Untersuchungen rund um das Thema Hautbräunung Projekt des
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Sommer - Sonne - Sonnenbrand 0 Untersuchungen rund um das Thema Hautbräunung Projekt des Leistungskurses Chemie der Liebfrauenschule Vechta Marienstr. 4 49377 Vechta E[] Sofi 0 Super 1 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 100 200 300 400 Wellenlänge [nm] E/c-Diagramm für Carotin 0,8 0,7 0,6 E[] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 10 20 30 40 c (Carotin) [mg/l] 50 60 Sommer - Sonne - Sonnenbrand 1 Natürliche Bräune - Licht und Haut 1.1 Die Sonne und ihr Licht Das Licht, das die Sonne aussendet, erstreckt sich vom infraroten über den sichtbaren bis zum ultravioletten Bereich. Vor allem das für uns unsichtbare ultraviolette Licht, das kürzere Wellenlängen besitzt, kann in Wechselwirkung mit sehr vielen Verbindungen, auch in der Haut, treten und sogenannte photochemische Reaktionen auslösen. Weil das ultraviolette Licht je nach Wellenlänge unterschiedliche Wirkungen hervorruft und unterschiedliche tief in die Haut eindringen kann, unterteilt man es in drei Bereiche: UV-A-Strahlung mit Wellenlängen von 320 - 400 nm, UV-B-Strahlung mit Wellenlängen von 280 - 320 nm, UV-C-Strahlung mit Wellenlängen von 100 - 280 nm Die kurzwellige UV-C-Strahlung wird nahezu vollständig in der Stratosphäre absorbiert und gelangt nicht zur Erdoberfläche. Das in der Stratosphäre enthaltene Ozon absorbiert auch einen großen Teil der UV-B-Strahlung. Diese gelangt nur abgeschwächt auf die Erdoberfläche. UV-A-Strahlung gelangt nahezu ungehindert mit im Vergleich zur UV-B-Strahlung 20facher Intensität auf die Erdoberfläche (s. Abb. 1a. Wie in Abb. 1b dargestellt, ist in erster Linie. die UV-B-Strahlung für die Entstehung von Sonnenbränden verantwortlich, während UV-A-Strahlung zur Bräunung der Haut führt. Abb. 1 a) Sonnenstrahlung, die die Erde erreicht: , b) Strahlung, die v.a. den Sonnenbrand verursacht, c) Strahlung, die die Hautbräunung bewirkt [5, S. 116] 1.2 Mögliche Wirkungen von Sonnenlicht auf den Menschen Dem Sonnenlicht, vor allem den UV-Strahlen, kann man sowohl positive als auch negative Wirkungen auf unser Wohlbefinden zuschreiben. Die genannten negativen Wirkungen stellen sich vor allem dann ein, wenn wir uns zu lange oder zu intensiver Sonneneinstrahlung aussetzen. UV-AStrahlen dringen tief in die Leder- und Unterhaut ein. UV-B-Strahlen gelangen nur in äußere Hautschichten. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 2 In Abb. 3 sind die wichtigsten der im Folgenden beschriebenen Wirkungen der Sonnenstrahlung auf das Wohlbefinden des Menschen übersichtlich dargestellt: Positive Wirkungen: • • • • Sonnenstrahlung fördert die Durchblutung der Haut. Sonnenstrahlung fördert die Vitamin D3-Bildung. Vitamin D3 ist lebensnotwendig. Es ist v.a. an der Verwertung von Phosphor und Calcium beteiligt, die für den Erhalt und den Aufbau der Knochen benötigt werden. In unseren Breiten genügen 15 Minuten Sonnenlicht täglich auf Gesicht und Handrücken und eine gesunde Ernährung für eine ausreichende Vitamin D3-Versorgung. Zu viel Sonne führt dagegen zu einem Abbau des Vitamins. Hautbräunung ist weniger aus kosmetischen Gründen, sondern vor allem insofern positiv zu bewerten, als mit ihr ein gewisser Schutz gegen weitere UV-Belastung verbunden ist. Sonnenstrahlung fördert das Wohlbefinden, wirkt antidepressiv. Negative Wirkungen • • • • • • Zu viel Sonnenstrahlung (hauptsächlich UV-B) führt zu Sonnenbrand. Durch zu intensives und langes Sonnenbad kommt es zu einer Überlastung der körpereigenen Schutzmechanismen. Es kommt zum Absterben der Hautzellen. Der Sonnenbrand ist eine Entzündungsreaktion der Haut. UV-A-Strahlen führen zu vorzeitiger Hautalterung. Sie dringen tief in die Haut ein und bewirken eine Zerstörung der Kollagenfasern im Bindegewebe der Haut. Die Haut verliert dadurch an Spannkraft und wird faltig und schrumpelig. UV-B Strahlen zerstören Folsäure, das wichtigste Vitamin B, das an Wachstums- und Entwicklungsprozessen beteiligt ist. Sonnenallergie: Auftreten von allergischen Hautreizungen durch Zusammenwirken von UVStrahlen mit Duftstoffen und Emulgatoren aus Sonnenschutzmitteln. Immunsuppression: UV-Belastung führt zu verminderter Leistungsfähigkeit des Immunsystems. Hautkrebs: Hautkrebs ist inzwischen die häufigste Krebsform. Man unterscheidet Maligne Melanome (bösartiger Hautkrebs) und Nicht-Melanome (Basalhautkrebs und Spinalhautkrebs). In der BRD erkranken jährlich 100000 Menschen neu an Hautkrebs1. Über 3000 Menschen sterben daran. Die Bildung von Hautkrebs hängt direkt mit der Immunsuppression zusammen. Die Entstehung von Hautkrebs lässt sich folgendermaßen beschreiben: 1 www.unserehaut.de UV-Strahlen schädigen/verändern die DNA von Hautzellen. Die geschädigte Zelle stirbt ab bzw. wird abgetötet. Die geschädigte Zelle wird von Reparatursystemen repariert. Die geschädigte Zelle überlebt und vermehrt sich. Es kommt zur Ausbildung von Hautkrebs. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 3 Abb. 3: Übersicht über mögliche Folgern der UV-Bestrahlung der Haut [1, S.40] 1.3 Der Selbstschutz der Haut Um sich vor der negativen Wirkung der Sonnenstrahlen zu schützen, aktiviert die Haut bereits bei der ersten Bestrahlung hauteigene Schutzmechanismen. Diese wirken jedoch nur bei einer langsamen Gewöhnung an die Sonne und sind nur bis zu einem bestimmten Maße effektiv. Die Wirksamkeit des Eigenschutzes ist abhängig vom Hauttyp. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 1.3.1 4 Hautbräunung, Melanogenese Hautbräunung entsteht durch verstärkte Pigmentierung der Haut. Die in der Basalschicht der Haut vorkommenden Melanozyten enthalten Melanosome. Melanosome sind dunkel gefärbte Organelle, die den Farbstoff Melanin produzieren. Melanozyten transportieren die reifen Melanosome zu den Keratinozyten. Die reifen Melanosome lagern sich zum Schutz der DNA schirmförmig über deren Kernen an. Es wird zwischen einer Sofort- und einer Spätpigmentierung unterschieden. UVA löst eine Sofortpigmentierung durch Photooxidation von bereits vorhandenen Melaninvorstufen aus. Diese schützt nicht vor UVB-Strahlung. Eine Spätpigmentierung tritt etwa 72 Stunden nach UV-BExposition auf. Diese Art der Bräunung entsteht durch die Vermehrung von Melanozyten und einer gesteigerten Synthese von Melanosomen. UV-B fördert den Transfer der Melanosomen von Melanozyten zu den Keratinozyten. Spätpigmentierung tritt auch nach UV-A-Bestrahlung auf, jedoch sind deutlich höhere UVA-Dosen nötig, um den gleichen Effekt zu erzielen. Melanin wirkt durch Absorption und Reflexion der UV-Strahlung als optische Barriere. Abb. 3 zeigt, dass vor allem der Wellenlängenbereich von 300 – 400 nm absorbiert wird, also auch die schädigende UV-B-Strahlung. Außerdem wirkt Melanin als Antioxidans. Es unterdrückt die zellschädigende Bildung bzw. Wirkung freier Radikale. Abb. 3 Absorptionsspektrum von Melanin2 Die Melaninsynthese geht von der Aminosäuren Tyrosin aus und wird durch UV-Licht initiiert. In komplexen Reaktionsfolgen entstehen das dunklere Eumelanin und unter Beteiligung von Cystein das rötlichere Phaeomelanin (s. Abb. 4). Eumelanin findet man häufiger bei schwarzhaarigen Personen mit dunkleren Hauttypen, Phaeomelanine treten bei Rothaarigen häufiger auf. Abbildung 5 zeigt, dass Melanine hochmolekulare, nicht einheitlich aufgebaute Verbindungen sind, die chemisch nicht einheitlich aufgebaut sind. Alle Syntheseschritte der Melaninbildung sind enzymkatalysiert (s. Abb. 4). Der Ausfall von Enzymen führt dazu, dass weniger oder keine (Krankheitsbild des Albinismus) Melanine gebildet werden können. 