Langweilig oder spannend? Eine Reise durch die Fettsäure-Chemie der Haut

Zu den ersten Hautpflegemitteln der sich entwickelnden menschlichen Kultur gehörten neben Wasser und Milch vor allem tierische und pflanzliche Fette, Öle und Wachse. Sie schützten die Haut vor Kälte und Austrocknung sowie gegen Stoffe und Mikroorganismen aus der Umwelt. Darüber hinaus lieferten sie das Bindemittel zur Hautbemalung für kriegerische und dekorative Zwecke. 

Triglyceride – die physiologische Quelle der Fettsäuren

Verwendungen in dieser ursprünglichen Form gibt es heute praktisch nicht mehr. Stattdessen werden Hautpflegeprodukte angeboten, deren tatsächlichen Fettgehalt man aus der umfangreichen INCI-Deklaration nur erahnen kann. Das unmittelbare Interesse an reinen Fettstoffen ist verloren gegangen – Ausnahmen sind ihre Verwendung als Massageöle¹ oder in der Babypflege². Selbst für die meisten Chemiker sind Fettstoffe auf den ersten Blick eine unansehnliche und zu einfache Materie, um sich damit im Detail zu beschäftigen.
In der Tat sind pflanzliche und tierische Fette und Öle prinzipiell recht einheitlich aufgebaut, handelt es sich doch dabei neben einigen Begleitstoffen hauptsächlich um Triglyceride langkettiger Fettsäuren (Abb. 1).

Abb. 1: Struktur von Triglyceriden; R¹, R², R³ = C_mH_n

Pflanzliche Wachse können wie die Triglyceride fest und flüssig sein. Neben weiteren Komponenten enthalten sie keine Ester von Fettsäuren mit Glycerin, sondern mit meist längerkettigen Alkoholkomponenten. Beispiel für ein flüssiges Wachs ist das Jojobaöl, das aus den Samen der Pflanze Simmondsia chinensis (Jojoba) gewonnen wird, einem Strauch, der in Südarizona, Südkalifornien und Nordwestmexiko beheimatet ist. Ein festes tierisches Wachs ist der Walrat alias Spermaceti aus einem Organ im Kopf von Pottwalen, der unter anderem aus Estern der Palmitinsäure mit Hexadecanol und Oleylalkohol besteht.
Die Eigenschaften der Triglyceride sind naturgemäß vom Charakter der Fettsäuren abhängig, deren Kettenlänge (m) variieren kann und deren Reste R¹, R² und R³ gesättigt oder ungesättigt sind. Feste Triglyceride werden als Fette, flüssige als Öle bezeichnet.
Der Körper ist an den Umgang mit Triglyceriden seit jeher gewohnt. Sie sind physiologische Bestandteile unseres Stoffwechsels und werden bei dermaler und oraler Aufnahme in der Epidermis und von den Mikrobiomen der Haut und des Darms über die Di- und Monoglyceride letztendlich in Glycerin und die zugrundeliegenden Fettsäuren gespalten (Abb. 2):

R¹-COO-CH₂-CH(OOC-R²)-CH₂-OOC-R³ (Triglycerid)
↓
+ H₂O, - R³-COOH (Fettsäure)
↓
R¹-COO-CH₂-CH(OOC-R²)-CH₂-OH (Diglycerid)
↓
+ H₂O, - R²-COOH (Fettsäure)
↓
R¹-CO-O-CH₂-CHOH-CH₂-OH (Monoglycerid)
↓
+ H₂O, - R¹-COOH (Fettsäure)
↓
HO-CH₂-CHOH-CH₂-OH (Glycerin)

Abb. 2: Enzymatische Spaltung von Triglyceriden in Glycerin und Fettsäuren

Während der Mensch es gelernt hat, die Triglyceride pflanzlicher Öle und tierischer Fette anfangs mit Soda oder Pottasche, später mit Natron- oder Kalilauge in der Wärme zu spalten, und als Zwischenstufen recht nützliche Kern- (Fettsäure-Natriumsalze) und Schmierseifen (Fettsäure-Kaliumsalze) entstanden, verlaufen die Spaltungen in physiologischer Umgebung mithilfe von Enzymen (Lipasen) lautlos und ohne großen Energieaufwand. Eine Armada von Enzymen sorgt für den weiteren Metabolismus der Fettsäuren.

