Was die Haut braun färbt: Forschungsprojekt untersucht molekulare Prozesse bei der Bildung von Melanin

Tyrosinasen spielen bei der Bräunung der Haut, der Skelettbildung von Gliederfüßern und der Immunantwort von Wirbellosen eine zentrale Rolle

Das Farbpigment Melanin ist beim Menschen für die Bräunung der Haut verantwortlich. Es kommt in der Haut natürlich vor. Unter dem Einfluss von Sonnenlicht oder UV-Bestrahlung wird es jedoch von sogenannten Tyrosinasen vermehrt produziert. Wie es genau zur Bildung dieser Stoffe kommt, untersucht ein Forschungsprojekt am Institut für Molekulare Biophysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Die Ergebnisse dürften vor allem in der Kosmetikindustrie bei Produkten zur Haarfärbung oder Hautbräunung Anwendung finden.

Tyrosinasen sind Enzyme, also Eiweißmoleküle, die chemische Reaktionen beschleunigen. Sie kommen in allen Organismen vor und verursachen nicht nur die Bräunung der Haut, sondern zum Beispiel auch die Verfärbung bei angeschnittenen Äpfeln oder die Bräunung von älterem Gemüse. Bei Bakterien, Pilzen, Pflanzen und wirbellosen Tieren sind Tyrosinasen ein Teil des einfachen, aber sehr wirkungsvollen Immunsystems. Bei Gliederfüßern dienen sie der Bildung des Außenskeletts. „Wir wollen genau wissen, wie Tyrosinasen entstehen und wie dadurch der Prozess zur Bildung von Melanin in Gang kommen kann“, erklärt Univ.-Prof. Heinz Decker, Leiter des Instituts für Molekulare Biophysik. Erste Erkenntnisse liefern Beobachtungen, die bei Vogelspinnen gemacht wurden. Vogelspinnen besitzen sogenannte Hämocyanine, die für den Sauerstofftransport zuständig sind. Durch eine Verletzung oder einen Befall der Spinnen mit Bakterien oder Pilzen scheinen die Hämocyanine in Tyrosinasen umgewandelt zu werden. Dabei wird nach den Beobachtungen der Mainzer Biophysiker bei dem Hämocyanin eine Ecke abgetrennt, dadurch ein aktives Zentrum freigelegt und somit angeregt, hoch reaktive Polymerbausteine herzustellen. Diese Bausteine bilden dann sofort ein sehr widerstandsfähiges Polymernetz: das Melanin.

Die Frage ist nun, ob ein ähnlicher Ablauf auch für die menschliche Tyrosinase gilt. Durch Untersuchungen beim Menschen, bei Mäusen, Vogelspinnen und Bakterien sollen die jeweiligen Umwandlungsprozesse entschlüsselt und verglichen werden. Ziel ist es, den (strukturellen) molekularen Ablauf für die verschiedenen Tyrosinasen von verschiedenen Lebewesen zu klären. Gelingt es, die molekulare Umsetzung des UV-Lichtes in die Aktivierung der Bräunung der Haut aufzuklären, können gezielt Effektoren hergestellt werden, die die Braunfärbung verstärken oder verhindern.

Aufgrund der vielfältigen Funktionen von Tyrosinasen und Hämocyaninen könnten die Forschungsergebnisse künftig auch für die Lebensmittelindustrie oder den Umweltbereich von Bedeutung sein. Dazu werden in einem Teilprojekt der Mainzer Biophysik Molekülabschnitte untersucht, die sich bei einer Erkrankung z.B. durch Pilzbefall von den Hämocyaninen bzw. Tyrosinasen abspalten und fungizid, d.h. den Pilzbefall hemmend wirken.

Die räumliche Struktur und der funktionelle Mechanismus auf molekularer Basis ist bei den Tyrosinasen noch nicht ausreichend bekannt. Daher erfolgen die Untersuchungen unter anderem anhand der bekannten Strukturen von Hämocyanin. Hämocyanine und Tyrosinasen sind evolutionär eng miteinander verwandt. Die strukturell sehr gut untersuchten Hämocyanine können als Strukturmodelle verwendet werden, um die Reaktion am aktiven Zentrum der Tyrosinasen besser zu verstehen.