2 http://www.cl.cam.ac.uk/users/jgd1000/melanin.gif Sommer - Sonne - Sonnenbrand 5 Abb. 4 Bildung von Melanin3 Abb. 5 Melanin ist hochmolekular und chemisch nicht einheitlich gebaut [4, S.98ff] 3 http://www.cbc.umn.edu/iac/facts.htm#how Sommer - Sonne - Sonnenbrand 1.3.2 6 Lichtschwiele Auf verstärkte UV-Bestrahlung reagiert die Haut durch eine intensivere Teilung der Basalzellen in der Epidermis. Es kommt dadurch zu einer Verdickung der Hornschicht, die einen größeren Anteil der UV-Strahlen reflektiert. Die darunter liegenden Hautschichten werden so vor UV-Strahlung geschützt. 1.3.3 Urocaninsäure im Schweiß Bei Sonnenbestrahlung ist im Schweiß vermehrt Urocaninsäure enthalten. Diese Verbindung entsteht aus Histidin (s. Abb. 6). Urocaninsäure absorbiert im UV-A-Bereich, ist jedoch wasserlöslich und verbleibt deshalb nur begrenzte Zeit auf der Haut. Sie wird zum Beispiel beim Baden sofort abgewaschen. Abb. 6 Urocaninsäure [4, S.98] 1.3.4 Hydrolipidfilm Auf der Hautoberfläche bildet sich ein Oberflächenfilm, der aus Hautschuppen, Talg, feuchtigkeitsbindenden Substanzen und natürlichen Feuchthaltefaktoren besteht. Dieser Film wird auch als "Natural Moisturizing Factor" (NMF) bezeichnet. Er bietet Schutz vor Austrocknung der Haut und vor Bakterien. Bei zu intensiver Sonneneinstrahlung wird dieser Film beschädigt. Oberflächenlipide verhindern das Austrocknen der Haut und absorbieren im UV-Bereich. 1.3.5 Antioxidantien Die Zellen der Haut verfügen über Enzyme (wie Superoxiddismutase, Peroxidasen oder Glutathion), um sich vor den zellschädigenden Effekten der Freien Radikale zu schützen. Die wirksamsten Radikalfänger sind Tocopherol, Ascorbinsäure und ß-Carotin, die mit der Nahrung aufgenommen werden. Auch das von den Melanozyten gebildete Melanin wirkt als Radikalfänger4. 1.3.6 Zelleigene Reparatursysteme Durch UV-Licht wird die Aktivität des Tumorsuppressor-Gens p53 induziert, dessen Genprodukt schadhafte DNS-Abschnitte austauscht, repariert oder Zellen mit irreparablen Schäden absterben lässt (Apoptose). Reparaturenzyme sind nur wirkungsvoll, wenn der geschädigten Haut eine Auszeit von 24 Stunden gegönnt wird. Ansonsten vermehren sich die Zellen mit mutierter DNS. 4 http://www.eucerin.de/skin/uv_prot_2.html Sommer - Sonne - Sonnenbrand 1.4 7 Sonnenschutzmittel Abb 7 Auswahl der untersuchten Präparate Bis vor wenigen Jahren wurde vor allem auf einen Schutz vor UV-B-Strahlung geachtet. Die Ergebnisse neuerer Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, dass die Bedeutung der UV-A-Strahlenwirkung bei der Ausbildung von Hautschäden, v.a. der malignen Melanome und der übrigen „nonmelanotic skin cancers“ (NMSC) wie Basalzellkarzinom oder Plattenepithelkarzinom, unterschätzt wurde. Die Hautalterung wird heute vor allem der UV-A-Strahlung angelastet, da sie tief in das Bindegewebe eindringt. Moderne Sonnenschutzmittel sollten einen wirksamen Schutz gegen UV-A und UV-B-Strahlung bewirken. Man spricht hier von einem Breitbandschutz. Dieser wird häufig durch Kombinationen mehrerer UV-Filtersubstanzen erreicht. Daneben sollten Sonnenschutzmittel eine Reihe weiterer Anforderungen erfüllen: - keine Toxizität gute Verträglichkeit begrenztes Eindringen in die Haut Fotostabilität Hitzeresistenz Wasserfestigkeit kosmetische Akzeptanz hoher Lichtschutzfaktor (LSF)5 Neueste Entwicklungen von Cremes enthalten Reparatursysteme für geschädigte DNA, z.B. das Enzym Photolyase. Kritiker befürchten, dass dadurch die vom Sonnenlicht ausgehenden Gesundheitsgefahren noch stärker unterschätzt werden. 1.4.1 Chemische UV-Filter Viele Sonnenschutzpräparate enthalten chemische UV-Filter. Darunter versteht man organische Moleküle, die UV-Licht absorbieren und in Wärme umwandeln. Um einen Breitbandschutz zu erreichen, sind in gängigen Produkten Kombinationen von mehreren mehrere UV-Filtersubstanzen enthalten. In den im Folgenden beschriebenen Experimenten soll die Wirksamkeit dieser Substanzen untersucht werden. 5 LSF = Erythemschwellendosis für geschützte Haut / Erythemschwellendosis für ungeschützte Haut Sommer - Sonne - Sonnenbrand 8 Versuch 1: Untersuchung der UV-Absorption verschiedener Stoffe Durchführung: In einem ersten Experiment soll ein möglichst einfaches Verfahren entwickelt und überprüft werden, mit dem getestet werden kann, ob eine gelöste Substanz ultraviolettes Licht absorbiert. Verschiedene Lösungen (Lösung des UV-Filters SofiO, β-Carotin-Lösung, Methylorangelösung, Hexan, Wasser) werden in Kunststoffküvetten gefüllt und vor einem UVLeuchtschirm in geeigneter Entfernung platziert. Anschließend wird der Raum abgedunkelt und mit einer Labor-UV-Lampe mit UV-Licht der Wellenlänge 254 nm bestrahlt. Abb 8 Küvetten im Tageslicht (links) und bei UV-Bestrahlung (rechts) vor einem Leuchtschirm (vlnr.: SofiO-, β-Carotin-, Methylorangelösung, Luft, Wasser, Hexan) Ergebnis: Die Küvette, die mit einer Lösung des UV-Filters Sofix6 in Hexan gefüllt ist, erzeugt auf dem Schirm einen sehr deutlichen Schatten. Eine β-Carotin-Lösung in Hexan erzeugt ebenfalls einen deutlichen Schatten, die bei Tageslicht ähnlich orangerot gefärbte Methylorangelösung dagegen kaum. Luft und die reinen Lösungsmittel Wasser und Hexan erzeugten keinen Schatten. Deutung: Die Schattenbildung tritt auf, wenn das UV-Licht absorbiert wird und nicht auf den Leuchtschirm fällt. SofiO und in geringerem Ausmaß β-Carotin absorbieren UV-Licht. Versuch 2: Extraktion von chemischen UV-Filtern aus Sonnenschutzpräparaten Durchführung: Ziel der experimentellen Untersuchungen soll sein, das Absorptionsverhalten der in den untersuchten Sonnenschutzpräparaten enthaltenen UV-Filter experimentell, d.h. fotometrisch, zu untersuchen. In einem ersten Schritt solle versucht werden, diese Inhaltsstoffe zu extrahieren. Dazu werden Freihandexperimente mit verschiedenen Lösungsmitteln durchgeführt. Jeweils eine geringe Menge des Sonnenschutzmittels wird mit einigen Millilitern eines Lösungsmittels in ein Reagenzglas gefüllt und geschüttelt. Beobachtung: Mit sehr unpolaren Lösungsmitteln (z.B. Hexan) und mit sehr polaren Lösungsmitteln (Wasser) lassen sich kaum befriedigende Ergebnisse erzielen, das sich jeweils einzelne Komponenten nicht lösen und Emulsionen erhalten werden. Am vielversprechendsten sehen die Ergebnisse bei der Verwendung von 1-Propanol als Lösungsmittel aus. Es werden in den meisten Fällen klare Lösungen erhalten. Unlösliche mineralische Bestandteile lassen sich durch Filtration abtrennen. Kontrollversuch: An der Liebfrauenschule verfügen wir nicht über ein UV-Vis-Fotometer. Deshalb sollen die Extrakte an der Hochschule Vechta an einem Nachmittag untersucht werden. Die UVFiltersubstanzen, die in den Extrakten enthalten sein sollen, sind nicht sichtbar. Um den Erfolg der an der Hochschule geplanten Untersuchungen abzusichern wird mit einigen Extrakten ein dem Versuch 1 analoges Testverfahren durchgeführt. Reagenzgläser mit dem reinen Lösungsmittel 1-Propanol und mit den Extrakten werden vor einem Leuchtschirm mit UV-Licht bestrahlt. In allen Fällen tritt bei den Extrakten ein deutlicher Schatten auf. Diese sollten also die Filtersubstanzen enthalten. 