um eine autosomal rezessive Störung handelt. Bestimmte Ethnien weisen eine höhere Inzidenz verschiedener Formen auf. Die häufigste Form, der so genannte okulokutane Albinismus Typ 2 (OCA2), tritt beispielsweise besonders häufig bei Menschen schwarzafrikanischer Abstammung und weißen Europäern auf. Menschen mit OCA2 haben in der Regel helle Haut, sind aber oft nicht so blass wie OCA1. Sie (OCA2 oder OCA1? siehe Kommentare in Geschichte) haben blassblondes bis goldenes, erdbeerblondes oder sogar braunes Haar und meist blaue Augen. 98,7-100 % der modernen Europäer sind Träger des abgeleiteten Allels SLC24A5, einer bekannten Ursache für nicht-syndromalen okulokutanen Albinismus. Dabei handelt es sich um eine autosomal rezessiv vererbte Störung, die durch eine angeborene Verminderung oder Abwesenheit von Melaninpigmenten in Haut, Haar und Augen gekennzeichnet ist. Die geschätzte Häufigkeit von OCA2 unter Afroamerikanern liegt bei 1 zu 10.000, im Gegensatz zu einer Häufigkeit von 1 zu 36.000 bei weißen Amerikanern. In einigen afrikanischen Ländern ist die Häufigkeit der Störung sogar noch höher und liegt zwischen 1 zu 2.000 und 1 zu 5.000. Eine andere Form des Albinismus, der "gelbe okulokutane Albinismus", scheint bei den Amischen, die hauptsächlich schweizerischer und deutscher Abstammung sind, weiter verbreitet zu sein. Menschen mit dieser IB-Variante der Erkrankung haben bei der Geburt in der Regel weiße Haare und weiße Haut, entwickeln aber im Säuglingsalter rasch eine normale Hautpigmentierung. ⓘ

Der okulare Albinismus beeinträchtigt nicht nur die Augenpigmentierung, sondern auch die Sehschärfe. Die Sehschärfe von Menschen mit Albinismus liegt typischerweise im Bereich von 20/60 bis 20/400. Darüber hinaus sind zwei Formen von Albinismus, von denen etwa 1 von 2 700 bei Menschen puerto-ricanischer Herkunft am häufigsten vorkommt, mit einer Sterblichkeit verbunden, die über melanombedingte Todesfälle hinausgeht. ⓘ

Der Zusammenhang zwischen Albinismus und Taubheit ist wohlbekannt, wenn auch nur wenig erforscht. In seiner Abhandlung über die Entstehung der Arten von 1859 stellte Charles Darwin fest, dass "Katzen, die ganz weiß sind und blaue Augen haben, im Allgemeinen taub sind". Beim Menschen treten Hypopigmentierung und Taubheit gemeinsam im seltenen Waardenburg-Syndrom auf, das vor allem bei den Hopi in Nordamerika beobachtet wird. Die Häufigkeit von Albinismus bei den Hopi-Indianern wird auf etwa 1 von 200 Individuen geschätzt. Ähnliche Muster von Albinismus und Taubheit wurden auch bei anderen Säugetieren, einschließlich Hunden und Nagetieren, festgestellt. Der Melaninmangel an sich scheint jedoch nicht direkt für die mit der Hypopigmentierung einhergehende Taubheit verantwortlich zu sein, da die meisten Personen, denen die für die Melaninsynthese erforderlichen Enzyme fehlen, eine normale Hörfunktion aufweisen. Stattdessen führt das Fehlen von Melanozyten in der Stria vascularis des Innenohrs zu einer Beeinträchtigung des Cochlea-Gehörs, wobei nicht ganz klar ist, warum dies so ist. ⓘ

Bei der Parkinson-Krankheit, einer Erkrankung, die die neuromotorischen Funktionen beeinträchtigt, kommt es zu einem Rückgang des Neuromelanins in der Substantia nigra und im Locus coeruleus als Folge des spezifischen Ausfalls dopaminerger und noradrenerger pigmentierter Neuronen. Dies führt zu einer verminderten Dopamin- und Noradrenalin-Synthese. Zwar wurde kein Zusammenhang zwischen der Rasse und dem Gehalt an Neuromelanin in der Substantia nigra festgestellt, doch die signifikant niedrigere Inzidenz der Parkinson-Krankheit bei Schwarzen im Vergleich zu Weißen hat "einige zu der Vermutung veranlasst, dass das Melanin der Haut irgendwie dazu dienen könnte, das Neuromelanin in der Substantia nigra vor externen Toxinen zu schützen". ⓘ