Nobelpreise für Fettsäure-Metaboliten

Hinter den körperlichen Fettsäure-Metaboliten verbirgt sich eine äußerst komplexe und herausfordernde Biochemie, die im Jahre 1935 mit der Entdeckung der Prostaglandine (Abb. 3) beginnt, 1982 in einem Nobelpreis³ kulminierte und in den 1970er Jahren zu einem beispiellosen Wettlauf ihrer Synthesen inklusive ihrer Derivate und strukturell verwandter Verbindungen führte – mit dem Ziel neue Arzneimittel mit separierten agonistischen oder antagonistischen Wirkungen zu entwickeln. Die damaligen chemischen Totalsynthesen und die damit verbundenen Stereoselektivitäten sind noch heute Meisterwerke der organischen Chemie.

Abb. 3: Prostaglandin E₂ (Beispiel)

Biochemisch resultiert z. B. Prostaglandin E₂ (abgekürzt: PGE₂; Abb. 3), bei dem es sich um ein lokal hochwirksames Hormon handelt, im menschlichen Körper letztlich aus der oralen Aufnahme von Linolsäure (Abb. 4) und deren Metabolisierung.
Die zweifach ungesättigte Linolsäure (C18:2) kommt vor allem in den Triglyceriden pflanzlicher Öle vor, beispielsweise in Sonnenblumen-, Oliven- und Sojaöl. Sie gehört nach mittlerweile verbreiteter Meinung zu den weniger guten Fettsäuren, da – um beim Beispiel zu bleiben – PGE₂ unter anderem als ein Mediator zur Auslösung und Unterhaltung von Entzündungen gilt.
Das ist allerdings nur die halbe Wahrheit, denn es entstehen neben PGE₂ weitere Prostaglandine, außerdem Thromboxane und Leukotriene, deren einzelne Vertreter vielfältige, lokal teils gegensätzliche Wirkungen auf Blutgefäße, Gewebe und Organe entfalten.⁴ Sie werden als Eicosanoide zusammengefasst, also Säuren, die 20 C-Atome enthalten. Ausgangspunkte für Prostaglandine und Thromboxane sind die Dihomo-γ-Linolensäure und die Arachidonsäure – alias Eicosatetraensäure (ETA).

Beide Säuren werden enzymatisch durch Dehydrierung und Kettenverlängerung aus Linolsäure gebildet (Abb. 4):

Abb. 4: Bildung der Arachidonsäure aus Linolsäure

Hinsichtlich der gebildeten Prostaglandine und Thromboxane spricht man bei den Metaboliten der Dihomo-γ-Linolensäure von der Serie I und bei denen der Arachidonsäure von der Serie II.
Durch Cyclooxygenasen wird die Oxidation und Cyclisierung zu dem für Prostaglandine typischen Fünfring (Abb. 3) bewerkstelligt, der im Fall der Thromboxane nachträglich in einen Tetrahydropyranring umgewandelt wird (Abb. 5).

Abb. 5: Thromboxan TXB₂ (Beispiel; biologisch inaktiv)

Viele nichtsteroidale Entzündungshemmer (Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs [NSAID]) hemmen Cyclooxygenasen. Zu den bekanntesten gehören Aspirin^® (Acetylsalizylsäure) und Iboprofen (Isobutylphenylpropionsäure).
Die nicht-cyclischen Leukotriene entstehen durch Oxidation aus Arachidonsäure mithilfe des Enzyms 5-Lipoxygenase (Abb. 6).

