Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Metal binding in eumelanin- A study on coordination of copper and zinc in modern eumelanin from Sepia officinalis and in Jurassic eumelanin from Loligosepia

Jonsson, Edit LU (2020) KEML10 20201
Mathematical Statistics
Department of Chemistry
Abstract
Melanin is a group of pigments present in almost all kingdoms of life. It has many interesting properties such as high fossilizing potential and the ability to chelate metals. The binding of metal ions is believed to have two major functions within biological systems: metal reservoir and metal scavenger. However, eumelanin’s chemical structure is still unknown and there is a knowledge gap regarding the enrichment and coordination of metals. Furthermore, due to the preservation of the pigment’s chemical properties over hundreds of millions of years, it is potentially possible to extract information about animals and their life via spectroscopic methods. In this study we investigated eumelanin extracted from Sepia officinalis doped with... (More)
Melanin is a group of pigments present in almost all kingdoms of life. It has many interesting properties such as high fossilizing potential and the ability to chelate metals. The binding of metal ions is believed to have two major functions within biological systems: metal reservoir and metal scavenger. However, eumelanin’s chemical structure is still unknown and there is a knowledge gap regarding the enrichment and coordination of metals. Furthermore, due to the preservation of the pigment’s chemical properties over hundreds of millions of years, it is potentially possible to extract information about animals and their life via spectroscopic methods. In this study we investigated eumelanin extracted from Sepia officinalis doped with Cu(II)- and Zn(II)-ions, and the possible metal content in eumelanin from a Jurassic fossil (Loligosepia), with the aim to learn more about the structure and binding sites of copper and zinc. In order to shed light on the binding properties of metals in different kinds of eumelanin we applied x-ray absorption spectroscopy. Our results indicate that the present porphyrin-ring-based model of eumelanin, is insufficient and that divalent zinc has at least two binding sites. In addition, we concluded that synthetic eumelanin is not a good representative for natural eumelanin. Apart from this we found that copper was present in the ancient pigment and therefore the method can be applied to identify the presence of metals in fossils. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Melaniner är en grupp pigment som förekommer hos en rad olika organismer tillhörande växter, djur och bakterier. Människor har melanin i huden, vilket skyddar mot solens farliga UV-strålning, men även i ögonen, hjärnan, inneröronen, håret, och i vissa organ. Melaniner kan delas upp i eumelanin, som har en brun till svart färg, och feomelanin, med en gul till röd färg. Det är bland annat andelen av eumelanin och feomelanin som avgör vilken hårfärg man har.

Förutom att skydda mot farlig strålning så har melaniner också i uppgift att binda metalljoner som kan skada kroppen (tex koppar), och fungera som en reservoar för metaller som är viktiga i kroppen, (tex zink). Melaninet som finns hjärnan har bland annat i uppgift att reglera... (More)
Melaniner är en grupp pigment som förekommer hos en rad olika organismer tillhörande växter, djur och bakterier. Människor har melanin i huden, vilket skyddar mot solens farliga UV-strålning, men även i ögonen, hjärnan, inneröronen, håret, och i vissa organ. Melaniner kan delas upp i eumelanin, som har en brun till svart färg, och feomelanin, med en gul till röd färg. Det är bland annat andelen av eumelanin och feomelanin som avgör vilken hårfärg man har.

Förutom att skydda mot farlig strålning så har melaniner också i uppgift att binda metalljoner som kan skada kroppen (tex koppar), och fungera som en reservoar för metaller som är viktiga i kroppen, (tex zink). Melaninet som finns hjärnan har bland annat i uppgift att reglera järnbalansen och tros ha en koppling till Parkinsons sjukdom. Hur de olika metalljonerna binder in till melanin är dock fortfarande okänt.

Man vet fortfarande inte hur melaninernas molekylära strukturer ser ut, trots att de är så allmänt förekommande. Detta kommer sig av att de har en rad olika kemiska och fysikaliska egenskaper som gör det svårt att utföra mätningar på dem. Tidigare har forskare på teoretisk väg hittat ett förslag på en molekylär struktur för eumelanin, innehållande en så kallad porfyrin-liknande ring, bestående av fyra kväveatomerna. En annan väg som flertalet andra forskare tagit, för att lära sig mer om pigmentet, är att på syntetisk väg försöka tillverka eumelanin. Det har dock varit okänt hur väl naturligt och syntetiskt eumelanin stämmer överens.