Zusätzlich zum Melaninmangel kann das Molekulargewicht des Melaninpolymers durch verschiedene Faktoren wie oxidativen Stress, Lichteinwirkung, Störungen der Assoziation mit melanosomalen Matrixproteinen, Änderungen des pH-Werts oder lokale Konzentrationen von Metallionen verringert werden. Es wird angenommen, dass ein verringertes Molekulargewicht oder eine Verringerung des Polymerisationsgrades des Augenmelanins das normalerweise antioxidative Polymer in ein Prooxidans verwandelt. In seinem pro-oxidativen Zustand soll Melanin an der Entstehung und dem Fortschreiten von Makuladegeneration und Melanom beteiligt sein. Rasagilin, ein wichtiges Medikament zur Monotherapie der Parkinson-Krankheit, hat melaninbindende und melanomtumorverringernde Eigenschaften. ⓘ

Höhere Eumelaninwerte können jedoch auch ein Nachteil sein, abgesehen von einer höheren Neigung zu Vitamin-D-Mangel. Dunkle Haut ist ein komplizierender Faktor bei der Laserentfernung von Feuermalen. Während weiße Haut im Allgemeinen gut mit dem Laser behandelt werden kann, ist die Entfernung von Feuermalen bei Menschen asiatischer oder afrikanischer Abstammung weniger erfolgreich. Höhere Melaninkonzentrationen bei dunkelhäutigen Menschen streuen und absorbieren die Laserstrahlung, wodurch die Lichtabsorption durch das Zielgewebe gehemmt wird. In ähnlicher Weise kann Melanin die Laserbehandlung anderer dermatologischer Erkrankungen bei Menschen mit dunklerer Haut erschweren. ⓘ

Sommersprossen und Muttermale entstehen dort, wo eine örtlich begrenzte Konzentration von Melanin in der Haut vorhanden ist. Sie sind in hohem Maße mit blasser Haut verbunden. ⓘ

Nikotin hat aufgrund seiner Vorläuferfunktion bei der Melaninsynthese oder seiner irreversiblen Bindung von Melanin eine Affinität zu melaninhaltigen Geweben. Es wird vermutet, dass dies die Ursache für die stärkere Nikotinabhängigkeit und die geringeren Raucherentwöhnungsraten bei Menschen mit dunkleren Pigmenten ist. ⓘ

Menschliche Anpassung

Physiologie

Melanozyten lagern Melaninkörnchen in spezielle Zellbläschen ein, die Melanosomen genannt werden. Diese werden dann in die Keratinozytenzellen der menschlichen Epidermis übertragen. Die Melanosomen in jeder Empfängerzelle lagern sich im Zellkern an, wo sie die Kern-DNA vor Mutationen schützen, die durch die ionisierende Strahlung der ultravioletten Strahlen der Sonne verursacht werden. Im Allgemeinen haben Menschen, deren Vorfahren lange Zeit in den äquatornahen Regionen der Erde gelebt haben, größere Mengen an Eumelanin in ihrer Haut. Dies macht ihre Haut braun oder schwarz und schützt sie vor hoher Sonneneinstrahlung, die bei hellhäutigen Menschen häufiger zu Melanomen führt. ⓘ

Nicht alle Auswirkungen der Pigmentierung sind vorteilhaft. In heißem Klima erhöht die Pigmentierung die Wärmebelastung, und dunkelhäutige Menschen absorbieren 30 % mehr Wärme aus dem Sonnenlicht als sehr hellhäutige Menschen, obwohl dieser Faktor durch stärkeres Schwitzen ausgeglichen werden kann. In kalten Klimazonen führt dunkle Haut zu einem höheren Wärmeverlust durch Strahlung. Die Pigmentierung behindert auch die Synthese von Vitamin D. Da die Pigmentierung für das Leben in den Tropen nicht unbedingt von Vorteil zu sein scheint, wurden andere Hypothesen über ihre biologische Bedeutung aufgestellt, z. B. dass es sich um ein sekundäres Phänomen handelt, das durch die Anpassung an Parasiten und Tropenkrankheiten verursacht wird. ⓘ