6 Käuflich erworben bei http://www.omikron-online.de/cyberchem/ Sommer - Sonne - Sonnenbrand 9 Abb. 9 Reagenzglas mit 1-Propanol (links) und Extrakt eines Sonnenschutzmittels vor einem Leuchtschirm bei UV-Bestrahlung Versuch 3: Aufnahme von UV-Spektren der Extrakte Durchführung: Da an der Schule kein geeignetes Messgerät zur Verfügung steht, werden die UVSpektren der in Versuch 2 erhaltenen Extrakte von den Schülerinnen des Kurses an der Hochschule Vechta aufgenommen7. Gewählt wurde eine Wellenlängenbereich von 190 - 400 nm. Die erhaltenen Daten werden in häuslicher Arbeit mit Excel konvertiert. Daraus werden Absorptionsspektren erstellt. In der Literatur [5, S.117] stehen Vergleichsspektren zur Verfügung. Für verschiedene UV-Filter werden Absorptionsbereiche zwischen 280 und 320 bzw. in einem Fall 350 nm gemessen (s. Abb. 10). Diese Ergebnisse stimmen mit den von uns für andere UV-Filter erhaltenen weitgehend überein. Das zeigt, dass unsere Messungen vermutlich zuverlässig sind. Abb. 10 Absorptionsspektren von Sonnenfiltersubstanzen a) SoFiW, b) SoFiO, c)SoFiO Super, d) SoFiTix [5, S.117] 7 Wir bedanken uns herzlich bei Dr. Hans-Jörg Brauckmann vom Institut für Strukturforschung und Planung in agrarischen Intensivgebieten (ISPA) und seinen Mitarbeiterinnen für die Möglichkeit, die Messungen an der Hochschule durchführen zu können und für die Unterstützung bei den Messungen Sommer - Sonne - Sonnenbrand 10 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 100 Sofi-W 50 3 2,5 2 E[] E[] Sofi 0 Super 1,5 1 0,5 0 200 300 400 100 Wellenlänge [nm] 400 Nivea Sun LSF 8 6 5 4 E[] E[] 300 Wellenlänge [nm] Filtral Sonnencreme LSF 15 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 100 200 3 2 1 0 150 200 250 300 350 100 400 200 300 400 Wellenlänge [nm] Wellenlänge [nm] Dreaming Sun - Sonnenspray für Kinder Cien Beauty 5 4,5 5 4 4 3,5 E[] E[] 3 2,5 2 3 2 1,5 1 1 0,5 0 100 200 300 Wellenlänge [nm] 400 0 100 200 300 Wellenlänge [nm] 400 Sommer - Sonne - Sonnenbrand 11 Sun Ozon Sonnenmilch Vichy Capital Soleil 20 4 4,5 4 3,5 3 E[ ] E[ ] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 100 2,5 2 1,5 1 0,5 150 200 250 300 350 0 100 400 Wellenlänge [nm] 4,5 4 3,5 3 E[] E[] 400 Dreaming Sun Kinder Selbstbräuner Nivea Sun 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 100 200 300 Wellenlänge [nm] 2,5 2 1,5 1 0,5 200 300 Wellenlänge [nm] 400 0 100 200 300 400 Wellenlänge [nm] Abb. 11: Von uns erhaltene UV-Spektren verschiedener Extrakte aus Lichtschutzmitteln Ergebnis: Alle Proben zeigen eine ausgeprägte Absorption im UV-B-Bereich. Im UV-A-Bereich, im Wellenlängenbereich oberhalb von 320 nm, absorbieren nur einige der untersuchten Extrakte. Unter der Voraussetzung, dass in dem Extrakt alle UV-absorbierenden Substanzen enthalten sind, wären letztere Präparate weniger geeignet. Die genannte Voraussetzung ist aber schon deshalb nicht immer zutreffend, weil einige der Produkte zusätzlich mineralische Filter enthalten, die hier nicht erfasst sind. Insofern können wir uns zur Qualität der Produkte nur zurückhaltend äußern. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 1.4.2 12 Mineralische Filter - Fortschritt durch Nanotechnologie Organische Filtersubstanzen haben Nachteile. Lichtschutzfaktoren über 30, die gelegentlich erwünscht sind, werden mit ihnen nicht erreicht. Sie können in die Haut eindringen und unerwünschte Wirkungen entfalten. Einigen Substanzen wird nachgesagt, bisher unbewiesen, dass sie im Körper hormonähnliche Wirkungen entfalten können. Chemische Filtersubstanzen neigen dazu, sich in Hautfalten anzureichern und an exponierteren Hautstellen zu fehlen. All diese Nachteile entfallen bei mineralischen Filtern wie Zinkoxid. Dank der Nanotechnologie ist es heute möglich, Zinkoxidpartikel mit definierten, sehr kleinen Ausmaßen (80 - 100 nm) herzustellen. Wegen ihrer Kleinheit sind diese völlig unsichtbar. Je kleiner Partikel werden, desto stärker ähneln ihre Eigenschaften großen Molekülen. Ab einer bestimmte Größe absorbieren Nanopartikel ultraviolettes Licht. In Abbildung 12 werden Lösungen von CdTeNanopartikeln gezeigt, die abhängig von ihrer Größe mit unterschiedlichen Farben fluoreszieren. Je größer die Partikel, desto langwelliger wird die Fluoreszenzstrahlung. Ähnliche Phänomene findet man auch bei bestimmten Molekülen. Abb. 12 Fluoreszenz unterschiedlich großer CdTe-Nanopartikel. Mit anwachsender Teilchengröße von ca. 2 auf 5 nm geht die Fluoreszenzfarbe allmählich von Grün in Rot über.8 Vor allem aber reflektieren diese mineralischen Partikel das UV-Licht sehr effektiv. Sie sind so groß, dass sie nicht in die Haut eindringen, das macht sie besonders ungefährlich. Anders als chemische Filtersubstanzen sammeln sie sich auch nicht in Hautfalten. Sie sind darüber hinaus absolut fotostabil. Modernste Entwicklungen, die bereits realisiert sind, zielen darauf ab, diese Partikel in Fetttröpfchen oder Glaskügelchen9 - ebenfalls im Nano-Format - zu verpacken. Letzteres bietet die viel versprechende Möglichkeit, in den Glaskügelchen Substanzen miteinander zu kombinieren, die, z.B. wegen unterschiedlicher Löslichkeiten, ansonsten kaum kombinierbar wären. 8 9 http://www.chemie.uni-hamburg.de/broschuere/pc/pc10.html http://pb.merck.de/servlet/PB/menu/1062080/ Sommer - Sonne - Sonnenbrand 1.4.3 13 Einfache Experimente zur Wirksamkeit von Sonnenschutzmitteln Versuch 4: Nachweis der UV-Belastung bei Verwendung von Sonnenschutzmitteln mithilfe von UV-Perlen10 UV-Perlen verfärben sich bei Bestrahlung mit UV-A-Strahlen blau oder orange. das Ausmaß dieser Verfärbung kann als relatives Maß für die UV-Belastung dienen. Durchführung: Der Boden einer Kunststoffschale wird mit UV-Perlen bedeckt. darüber legt man eine schwarze Pappe. Diese Pappe enthält verschieden geformte Löcher, die mit einer Klarsichtfolie bedeckt sind. Die UV-Durchlässigkeit dieser Folie wurde in Vorversuchen festgestellt. Über den Löchern wird die Folie mit Lichtschutzpräparaten mit unterschiedlichen Lichtschutzfaktoren bestrichen. Der Ansatz wird für eine Minute dem Sonnenlicht ausgesetzt. Anschließend wird die Pappe entfernt und das Ergebnis sofort fotografiert. Abb. 13 Versuchsansätze zu Versuch 4, links oben ohne, rechts oben LSF 8, links unten LSF 12, rechts unten LSF 20. Im rechten Bild ist der Ansatz kurz nach Entfernen der Pappe zu sehen. Beobachtung: Unter der Öffnung, die nicht mit einem Lichtschutzmittel bestrichen ist, ist eine deutliche (in der Realität besser als auf dem Foto) sichtbare Verfärbung der Perlen festzustellen. Die mit Lichtschutzmittel bestrichenen