En tredje användbar metod är röntgenabsorption-spektroskopi. Där skjuts röntgen-strålar med olika energier på provet så att vissa elektroner exciteras. Eftersom elektronerna bara kan ha vissa energier kommer ljuset som absorberas motsvara skillnaderna i energinivåerna som elektronerna kan ha. Alltså kan man få veta mer om molekylen utifrån absorptionsspektrumet. Denna metod användes i vår studie för att lära oss mer om eumelanin, både om dess struktur och dess inbindning av metaller.

Vi mätte på eumelanin i bläcket från bäckfiskarten sidensepia, och även på eumelanin där koppar- och zinkjoner tillsatts. Spektrumen från mätningarna jämfördes med referensmolekyler med en känd struktur, liknande förslaget innehållande en porfyrin-liknande ring. Från dessa mätningar kunde vi dra slutsatsen att den förslagna molekylstrukturen inte stämmer, samt att syntetiskt eumelanin inte är en bra modell för naturligt eumelanin. Dessutom visade mätningarna att zinkjoner bindas in på åtminstone två olika ställen i eumelanin varav ett är till syreatomer. Kopparjoner visade sig däremot binda till kolatomer. Dessa nya kunskaper kan ses som ett steg för att förstå den biologiska funktionen av eumelanin, vilket på sikt kan användas för att behandla melanin-relaterade sjukdomar, så som Parkinson.

En annan mycket intressant egenskap hos melanin är att det har en hög fossiliseringspotential, vilket leder till att pigmentet kan behålla sina kemiska egenskaper under flera hundra miljoner år. Det kan jämföras med DNA som högst bevaras i några hundra tusen år. Mätningar på fossilt melanin kan därför användas för att få reda på mer om djur som levde för mycket länge sedan. Vi utförde mätningar på koppar i fossilt eumelanin från en 180 miljoner år gammal bläckfisk. Mätningarna visade att koppar är närvarande, och att det möjligtvis binder på samma sätt som i modernt eumelanin. Denna upptäckt öppnar för möjligheten att använda röntgenabsorptionsspektroskopi som metod för att ta reda på mer om metallinnehållet i fossilt melanin. Kunskaperna om detta skulle till exempel kunna användas för att lära sig om enskilda djurs levnadsätt, hitta släktskap mellan arter och förstå melaninets evolution bättre. Om mätningarna dessutom skulle utföras på fossiler från olika tidsåldrar finns det potential att förstå förändringar i jordens klimat bättre. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Jonsson, Edit LU
supervisor
organization
course
KEML10 20201
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Ancient melanin, Eumelanin, NEXAFS, Pigment, Soft x-ray spectroscopy, Trace metals, Chemical Physics, Kemisk fysik
language
English
id
9018475
date added to LUP
2020-06-18 13:04:14
date last changed
2020-06-18 13:04:14
@misc{9018475,
  abstract     = {{Melanin is a group of pigments present in almost all kingdoms of life. It has many interesting properties such as high fossilizing potential and the ability to chelate metals. The binding of metal ions is believed to have two major functions within biological systems: metal reservoir and metal scavenger. However, eumelanin’s chemical structure is still unknown and there is a knowledge gap regarding the enrichment and coordination of metals. Furthermore, due to the preservation of the pigment’s chemical properties over hundreds of millions of years, it is potentially possible to extract information about animals and their life via spectroscopic methods. In this study we investigated eumelanin extracted from Sepia officinalis doped with Cu(II)- and Zn(II)-ions, and the possible metal content in eumelanin from a Jurassic fossil (Loligosepia), with the aim to learn more about the structure and binding sites of copper and zinc. In order to shed light on the binding properties of metals in different kinds of eumelanin we applied x-ray absorption spectroscopy. Our results indicate that the present porphyrin-ring-based model of eumelanin, is insufficient and that divalent zinc has at least two binding sites. In addition, we concluded that synthetic eumelanin is not a good representative for natural eumelanin. Apart from this we found that copper was present in the ancient pigment and therefore the method can be applied to identify the presence of metals in fossils.}},
  author       = {{Jonsson, Edit}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Metal binding in eumelanin- A study on coordination of copper and zinc in modern eumelanin from Sepia officinalis and in Jurassic eumelanin from Loligosepia}},
  year         = {{2020}},
}