Evolutionäre Ursprünge

Die dunkle Hautfarbe entwickelte sich beim frühen Menschen vor etwa 1,2 Millionen Jahren als Anpassung an den Verlust der Körperbehaarung, der die Auswirkungen der UV-Strahlung verstärkte. Vor der Entwicklung der Haarlosigkeit hatten die frühen Menschen eine relativ helle Haut unter ihrem Fell, ähnlich wie andere Primaten. Die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sich der anatomisch moderne Mensch zwischen 200 000 und 100 000 Jahren in Afrika entwickelte und dann in einer einzigen Wanderung vor 80 000 bis 50 000 Jahren den Rest der Welt bevölkerte, wobei es in einigen Gebieten zu Kreuzungen mit bestimmten archaischen Menschenarten (Neandertaler, Denisovaner und möglicherweise anderen) kam. Es ist wahrscheinlich, dass die ersten modernen Menschen relativ viele Eumelanin produzierende Melanozyten besaßen, die ihnen eine dunklere Haut verliehen, ähnlich wie den heutigen Ureinwohnern Afrikas. Als einige dieser Urmenschen auswanderten und sich in Gebieten Asiens und Europas ansiedelten, nahm der Selektionsdruck für die Eumelaninproduktion in Klimazonen ab, in denen die Sonneneinstrahlung weniger intensiv war. Dies führte schließlich zu der heutigen Bandbreite der menschlichen Hautfarbe. Von den beiden verbreiteten Genvarianten, die bekanntermaßen mit blasser menschlicher Haut in Verbindung gebracht werden, scheint Mc1r keiner positiven Selektion unterlegen zu haben, während SLC24A5 einer positiven Selektion unterlegen ist. ⓘ

Auswirkungen

Wie bei den Völkern, die nach Norden gewandert sind, akklimatisieren sich Menschen mit heller Haut, die in Richtung Äquator wandern, an die viel stärkere Sonneneinstrahlung. Die Natur wählt weniger Melanin aus, wenn die UV-Strahlung schwach ist. Die Haut der meisten Menschen verdunkelt sich, wenn sie dem UV-Licht ausgesetzt ist, und bietet so mehr Schutz, wenn dieser benötigt wird. Dies ist der physiologische Zweck des Sonnenbadens. Dunkelhäutige Menschen, die mehr hautschützendes Eumelanin produzieren, sind besser vor Sonnenbrand und der Entwicklung von Melanomen, einer potenziell tödlichen Form von Hautkrebs, sowie vor anderen Gesundheitsproblemen geschützt, die mit der Exposition gegenüber starker Sonnenstrahlung zusammenhängen, einschließlich des Abbaus bestimmter Vitamine wie Riboflavine, Carotinoide, Tocopherol und Folsäure. ⓘ

Melanin in den Augen, in der Iris und der Aderhaut, trägt zum Schutz vor ultraviolettem und hochfrequentem sichtbarem Licht bei; Menschen mit grauen, blauen und grünen Augen haben ein höheres Risiko für sonnenbedingte Augenprobleme. Außerdem vergilbt die Augenlinse mit dem Alter, was einen zusätzlichen Schutz bietet. Allerdings wird die Linse mit zunehmendem Alter auch starrer und verliert einen Großteil ihrer Akkommodationsfähigkeit, d. h. ihrer Fähigkeit, ihre Form zu verändern, um von der Ferne in die Nähe zu fokussieren - ein Nachteil, der wahrscheinlich auf die durch die UV-Strahlung verursachte Proteinvernetzung zurückzuführen ist. ⓘ

Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Melanin neben dem Lichtschutz auch eine andere Schutzfunktion erfüllen kann. Melanin ist in der Lage, Metallionen durch seine Carboxylat- und phenolischen Hydroxylgruppen wirksam zu chelatieren, und zwar in vielen Fällen viel effizienter als der starke Chelatligand Ethylendiamintetraacetat (EDTA). So kann es dazu dienen, potenziell toxische Metallionen abzusondern und den Rest der Zelle zu schützen. Diese Hypothese wird durch die Tatsache gestützt, dass der bei der Parkinson-Krankheit beobachtete Verlust an Neuromelanin mit einem Anstieg des Eisengehalts im Gehirn einhergeht. ⓘ