Öffnungen ist die Verfärbung der UV-Perlen geringer. Versuch 5: UV-Pflaster - Warnung vor dem Sonnenbrand UV-Dosimeter, die jetzt im Handel als SUN TO SEE UV-Strips erhältlich sind, bieten die Möglichkeit, bei Sonnenaufenthalten die von der Haut aufgenommene Tagesdosis an ultraviolettem (UV-)Licht zu messen. Ist die verträgliche Tagesdosis erreicht, zeigt das Dosimeter durch Farbveränderung an, dass die Nutzerin bzw. der Nutzer sich aus der Sonne zurückziehen sollte. Damit wird das Hautkrebsrisiko durch Sonnenbrand drastisch eingeschränkt.11 Die UVStrips berücksichtigen auch die Wirkung von Sonnenschutzmitteln, denn das Sichtfenster wird wie die Haut mit dem verwendeten Sonnenschutzmittel eingecremt. Abb. 14 Handelspackung mit 12 UV-Strips 10 11 Bezug über das Ausbildungs- und Informationslabor für Biotechnologie von KölnPUB http://www.uv-signal.de/ Sommer - Sonne - Sonnenbrand 14 Durchführung: Auf dem Arm einer Schülerin werden vier UV-Strips untereinander aufgeklebt. Von oben nach unten werden die UV-Strips nicht (UV-Strip 1), mit LSF 8 (Strip 2), LSF 12 (Strip 3) und LSF 20 (Strip 4) eingecremt. Der Arm wird in die Mittagssonne gehalten. Abb. 15 Arm einer Schülerin mit UV-Strips wie in der Versuchsbeschreibung beschrieben nach 15 Minuten Sonne, 30 Minuten Sonne, 45 Minuten Sonne, Strips (ohne Arm) nach 120 Minuten Sonne Beobachtung: Es kommt zu der erwarteten blauen Verfärbung des Messfeldes. Sonnenschutzmittel schneller und stärker ausgeprägt. Diese ist ohne Deutung der Versuche 5 und 6: UV-Perlen und UV-Strips enthalten fotoaktive Substanzen, die auf UV-Bestrahlung mit Verfärbung reagieren. UV-Strips erlauben eine semiquantitative Beurteilung der UV-Dosis. 2 Künstliche Bräune von außen - Selbstbräunungsmittel 2.1 Was sind Selbstbräunungsmittel? Selbstbräunungsmittel sind kosmetische Zubereitungen, die zu einer Anfärbung der äußeren Hornhautschichten der Haut führen. Sie erfüllen diese Aufgabe ohne Aktivierung der Pigment bildenden Zellen der Haut. Die meisten Selbstbräunungsmittel enthalten Dihydoxyaceton (DHA) in einer Konzentration von 2-5%. DHA verbindet sich mit den Eiweißen und Aminosäuren in der Hornschicht und bildet braune Pigmente (Melanoide), welche die obere Hornschicht braun färben. Die abgestorbenen Hautschuppen werden schnell abgestoßen. die Bräunung hält daher nur wenige Tage. DHA dringt nicht in tiefere Hautschichten ein, Schädigungen der Haut sind nicht bekannt. DHA entzieht der Haut Feuchtigkeit. Um das auszugleichen, werden den Emulsionen reichlich Pflegestoffe zugesetzt. Und seit kurzem wird DHA auch mit einem anderen Zucker kombiniert, mit Erythrulose. Der Vorteil: Die Kombination trocknet weniger aus und sorgt für einen sehr natürlichen Hautton. Erythrulose reagiert zwar etwas langsamer als DHA, es dauert etwa zwei Tage, bis man etwas sieht - dafür hält die Tönung auch länger.12 12 http://www.brigitte.de/mode/beauty_trends/selbstbraeuner/?PAGE=4 Sommer - Sonne - Sonnenbrand 2.2 15 Dihydroxyaceton wirkt reduzierend Versuch 6: Fehling-Test mit Dihydroxyaceton Durchführung: In zwei Reagenzgläser werden jeweils Fehling-I und Fehling-II-Lösung gegeben. In eines der Reagenzgläser gibt man einige Tropfen einer 5%igen Dihydroxyacetonlösung. Abb. 16 Fehling-Test mit DHA (rechts) Beobachtung: Augenblicklich - also ohne das bei anderen Zuckern notwendige gelinde Erwärmen tritt die für reduzierende Zucker typische Bildung eines ziegelroten Niederschlages auf. Deutung: Dihydroxyaceton steht mit Glycerinaldehyd im Gleichgewicht. HO-CH2-CO-CH2-OH → HO-CH2-CHOH-CHO DHA → GA . Unter den in der Fehling-Testlösung vorliegenden alkalischen Bedinungen bildet sich schnell Glycerinaldehyd. Dieses reagiert mit dem Fehling-Reagenz unter Bildung von Glycerinsäure: 2 Cu2+ + HO-CH2-COH-CHO + 4 OH- → Cu2O + HO-CH2-CHOH-COOH + 2H2O Das System Dihydroxyaceton/Glycerinaldehyd ist offenbar wesentlich reaktiver als höhermolekulare Zucker. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 2.3 16 Versuche zur Wirkungsweise von Selbstbräunungsmitteln Versuch 7: Dihydroxyaceton bräunt Hähnchenhaut Auf der Haut eines Hähnchenschenkels wird mit einer 5%igen wässerigen Lösung von Dihydroxyaceton ein Kreuz markiert. Der Hähnchenschenkel wird im Kühlschrank aufbewahrt. Auch nach 24 Stunden ist keine Bräunung der markierten Stelle zu beobachten. Die Vermutung liegt nahe, dass dies durch die niedrige Aufbewahrungstemperatur bedingt ist. Um natürliche Hauttemperaturen zu simulieren, wird der Hähnchenschenkel für weitere 12 Stunden in einen Wärmeschrank bei 35 °C temperiert. Danach ist eine Bräunung der Haut eindeutig zu erkennen (Abb. 18). Wegen der extremen Geruchsbelästigung können wir diesen Versuch zur Nachahmung allerdings nicht empfehlen. Abb. 17: Hautpartie mit gebräuntem Kreuzmuster Versuch 8: Dihydroxyaceton reagiert mit Proteinen Die Vermutung liegt nahe, dass Dihydroxyaceton mit den Proteinen der oberen Hautschichten reagiert. Aus diesem Grunde wird ein zweites (weniger geruchsintensives) Modellexperiment entwickelt, mit dem diese Hypothese überprüft werden soll. In Petrischalen werden je zwei Proben verschiedener Proteine (Casein, Gelatine und Albumin) gefüllt. Je eine Probe bleibt unbehandelt, die andere wird mit 5%iger Dihydroxyacetonlösung versetzt. Die Petrischalen werden über Nacht bei 35 °C in den Wärmeschrank gestellt. Das folgend Foto zeigt das Ergebnis des Experimentes: Abb. 18: linke Petrischale: oben links: Casein unbehandelt, oben rechts mit DHA versetzt, unten links: Gelatine unbehandelt, unten rechts mit DHA versetzt, rechte Petrischale: oben links: Albumin unbehandelt, oben rechts mit DHA versetzt Beobachtung: Es ist zu erkennen, dass sich die mit DHA versetzten Proben jeweils deutlich braun gefärbt haben. Die unbehandelten Proben verfärben sich nicht. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 17 Deutung der Versuche 7 und 8: Auf der Haut findet die vor allem aus der Lebensmittelzubereitung bekannte Maillard-Reaktion statt. Die Maillard-Reaktion spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Aromastoffen und braunen Pigmenten in Lebensmitteln. Es handelt sich dabei um eine so genannte nicht-enzymatische Bräunungsreaktion, im Laufe derer Zucker, Aminosäuren, Peptide und Proteine zu heterozyklischen Endprodukten reagieren. Die Farbe gebackener, gebratener und gerösteter Lebensmittel ist auf die Bildung von rotbraunen bis schwarzbraunen Pigmenten zurückzuführen, die im Zuge der MaillardReaktion entstehen. Man nennt diese charakteristischen Pigmente auch Melanoide. Sie sind in Wasser und Säuren unlöslich, in Alkali aber löslich. Wie sich zeigen wird (Versuch 10) , waren die in unseren Experimenten entstandenen Melanoide aber zumindest zum Teil löslich in verdünnter Salzsäure. Im Zuge der Maillard-Reaktion entstehen in einer ersten Reaktionsphase aus Kohlenhydraten sehr reaktive, polyfunktionelle Zwischenprodukte, die in weiterer Folge zum Beispiel mit Aminosäuren und anderen Aminoverbindungen reagieren. Die hoch reaktiven Zwischenprodukte können eine Vielzahl von Folgereaktionen eingehen, wie Isomerisierungen, Dehydratisierungen, Redoxreaktionen und C-C-Spaltungen. Aus der großen Zahl an möglichen Reaktionen resultiert eine große Vielfalt an Maillard-Folgeprodukten. Typische Endprodukte sind Schwefelwasserstoff, Alkylmercaptane und Disulfide, die aus schwefelhaltigen Aminosäuren hervorgehen, sowie eine große Zahl an heterozyklischen Verbindungen: substituierte Pyrazine, Furane, Furanone, Pyranone, Thiofurane, Thiophene, Pyrrole, Oxazole, Thiazole, Pyrrolidine, Oxazoline und Thiazoline (einige Beispiel für typischen Maillard-Produkte)13. 