Abb. 6: Leukotrien LTB₄ (Beispiel; an Entzündungsprozessen beteiligt)

Hautpflege mit essenziellen Fettsäuren

Linolsäure ist eine essenzielle Fettsäure, die wir mit der Nahrung aufnehmen. Die aus Linolsäure entstehende γ-Linolensäure (Abb. 4) wird bei einem gewissen Prozentsatz von Menschen, die unter Neurodermitis (alias atopische Haut; Abb. 7) leiden, aufgrund eines Delta-6-Desaturase-Defizits unzureichend oder gar nicht gebildet. Sie profitieren in der Hautpflege von Behandlungen mit Nachtkerzenöl, Borretschsamenöl oder auch Hanföl. Diese Öle enthalten beachtliche Mengen in Triglyceriden gebundener γ-Linolensäure.

Abb. 7: Atopische Haut
(https://de.wikipedia.org/wiki/Atopisches_Ekzem#/media/Datei:Neurodermitis1.jpg; Bernd Untiedt)

Die Linolsäure hat zudem eine herausragende Schutzfunktion, indem sie während der Apoptose, also dem programmierten Zelltod epidermaler Zellen, in das Ceramid I (alias Ceramid EOS) der Hautbarriere (Stratum corneum) eingebaut wird. (Abb. 8).

Abb. 8: Ceramid EOS

Das Ceramid I bildet zusammen mit gesättigten Fettsäuren, wie der Palmitin- und Behensäure, sowie Cholesterin die epidermalen Lipid-Doppelschichten (Bilayer) innerhalb der Hautbarriere. Das molare Verhältnis von Ceramiden/Cholesterin/langkettigen Fettsauren beträgt dabei 1 : 0,9 : 0,4.^{5, 6} , Die Bilayer schützen vor dem Eindringen exogener Materie und halten umgekehrt den transepidermalen Wasserverlust (TEWL) stabil. Das Ceramid I verhindert, dass die Haut rissig und trocken wird und sorgt für die notwendige Elastizität der Hautbarriere.
Um das Bild der Eicosanoide vollständig zu machen, müssen noch die aus der essenziellen, dreifach ungesättigten α-Linolensäure (Abb. 9) resultierende Eicosapentaensäure (EPA) und ihre analogen prostanoiden Metaboliten (Serie III) erwähnt werden, die im Körper zum Teil mit den Serien I und II konkurrieren.

Abb.9: α-Linolensäure (C18:2)

α-Linolensäure kommt in Samenölen, etwa der Hagebutte, des Leins, der Kiwi und in einstelligem Prozentsatz auch in Soja-Phospholipiden (Lecithin) vor. Die Eicosapentaensäure (Abb. 10) ist im Übrigen ein wichtiger Bestandteil von Fischölen. Die bei der Umstellung der Inuit von der reinen Fischernährung auf mitteleuropäische Kost aufgetretenen – vorher unbekannten – Gefäß- und anderen Erkrankungen führt man unter anderem darauf zurück, dass die EPA-Metaboliten diesbezüglich eine protektive Wirkung ausüben. Viele andere geänderte Ernährungs- und Lebensumstände dürften allerdings ebenfalls dazu beigetragen haben.

Abb. 10: Eicosapentaensäure (C20:5)

Essenzielle Fettsäuren in der Ernährung

Man bezeichnet Eicosapentaensäure (EPA) und ihre Vorläufer als ω-3-Säuren (n-3), da ihre cis-ständigen Doppelbindungen, die jeweils durch eine Methylengruppe unterbrochen sind, am dritten C-Atom, vom Ende her gezählt, beginnen, während Arachidonsäure (ETA) inklusive ihrer Vorläufer zu den ω-6-Säuren (n-6) gehören.
Da ω-3 und ω-6-Säuren und ihre Metaboliten beide in unserem Organismus vorkommen und die ω-3-Familie wie bereits angedeutet als physiologisch wertvoller angesehen wird, wurde hinsichtlich der Ernährung gefolgert, dass bevorzugt ω-3-Säuren aufgenommen werden sollten. Kein Zweifel, dieser Ratschlag ist nicht falsch; er verkennt allerdings völlig, dass der gesamte physiologische Stoffwechsel in einem Organismus durch Gleichgewichte gekennzeichnet ist. Gleichgewichte regulieren die Verhältnisse der Metaboliten untereinander und halten sie weitgehend stabil. Es wird nur dann kritisch, wenn die (ggfs. falsche) Ernährung einen Mangel quantitativ nicht ausgleichen kann. Im Fall der ω-3-Säuren wäre Fischöl eine bevorzugte Ergänzung, wenn tatsächlich ein Mangel herrscht. Bei ausgeglichener, nicht einseitiger Ernährung sind Defizite jedoch nicht zu erwarten.