Physikalische Eigenschaften und technologische Anwendungen

Es gibt Hinweise darauf, dass es sich um ein hochgradig vernetztes Heteropolymer handelt, das kovalent an die Matrixgerüste der Melanoproteine gebunden ist. Es wurde vorgeschlagen, dass die Fähigkeit von Melanin, als Antioxidans zu wirken, direkt proportional zu seinem Polymerisationsgrad oder Molekulargewicht ist. Suboptimale Bedingungen für die effektive Polymerisation von Melaninmonomeren können zur Bildung von pro-oxidativem Melanin mit geringerem Molekulargewicht führen, das mit der Entstehung und dem Fortschreiten von Makuladegeneration und Melanom in Verbindung gebracht wird. Signalwege, die die Melanisierung im retinalen Pigmentepithel (RPE) hochregulieren, könnten auch an der Herunterregulierung der Phagozytose des äußeren Stäbchensegments durch das RPE beteiligt sein. Dieses Phänomen wird zum Teil für die Schonung der Fovea bei Makuladegeneration verantwortlich gemacht. ⓘ

Rolle bei der Metastasierung von Melanomen

Die von Sarnas Team durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass stark pigmentierte Melanomzellen einen Elastizitätsmodul von 4,93 haben, während er bei nicht pigmentierten Zellen nur 0,98 beträgt. In einem weiteren Experiment stellten sie fest, dass die Elastizität von Melanomzellen für ihre Metastasierung und ihr Wachstum wichtig ist: Nicht pigmentierte Tumore waren größer als pigmentierte und konnten sich viel leichter ausbreiten. Sie zeigten, dass es in Melanomtumoren sowohl pigmentierte als auch nicht-pigmentierte Zellen gibt, so dass sie beide arzneimittelresistent und metastatisch sein können. ⓘ

Struktur

Trotz langjähriger Bemühungen ist es bisher nicht gelungen, die exakte Struktur eines Melanins aufzuklären. Es gilt als sicher, dass es sich um Copolymere handelt, deren Untereinheiten Indolverbindungen sind, die hauptsächlich über C-C-Bindungen verknüpft sind. Die Schwierigkeit liegt in der Unlöslichkeit der Melanine in jedem Lösungsmittel, in ihrer ausgeprägten Heterogenität und im Fehlen von wohldefinierten spektralen oder physikochemischen Signalen. Außerdem sind sie schwer von biologisch gleichzeitig entstehenden Proteinen zu trennen. Eine Übersicht zur Melaninbildung, Untersuchungsmethoden und Strukturelementen finden sich in zwei der folgenden Standardwerke zu Chemie und Biologie der Melanine. ⓘ

Melanin bei Pilzen

Eine wissenschaftliche Arbeit aus dem Jahr 2007 berichtet von Pilzen, die wahrscheinlich mittels Melanin ionisierende Strahlung (Radiosynthese) in für ihren Organismus nutzbare Energie umwandeln (radiotrophe Pilze). ⓘ

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 versiegelten Kernreaktorblock 4 von Tschernobyl stammenden Pilzen

• eine höhere Stoffwechselrate gegeben war, wenn sie mit Melanin angereichert wurden, als bei unbehandelten Pilzen,
• bei der Energieerzeugung Veränderungen in der Elektronenkonfiguration der Elektronenhülle ihres Melanins nachgewiesen wurden. Dies weist auf ein verändertes Energieniveau hin, das bei der Erzeugung von Energie auch zu erwarten ist,
• eine auf das Vierfache gestiegene Reduzierung von NAD+ zu beobachten ist, wenn sie bestrahlt werden. Dabei handelt es sich um einen Stoffwechselvorgang. ⓘ

Bei einer um den Faktor 500 erhöhten Strahlenbelastung war die Aktivität des Metabolismus von Wangiella dermatitidis und Cryptococcus neoformans signifikant höher im Vergleich zur normalen Aktivität unter der natürlichen Strahlenbelastung. ⓘ