2.4 Schützt Bräunung mit DHA vor UV-Strahlen ? Versuch 10: Absorptionsverhalten der Melanoide Abb. 19: Absorption der Melanoide 1 E[] Durchführung: Die aus dem Versuch 9 stammende Probe der braun gefärbten Gelatine wird fein zerkleinert und in einem Reagenzglas mit Salzsäure versetzt. Die Gelatine wird erwartungsgemäß hydrolysiert, löst sich und wir erhalten eine klare braune Lösung der enthaltenen Melanoide. Diese Lösung wird filtriert. Von dieser filtrierten Lösung wird am ISPA (Institut für Strukturforschung und Planung in agrarischen Intensivgebieten) ein UVSpektrum gemessen. 0,5 0 0 100 200 300 400 500 Wellenlänge [nm] Auswertung: Ohne, dass wir aufgrund unserer Untersuchungen quantitative Aussagen machen können, können wir festhalten, dass die Absorption im UV-Bereich insgesamt deutlich schwächer ist als die der Inhaltsstoffe der von uns untersuchten Sonnenschutzmittel und auch mit der des bei der durch Licht verursachten Bräunung entstehenden Melanins (s. Abb. 4) nicht vergleichbar ist. Das UVAbsorptionsspektrum der Melanoide (Abb. 20) zeigt, dass im Bereich der UV-A-Strahlung keine Absorption stattfindet. Daraus folgt, dass diese Art der künstlichen Bräune keinen oder nur einen geringen Schutz bietet. 13 http://www.oebvhpt.at/chemie/aroma/maillard.html Sommer - Sonne - Sonnenbrand 18 3 Künstliche Bräune von innen - Carotinoide 3.1 Selbstbräunung durch Carotinoide Wohl jedem von uns dürfte bekannt sein, dass Babys, wenn sie häufig mit Möhrengemüse gefüttert werden, eine typisch gelbbraune Hautfarbe entwickeln. Diese wird dadurch bedingt, dass die in den Möhren enthaltenen Carotinoide in das Unterhautfettgewebe eingelagert werden und besonders bei der dünnen Babyhaut durchscheinen. Bei Erwachsenen ist dieser Effekt zwar deutlich geringer, aber dennoch sind Selbstbräunungspillen auf dem Markt, die β-Carotin bzw. in den USA auch Canthaxanthin enthalten. Neben der Bräunung der Haut werden Carotinoiden andere positive Wirkungen zugeschrieben, die die Gefahren des Sonnenlichtes lindern sollen. Abb. 20: Untersuchte Präparate 3.2 Vorkommen von Carotinoiden in der Natur Als Carotinoide bezeichnet man eine umfangreiche Klasse von gelben bis rötlichen Farbstoffen, die vor allem in den Chromoplasten und Plastiden der Pflanzen, in Bakterien, aber auch in der Haut, in der Schale und im Panzer von Tieren sowie in den Federn oder im Eigelb der Vögel vorkommen, wenn die betreffenden Tiere mit ihrer Nahrung Abb. 21 Strukturen ausgewählter Carotinoide farbstoffhaltiges Pflanzenmaterial aufnehmen. Carotinoide mit Vorkommen im Tierreich sind ausschließlich pflanzlichen Ursprungs. Prominente Beispiele sind die Farbe des Eigelbs und der Hühnerküken. Meistens bestehen die Carotinoide aus ungesättigten Kohlenwasserstoffketten und deren Oxidationsprodukten. Carotinoide sind aus 8 Isopren-Einheiten aufgebaut. Man unterteilt sie in * Carotine, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind und * Xanthophylle, sauerstoffhaltigen Derivate der Carotine. Die Carotinoide gehören zu den sekundären Pflanzenstoffen, da sie nur in geringer Konzentration vorkommen. Sie haben dennoch große gesundheitliche Bedeutung, wie man jetzt immer besser erkennt. So haben die meisten von ihnen die Funktion von Antioxidantien, denen eine krebsvorbeugende Wirkung nachgesagt wird.14 14 http://de.wikipedia.org/wiki/Carotinoide Sommer - Sonne - Sonnenbrand 19 Versuch 11: Extraktion von Carotinoiden aus Nahrungsergänzungsmitteln und aus Pflanzen Durchführung: Kapseln und Tabletten der untersuchten Präparate werden mit Hexan geschüttelt. Die erhaltenen gelben Lösungen werden filtriert. Tomaten, Möhren und rote Paprika werden mit einem Stabmixer in Wasser fein püriert und mit Hexan geschüttelt. Die oberen Phasen werden nach einiger Zeit abgesaugt und filtriert. Für die weiteren Untersuchungen werden klare Lösungen erhalten. Abb. 22 Extrakte der Nahrungsergänzunsmittel und von frischen Möhren, Tomaten und roter Paprika Versuch 12: Chromatographie und Photometrie der Carotinoide Durchführung: Mit allen Proben werden chromatografische Untersuchungen durchgeführt. Dabei werden Kieselgelfolien Polygram Sil G/UV254. verwendet. Von uns werden viele verschiedene Laufmittelgemische getestet. Das beste Trennergebnis ergibt sich mit einem Laufmittelgemisch aus Petrolether 50/70 und Aceton im Volumenverhältnis 9:3. Abbildung 24 zeigt ein gelungenes Chromatogramm von Paprikafarbstoffen. Abb. 23 Chromatogramm der Paprikafarbstoffe Sommer - Sonne - Sonnenbrand 20 Die erhaltenen Farbstoffbanden werden anschließend vorsichtig abgekratzt und das Material mit wenig Aceton geschüttelt. Dabei lösten sich die Farbstoffe wieder vom Trägermaterial. Die gefärbten Lösungen werden filtriert und anschließend fotometrisch untersucht. Abb. 24 Aus dem Chromatogramm (Abb. 23) erhaltene Farbstofflösungen Als Beispiele seien hier nur drei der 10 Spektren dargestellt 300 400 500 300 600 400 700 500 300 400 600 500 600 700 Abb. 25 Absorptionsspektren der Farbstofflösungen der drei ersten Banden 700 Sommer - Sonne - Sonnenbrand 21 Versuch 13: Lokalisierung der Carotinoide in den Zellen der roten Paprika Eine nächste Frage besteht darin, festzustellen, wo und in welcher Form die fettlöslichen Carotinoide in pflanzlichen Zellen mit überwiegend wässerigem Milieu lokalisiert sind. Dazu werden mikroskopische Untersuchungen durchgeführt. Von roter Paprika und anderen Objekten werden mit Rasierklingen dünne Schnitte angefertigt und mikroskopiert. Die mikroskopischen Bilder werden mit einer Digitalkamera per Adapter durch den Tubus des Mikroskops fotografiert. Besonders eindrucksvolle Ergebnisse werden mit roter Paprika erhalten: Abb. 26: Rote Paprika unter dem Mikroskop (Bild aus dem Unterricht) Erkennbar ist, dass Paprikazellen rote Chromoplasten enthalten. Die fettlöslichen Carotinoide sind in diesen von Membranen begrenzten Zellorganellen lokalisiert. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 3.3 22 Carotinoide als ungesättigte Verbindungen Carotinoidmoleküle enthalten eine Reihe konjugierter Doppelbindungen. Diese sind einerseits Ursache der Farbigkeit von Carotinoiden, andererseits lassen sie sich durch elementares Brom angreifen. Die Reaktion von Carotinoiden mit elementarem Brom wird in drei Varianten untersucht. Versuch 14: Reaktion von Tomatensaft mit Bromwasser Durchführung: Ein Messzylinder wird mit verdünntem Tomatensaft gefüllt und mit einigen Millilitern Bromwasser überschichtet. Anschließend wird das Bromwasser leicht in den oberen Bereich des Tomatensaftes eingerührt. Abb. 27: Versuchsergebnis nach 10 Minuten (links), 20 Minuten (Mitte), 30 Minuten (rechts) Beobachtung: Zunächst ist eine leichte blaugrüne Verfärbung zu beobachten, die dann in grün und schließlich in gelb umschlägt. Im mittleren Bild sind drei Farbzonen (von oben nach unten gelb, grün, blau) zu erkennen. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 23 Versuch 15 : Reaktion von Tomatensaft mit Brom - Bromgewinnung durch Elektrolyse Ein U-Rohr wird mit einer Mischung von 50 % Tomatensaft und 50% Kaliumbromidlösung der Konzentration 1 mol/l gefüllt. Zwei Grafitelektroden werden eingehängt. Anschließend wird mit einer Gleichspannung von 5 V elektrolysiert. Abb. 28: Ergebnisse des Elektrolyseversuchs nach 2, 5, 10 und 15 Minuten (von oben links nach unten rechts) An der Kathode findet eine Gasentwicklung statt. An der Anode verfärbt sich der Tomatensaft über grün nach gelb. Deutung: Die Ergebnisse entsprechen denen, die bei der ersten Variante des Bromierungsversuchs erhalten werden. Die Bromentwicklung erfolgt hier jedoch elektrolytisch an der Anode. Das dort entstehende Brom wird teilweise an die im Tomatensaft enthaltenen Carotinoide addiert. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 24 Versuch 16: Reaktion von Tomatensaft mit Brom - Bromgewinnung durch chemische Reaktion In ein Becherglas werden 100 Milliliter Tomatensaft gefüllt. Dazu gibt man 100 Milliliter einer Lösung von Natriumbromat und Natriumbromid, jeweils in einer Konzentration von 1 mol/l. Dazu gibt man unter gleichmäßigem Rühren mit einem Magnetrührer einige Milliliter Salzsäure. Abb. 29: Ergebnisse des Experimentes nach 5 Minuten, 10 Minuten, 15 Minuten, 20 Minuten und 60 Minuten (von oben links nach unten rechts) Das eingesetzte Redoxsystem entwickelt bei niedrigen pH-Werten Brom nach folgendem Reaktionssymbol: BrO3- + 5 Br- + 6H+ → 3 Br2 + 3 H2O Das entstehende Brom wird wie bei beiden anderen Varianten des Versuchs an die im Tomatensaft enthaltenen Carotinoide addiert. Beobachtung: Wie in den beiden anderen Versuchen zu Bromaddition treten hier unterschiedliche Färbungen von rot über blau, grün und schließlich gelb auf. Vergleich der Varianten: U.E. ist die dritte Variante des Versuchs am geeignetsten. Die Farbänderungen sind am besten zu sehen und die Bromentwicklung erfolgt sehr kontrolliert und sicher. Ein Umgang mit elementarem Brom ist nicht notwendig. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 25 Deutung der Versuchsergebnisse der Versuche 14 - 16: Die Farbigkeit der Carotinoide beruht auf dem ausgedehnten System konjugierter Doppelbindungen. Das Mesomerimodell zur Erklärung der Farbigkeit besagt, dass die Lichtabsorption umso längerwellig ist, je ausgedehnter das mesomere System ist. Brom wird an die Doppelbindungen addiert, oder es bilden sich 1-Brom-2-hydroxyderivate des ß-Carotins. Dadurch wird das mesomere System partiell zerstört und die Lichabsorption verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen. Andererseits wirken Bromatome auxochrom, sie verschieben die Lichtabsorption zu längeren Wellenlängen. Die Bromlösung diffundiert langsam von oben nach unten in den Tomatensaft hinein. In den oberen Schichten liegt eine höhere Bromkonzentration vor. Der Grad der Bromierung nimmt von oben nach unten ab. Wellenlänge des Lichtes 350 - 400 nm 400 - 435 nm 435 - 480 nm 480 -490 nm 490 - 500 nm 500 - 560 nm 560 - 580 nm 580 - 595 nm 595 - 605 nm 605 - 750 nm Farbe des Lichtes Ultraviolett violett blau grünblau blaugrün grün gelbgrün gelb orange rot Komplementärfarbe gelbgrün gelb orange rot purpur violett blau grünblau blaugrün Tabelle: Wellenlänge und Lichtfarbe Die Tabelle verdeutlicht, dass die ursprüngliche blaue Färbung auf Absorption im Wellenlängenbereich von ca. 435 bis 480 nm beruht. Der zunächst auftretende blaue Farbstoff absorbiert bei etwa 580 nm - 595 nm, also langwelliger. Hier dürfte zunächst die auxochrome Wirkung des Broms dominieren. Wir nehmen an, dass die anschließend auftretende gelbgrüne Färbung auf dem gleichzeitigen Vorhandensein von gelben und blauen Farbstoffen beruht. die Gelbfärbung beruht auf einer kurzwelligeren Absorption bei 400 - 480 nm. hier dürfte sich die Verkleinerung des mesomeren Systems stärker auswirken. 3.4 Carotinoide als Radikalfänger Die Auswirkungen freier Radikale im Körper sind in der Abbildung 30 übersichtlich dargestellt: Freie Radikale entstehen zum Beispiel bei der Atmung. Jedes Lebewesen produziert bei der Atmung freie Radikale. Freie Radikale entstehen, wenn einem Molekül einzelne Elektronen entrissen werden. Radikale beheben ihren Elektronenmangel, indem sie ihrerseits anderen Molekülen Elektronen entreißen und diese dadurch zu Radikalen machen. Über derartige Kettenreaktionen breiten sich Radikale im Körper aus. Sie greifen dabei unter anderem Proteine an und können letztlich Krankheiten bis hin zu Krebserkrankungen auslösen. Antioxidantien, wie bestimmte Vitamine oder Carotinoide, unterbrechen diese Kettenreaktion, indem sie Elektronen an Radikale abgeben, ohne selbst aggressive Radikale zu bilden (s. Abb. 30). In Maßen haben freie Radikale positive Auswirkungen auf die Gesundheit. Sie können z.B. Krankheitserreger abtöten. Wenn jedoch der Anteil freier Radikale im Körper, wie bei vielen Menschen der westlichen Industrieländer (s. Abb. 31: Umweltbedingte Quellen freier Radikale), zu hoch wird, verursachen sie einen oxidativen Stress und wirken zerstörerisch auf Zellbestandteile. Hohe Konzentrationen von Radikalen in unserem Körper beschleunigen den Alterungsprozess. Mit Antioxidantien, die vor allem in Früchten vorkommen, kann man den Alterungsprozess verlangsamen. Sommer - Sonne - Sonnenbrand 26 Abb. 30 Freie Radikale – Entstehung und Wirkung [2, S.98] Sommer - Sonne - Sonnenbrand 27 UVStrahlen Lösungsmittel Mykotoxine Rauchen und Alkoholkonsum Schwefeldioxide Medikamente z.B. Zytostatika, Pille Schwermetalle z.B. Hg, Cd, Pb, Pd Pestizide z.B. DDT Dioxine, Furane Stickoxide Radioaktivität Abb. 31: Umweltbedingte Quellen freier Radikale (eigene Erstellung, Alicia Siebold, Schülerin) Bei vielen Nahrungsergänzungsmitteln , die Carotinoide enthalten, sind Bezeichnungen wie "SonnenVitamine" oder "Sonnen-Drink" zu lesen. Die Einnahme dieser Präparate wird u.a. vor Urlaubsreisen in den Süden empfohlen, um dem durch erhöhte UV-Belastung auftretenden oxidativen Stress zu vorzubeugen. Diese Ratschlag ist zumindest umstritten, da Studien die Wirksamkeit dieser Präparate in Frage stellen. In wissenschaftlichen Untersuchungen war bei Rauchern, die täglich mit βCarotinpräparaten versorgt wurden, sogar eine höhere Lungenkrebsrate festgestellt worden als bei unbehandelten Vergleichsgruppen15. Eine mögliche Erklärung für dieses unerwartete Phänomen wäre, dass das massive Angebot an β-Carotin die Aufnahme von noch wirksameren Radikalfängern, wie etwa Lycopin aus Tomaten, behindert. Unbestritten bleibt jedoch, dass eine natürlich Aufnahme von Carotinoiden mit der Nahrung in jedem Fall positive Auswirkungen hat. Besonders das in Tomaten enthaltene Lycopin gilt als außerordentlich wirksamer Radikalfänger. 