Epidermale Metaboliten essentieller Fettsäuren

Der Metabolismus der ungesättigten ω-3 und ω-6-Fettsäuren über Dihomo-γ-Linolensäure, EPA und ETA und ihre Oxidation durch 5-Lipoxygenase und Cyclooxygenasen findet in Endothelzellen und inneren Organen wie der Leber statt. Bei epidermaler Aufnahme werden die Säuren ebenfalls oxidiert, in der Regel durch die 15-Lipoxygenase (15-LOX):

• 15-LOX peroxidiert Linolsäure (Octadeca-9,12-diensäure) zur 13-Hydroperoxy-9,11-octadecadien-säure (13-HPODE), die anschließend zur entzündungshemmenden 13-Hydroxy-9,11-octadecadiensäure (13-HODE) reduziert wird.
• Analog verläuft die Reaktion mit 15-LOX bei γ-Linolensäure, aus der über die Hydroperoxy-6,9,11-octadecatriensäure (13-HPOTrEg) die entzündungshemmende 13-Hydroxy-6,9,11-octadecatriensäure (13-HOTrEg) entsteht.
• α-Linolensäure wird durch 15-LOX über 13-Hydroperoxy-9,11,15-octadecatriensäure (13-HPOTrE) zur 13-Hydroxy-9,11,15-octadecatriensäure (13-HOTrE) umgesetzt. Dies erklärt die starke antiinflammatorische Wirkung von Leinöl, einem früher häufigen Bestandteil von Verbänden – insbesondere bei Verbrennungen. In der Fettsäurebesetzung der Leinöl-Triglyceride dominiert α-Linolensäure mit etwa 60%. Leinöl wird diesbezüglich nur noch vom Kiwi-Kernöl mit > 60% übertroffen. Kiwi-, aber auch Hagebutten-Kernöl (25-50% α-Linolensäure) haben daher eine ähnliche Wirkung.

Heute setzt man diese Öle zweckmäßig als wässrige, mit Phosphatidylcholin (Hauptkomponente des Soja-Lecithins) stabilisierte Nanodispersionen ein, denen der unangenehm ölige Charakter gänzlich fehlt. Einsatzgebiet sind Hautentzündungen unterschiedlicher Art – unter anderem auch Sonnenerytheme (Sonnenbrand). Präparate mit essentiellen Fettsäuren werden zweckmäßig abends verwendet.

Peroxid- und Radikalbildung

Wenn Hautpflege mit essenziellen Fettsäuren tagsüber im Einsatz ist, muss nach der Anwendung intensive Sonnenstrahlung ausgeschlossen werden, da sonst eine unkontrollierte Oxidation (Autoxidation) an der Hautoberfläche einsetzt, die durch die Bildung aggressiver Peroxide zu entzündlichen Hautreaktionen führt. Dabei können unter anderem Radikalkettenreaktionen ablaufen (Abb. 11):

Abb. 11: Radikalkettenreaktion ungesättigter Säuren unter Einwirkung von Luftsauerstoff und Strahlung (https://de.wikipedia.org/wiki/Lipidperoxidation#/media/Datei:Mechanismus_der_Lipidperoxidation.svg; Eleska).

Die den Doppelbindungen benachbarten Methylengruppen werden bevorzugt angegriffen und umso mehr die Methylengruppen zwischen zwei Doppelbindungen von mehrfach ungesättigten Fettsäuren.

Für die Lagerung lassen sich Präparate mit ungesättigten Fettsäuren durch Antioxidantien schützen. Auf der Haut und unter Strahlung sind Antioxidantien jedoch überfordert, da die ungesättigten Säuren mit den Antioxidantien konkurrieren. Ein zusätzlicher Faktor sind auf der Haut Schwermetallspuren, insbesondere Eisenionen, die aus Hydroperoxiden Radikale bilden und mit ihnen die Autoxidation katalysieren (Abb. 12).