15 http://www.wer-weiss-was.de/theme49/article1212240.html Sommer - Sonne - Sonnenbrand 28 Versuch 17: Carotinoide als Radikalfänger Durchführung: 0,22 g Tetraiodethen werden unter leichtem Erwärmen auf 45°C in in 40 ml n-Heptan gelöst. Eine β-Carotin-Kapsel wird in 20 ml Heptan gelöst. Die Kapsel enthält 4 mg Carotin. erhaltenen Lösung hat dann eine Carotinkonzentration von etwa 4 mg/20 ml. Weiterhin werden für diesen Versuch ein Heptanextrakt von Tomaten eingesetzt. Drei Petrischalen werden auf einem Tageslichtprojektor platziert und zunächst mit der Tetraiodethenlösung gefüllt. Anschließend gibt man gleichzeitig in die Petrischalen 5 Milliliter der Carotinlösung (Petrischale 1) bzw. 5 Milliliter des Tomatenextraktes in Heptan (Petrischale 2) und schaltet die Beleuchtung ein. Versuchsergebnisse: Abb. 32 Petrischalen 1 (oben links), 2 (unten) und 3 (rechts) Bei Versuchsbeginn (links) nach 15 Minuten (Mitte) und nach 45 Minuten (rechts) Beobachtung: Die Carotinoidlösungen sind zu Beginn leicht gelborange gefärbt, die reine Tetraiodethenlösung ist farblos. Nach 15 Minuten hat sich die reine Tetraiodethenlösung ohne Carotinoidzusatz rotviolett gefärbt. Bei den beiden Lösungen mit Carotinoidzusätzen tritt die rotviolette Verfärbung nach 45 Minuten ebenfalls auf, wird aber durch die Eigenfarbe der Carotinoide teilweise überdeckt. Deutung: Bei Belichtung bilden sich durch Zerfall des Tetraiodethans zunächst Iodradikale. Diese vereinigen sich ohne Anwesenheit von Carotinoiden sofort zu Iodmolekülen. Die rotviolette Färbung wird durch gelöstes elementares Iod verursacht. Carotinoide binden Iodradikale. Sie fungieren als Radikalfänger. Da Tetraiodethen im Überschuss eingesetzt wird und die Bestrahlung auch dazu führt, dass Iodradikale aus den Carotinoidmolekülen wieder freigesetzt werden, kommt es nach längerer Versuchsdauer auch bei Anwesenheit der Carotinoide zur Iodbildung und damit zur Violettfärbung. Carotinoide verzögern diese jedoch.16 16 http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/alte_seite_du/material/carotin/carver.html#7 Sommer - Sonne - Sonnenbrand 3.5 29 Braun durch Obst und Gemüse ? Wenn die Carotinpräparate zu einer Hautbräunung führen, dann sollte dies auch mit den in der normalen Nahrung enthaltenen Carotinoiden erreichbar sein. Zunächst versuchen wir zu ermitteln, welche Konzentrationen an Carotinoiden in Nahrungsmitteln enthalten sind. Hier wird das Beispiel der Möhre dargestellt: Versuch 18: Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Konzentration und Extinktion einer β-Carotinlösung und Besitimmung des Carotingehaltes in Möhren Durchführung: In einer Verdünnungsreihe (siehe folgende Tabelle) werden ausgehend von einer Stammlösung des Farbstoffes Carotin Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen hergestellt. Anschließend werden mit einem Photometer die Extinktionswerte der Lösungen bei einer Wellenlänge von 480 nm ermittelt. Die Stammlösung wird durch Auflösen einer Carotinkapsel mit einem βCarotingehalt von 4,8 mg in 100 ml Aceton hergestellt. Volumen der CarotinStammlösung [ml] Volumen Aceton [ml] Carotinkonzentration der erhaltenen Lösung [mg/l] Extinktion [ ] 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 0 48 38.4 28.8 19.2 9.6 0 0.754 0.696 0.658 0.608 0.51 0 Bestimmung des Carotingehaltes in Möhren: Eine Möhre wird fein geraspelt. Die Raspel werden genau gewogen und mit 50 ml Aceton geschüttelt, bis sie sich entfärbt haben. Anschließend wird filtriert und die Extinktion der Carotinlösung bei 480 nm bestimmt. Masse der Möhrenraspel [g] Extinktion [ ] β-Carotin-Konzentration [mg/L] 1 2 4 6 0,31 0,470 0,563 0,608 5,5 8,5 11,5 17,0 Sommer - Sonne - Sonnenbrand 30 E/c-Diagramm für Carotin 0,8 0,7 0,6 E[] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 10 20 30 40 50 60 c (Carotin) [mg/l] Abb. 33 Zusammenhang zwischen Konzentration und Extinktion einer β-Carotinlösung Messung 1: Einwaage an Möhrenraspel: 6 g, erhalten: 50 ml Carotinlösung mit einem Carotingehalt von 17 mg/l, entspricht einer Carotinmasse von 17 mg/l • 0.05 l = 0.85 mg in 6 g Möhre entspricht einem Carotingehalt von 14,2 mg pro 100 g Möhre. Entsprechend ergeben die anderen Messungen Carotingehalte von 27.5 mg/100g, 21.25 mg/100 g, und 14,4 mg/100g. Wir gehen für unsere folgenden Überlegungen von einem Carotingehalt von 20 mg/100 g Möhre aus. (Literaturvergleiche zeigen, dass der tatsächliche Gehalt vermutlich etwas geringer ist.) Empfohlen wird (von den Herstellern der von uns untersuchten Carotinkapseln) die Einnahme einer Carotinkapsel pro Tag. Das entspricht einer zusätzlichen täglichen Aufnahme von 48 mg Carotin. Wollte man diese β-Carotinmenge ausschließlich durch Möhren decken, müsste man täglich 240 g Möhren verzehren. Wir halten das für machbar. In einer Studie haben Düsseldorfer Wissenschaftler nachgewiesen, dass auch gängige Nahrungsmittel einen Sonnenschutz bewirken können. In Tomaten ist das Carotinoid Lycopin hochkonzentriert enthalten. Versuchspersonen verzehrten zehn Wochen lang 40 g Tomatenpaste täglich. Ihre Sonnenbrand-Empfindlichkeit nahm ähnlich ab wie unter Gabe von Beta-Carotin. Der Lichtschutzfaktor lag bei etwa 2 bis 3.17 17 http://www.aerztlichepraxis.de/aktuell/artikel/1080129588/gesundheitszeitung/ernaehrung http://www.netzeitung.de/genundmensch/159049.html Sommer - Sonne - Sonnenbrand 3.6 31 Lichtempfindlichkeit der Carotinoide Versuch 19 Photochemischer Abbau von ß-Carotin auf Filterpapier Wir geben β-Carotinlösung auf Filterpapier und lassen den Farbstoff eintrocknen. β-Carotin wird dadurch auf dem Filterpapier gleichmäßig fixiert. Das getrocknet Filterpapier ist einheitlich gelborange gefärbt. Anschließend legen wir unterschiedliche gefärbte Farbgläser aus die Filterpapiere und setzen die Proben intensiver Sonnenbestrahlung aus. das Foto zeigt das Aussehen der Proben nach mehrstündiger Bestrahlung vor und nach Entfernen der Alufolie bzw. der Farbgläser: Abb. 34 Filterpapiere nach mehrstündiger Bestrahlung mit Sonnenlicht Beobachtung: Die ungeschützten Stellen sind völlig ausgebleicht. Unter der Alufolie ist die Färbung unverändert, ebenfalls unter den Farbgläsern. Unter dem blauen Farbglas hat sich ein leichte Entfärbung eingestellt. Deutung: Die Carotinmoleküle werden durch Licht angeregt. Es kommt zu chemischen Reaktion angeregter ß-Carotin-Moleküle. Es gibt mehrere Reaktionsmöglichkeiten: trans-cis-Isomerisierungen und Cycloadditionen in und zwischen ß-Carotin-Molekülen, Peroxid- und Hydroperoxid-Bildung unter Beteiligung des Sauerstoffs aus der Luft, sowie Fragmentierung des ß-Carotins unter Bildung von Carbonylverbindungen ähnlich wie bei der Ozonolyse. Es ist auch nicht auszuschließen, dass angeregte ß-Carotin-Moleküle mit dem Trägermaterial Cellulose reagieren. Eine entsprechende Reaktionsfolge könnte beispielsweise mit der Abstraktion eines H-Atoms durch ein angeregtes ßCarotin-Molekül aus der Cellulose beginnen. Unter den aufgezählten Reaktionswegen gibt es mehrere, die zur Unterbrechung des konjugierten π-Systems im ß-Carotin-Molekül führen. Die höhere photochemische Empfindlichkeit des ß-Carotins bei Blaulicht gegenüber Rotlicht ist darauf zurückzuführen, dass die Absorptionsmaxima von ß-Carotin eben genau in diesem, dem kurzwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums liegen.18 18 http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/alte_seite_du/material/carotin/carver.html#6 Sommer - Sonne - Sonnenbrand 32 Versuch 20: Fotoprotektion Photoprotektion von Blattextrakten mit ß-Carotin Durchführung: Brennnesselblätter werden mit Aceton und etwas Seesand gemörsert. Anschließend wird filtriert. 5 ml dieser Lösung werden mit 1 ml gesättigter ß-Carotin-Lösung in Heptan versetzt. Eine Küvette wird mit dieser Lösung gefüllt, eine zweite mit Efeuextrakt ohne ß-Carotin-Zusatz. Beide Küvetten werden gleichzeitig aus kurzer Entfernung mit dem Licht des Diaprojektors zehn Minuten lang bestrahlt. Danach werden die beiden bestrahlten Proben und der unbestrahlte Brennnesselextrakt dünnschichtchromatographisch aufgetrennt.19 1 2 3 4 Abb. 35 Chromatogramm der eingesetzten Proben: links mit Carotinzusatz nach Bestrahlung, Mitte ohne Carotinzusatz nach Bestrahlung, rechts mit Carotinzusatz ohne Bestrahlung Beobachtung: Es sind kaum Veränderungen festzustellen. Im unbestrahlten Ansatz mit Carotinzugabe ist naturgemäß die β-Carotinbande (1) ausgeprägter. Die Chlorphyll a- und Chlorphyll b-Banden sind in allen Ansätzen praktisch gleich. Lediglich die Bande 2, die vermutlich durch ein Xanthophyll verursacht wird, ist nach Bestrahlung deutlich schwächer, besonders in dem Fall, in dem kein Carotin zugesetzt ist. Trotz Carotinzugabe ist die Carotinbande im bestrahlten Ansatz nicht so ausgeprägt wie im unbestrahlten Ansatz. Deutung: Carotin verhindert die oxidative Zerstörung der Blattpigmente. Vermutlich beruht dieser Effekt auf dem Abfangen von durch Belichtung entstehenden freien Radikalen. Carotin selbst wird dabei zerstört. 19 Vorschrift nach http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/alte_seite_du/material/carotin/carver.html#6 Sommer - Sonne - Sonnenbrand 3.7 33 Braun durch Eier - ein Exkurs Bereits in vorangegangenen Arbeiten hatte sich Schülerinnen diese Kurses mit Carotinoiden beschäftigt. Unter anderem wurden Carotinoide in Eidottern untersucht. Diese Carotinoide werden heute in definierter Menge (außer bei "Bio-Eiern") dem Hühnerfutter beigemischt. Dadurch wird ein definierter Farbton erreicht, den die Bundesbürger laut Umfragen bevorzugen. Wir wollten in Erfahrung bringen, ob diese Vorliebe international einheitlich ist und hatten eine weltweite Umfrage über das Internet geplant. Dazu wurde ein Testbogen entwickelt. Die Umfrage scheiterte letztlich daran, dass es nicht möglich war, Bildschirmeinstellungen so zu beeinflussen, dass überall gleiche Farbtöne entstanden. Aber eine unserer Schülerinnen führte während ihres Amerikaaufenthaltes eine Umfrage durch und kam zu dem Ergebnis, dass auch die Amerikaner einen Farbfächerwert von 12 bevorzugen. Angesichts der hier vorliegenden Arbeit ließe sich heute vielleicht vermuten, dass der damit verbundene hohe Carotinoidgehalt gesundheitlich positive Auswirkungen haben könnte. Allerdings wird dem Hühnerfutter häufig das Carotinoid Canthaxanthin zugesetzt, dessen gesundheitliche Bewertung umstritten ist. Abb. 36 Farbmuster zur Identifizierung der Dotterfarbe Abb. 37 Schülerinnen entwickeln einen Testbogen, nächste Seite: Testbogen zur Ermittlung von Präferenzen bei der Dotterfarbe von Hühnereiern Sommer - Sonne - Sonnenbrand 34 Abb. 38 Testbogen zur Ermittlung der bevorzugten Dotterfarbe Sommer - Sonne - Sonnenbrand 35 Schlusswort und Fazit: Wir glauben, dass wir mit unserem Thema das Glück hatten, auf ein sehr aktuelles und wichtiges Gebiet gestoßen zu sein. Abgesehen von der inhaltlichen Wichtigkeit der Themen bietet das Gebiet sehr vielfältige Möglichkeiten zu eigenen Experimenten. Es vergeht kaum eine Woche, in der nicht in Tageszeitungen, Fernsehsendungen oder in der Fachpresse auf die Gefahren übermäßigen Sonnenbadens hingewiesen wird. Angesichts der voranschreitenden Zerstörung der Ozonschicht und der auch damit verbundenen erhöhten Strahlenbelastung wird ein vernünftiges Verhalten beim Sonnen immer wichtiger und angesichts der steigenden Zahlen neuer Hautkrebsfälle zu einem gesundheitspolitischen Thema. Auch die Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung warnt eindringlich vor zu intensiven Sonnenbädern. Künstliche Bräune durch Selbstbräunungsmittel ist als solche gesundheitlich völlig unbedenklich. Diese darf aber nicht zu der trügerischen Ansicht führen, die künstlich vorgebräunte Haut sei nun unempfindlicher gegenüber dem Sonnenlicht. Carotinoide können helfen, die von freien Radikalen ausgehenden Gefahren zu mindern. Mit Nahrungsergänzungsmitteln zugeführt sind positive Effekte sehr in Frage zu stellen. Nachweislich wirksamer sind Carotinoide, wenn sie im Rahmen einer gesunden Ernährung als normale Nahrungsbestandteile, z.B. von Tomaten, Paprika oder Möhren, aufgenommen werden. Sonnenschutzmittel bieten einen relativen Schutz. Allerdings können trügerische Versprechungen oder unsachgemäße Anwendung zu zusätzlichen Risiken führen, wenn Sonnenbäder stark ausgedehnt werden. Es ist zu erwarten, dass neuartige Entwicklungen, z.B. mit enthaltenen Reparatursystemen, diese Gefahr noch verstärken. "Meine Damen und Herren der Abschlussklasse 1997, benutzt Sonnenschutz", begann Kolumnistin Mary Schmich eine Rede, die in der Chicago Tribune erschien und sogar vertont wurde. "Die langfristigen Vorteile sind durch Wissenschaftler bewiesen. Meine restlichen Vorschläge beruhen lediglich auf Erfahrung." Es folgen nette Weisheiten wie "Hebt Eure alten Liebesbriefe auf, schmeißt die Kontoauszüge weg." "Schont Eure Kniegelenke, Ihr werdet sie vermissen, wenn sie kaputt sind." Sie schloss: "Seid vorsichtig, wessen Ratschläge Ihr annehmt. ... Doch den einen nehmt an: Sonnenschutz!"20 Abb. 39: Der Kurs am ISPA 20 http://www.wissenschaft-online.de/spektrum/index.php?action=rubrik_detail&artikel_id=6143 Sommer - Sonne - Sonnenbrand 36 Verwendete Literatur: Printmedien [1] D.C. Dreesmann, UV-Strahlung ist überall. Unterricht Biologie 292, 02/2004 [2] C. Gottschling, Vitamine gegen Krebs. Focus 5/1994, S. 94- 98 [3] G. Jablonski, N. Chaplin, Die Evolution der Hautfarben. Spektrum der Wissenschaft 6/2003 [4] H. Langhals, K. Fuchs, Chemie am Strand - Sonnenstrahlung, Hautreaktionen und Sonnenschutz. ChiuZ 2/2004 [5] J. Pütz, C. Niklas: Schminken, pflegen, schönes Haar. vgs, Köln, 1991 Internetadressen sind bei den Fußnoten genannt. Eine Ausnahme soll bei folgender Internetadresse von Prof. Dr. M. W. Tausch gemacht werden, weil dieser sehr viele Anregungen und Versuchsvorschriften für Experimente zu den Carotinoiden entnommen wurden: http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/alte_seite_du/material/carotin/home.html An den Untersuchungen waren beteiligt: Martin Ratermann (Fachlehrer), Julia Aulike, Ann-Katrin Harting, Caroline Honkomp, Kristina Kliesch, Mareike Klostermann, Eva-Maria Lüers, Katrin Seelhorst, Alicia Siebold, Ruth Themann, Anna Zumbrägel, Luzia Sommer, Sabrina Musolf Anschrift des Verfassers: Martin Ratermann Liebfrauenschule Vechta Marienstr. 4 49377 Vechta e-mail: [email protected]