Fe²⁺ + ROOH → Fe³⁺ + RO· + OH^-
Fe³⁺ + ROOH → RO₂· + H⁺ + Fe²⁺

Abb. 12: Radikalbildung durch Eisenspuren (R = H, Alkyl)

Die Schwermetallionen werden in der Regel durch additive Komplexbildner wie EDTA, Phosphate, Citrate etc. inaktiviert.
Wegen der Empfindlichkeit der mehrfach ungesättigten Säuren gegenüber Luftsauerstoff werden Öle wie Leinöl und Kiwikernöl auch als trocknende Öle bezeichnet. Insbesondere Leinöl wurde in der Vergangenheit als Firnis zur effektiven Imprägnierung von Holz im Außenbereich genutzt. Dem Firnis wurden als Katalysator meist noch Kobaltsalze hinzugefügt, um den unter Lichteinwirkung einsetzenden Polymerisationsvorgang (Verharzung) zu beschleunigen.
Kontrolliert wird dieser Prozess heute noch für die Herstellung von Schmierstoffadditiven genutzt, indem man die nativen Öle in Reaktionskesseln einem Luftsauerstoffstrom aussetzt ("Öl-Blasen"). Bei der einsetzenden Oxidation, Polymerisation und Vernetzung findet eine starke Erwärmung statt, die im Übrigen bei unsachgemäß entsorgten, zum Beispiel mit Leinöl kontaminierten Textilien bis zur Selbstentzündung führen kann. Auch die Ölmalerei nutzt nach wie vor trocknende Öle in Verbindung mit Pigmenten.
Die reinen hochungesättigten Öle sind wertvolle Lebensmittel, aber nur begrenzt haltbar, da sich die Autoxidation durch die Bildung geruchs- und geschmacksintensiver Spaltprodukte der Fettsäuren schon in extrem geringen Konzentrationen bemerkbar macht. Aus Linolsäure entstehen z. B. die gesättigten Aldehyde Pentanal, Hexanal und Heptanal und besonders geruchsintensive, ungesättigte Aldehyde wie 2-Nonenal, sowie das Keton 1-Octen-3-on.

Einfach ungesättigte Fettsäuren

Einfach ungesättigte Fettsäuren sind wesentlich weniger sauerstoffempfindlich als die essenziellen Fettsäuren – insbesondere, was die Doppelbindung zur α-ständigen Methylengruppe betrifft. Ölsäure (C18:1 n-9) ist der prominenteste Vertreter, der in Pflanzenölen, wie etwa Olivenöl, am häufigsten vorkommt (Abb. 13).

Abb. 13: Ölsäure (C18:1)

Sie gehört zu den ω-9-Säuren, ist ein wichtiger Bestandteil von körperlichen Depotfetten und wird dementsprechend hauptsächlich zur Energiegewinnung genutzt. Bei Mangelerscheinungen kann Ölsäure körperlich auch aus Stearinsäure biosynthetisiert werden. Ein durch Enzyme gebildeter Metabolit der Ölsäure ist unter anderem die Eicosatriensäure (C20:3 n-9). Sie bildet sich vor allem bei einem Linolsäuremangel.⁷ Für diesen Prozess sind vermutlich biophysikalische Faktoren mit auschlaggebend.
Ölsäure wird in topisch-pharmazeutischen Präparaten gern als Penetrationsverstärker eingesetzt. Hintergrund ist der Einbau in die Lipid-Doppelschichten der Hautbarriere und die damit verbundene Senkung ihrer Phasenumwandlungstemperatur. Während sich Ölsäure in die Fettsäuren der Hautbarriere-Bilayer integriert, ist es bei den penetrationsverstärkenden, zellähnlichen Liposomen das native Phosphatidylcholin mit seinen hohen Linolsäuregehalten, das sich selbst wie ein Bilayer verhält und die Phasenumwandlungstemperatur der Hautbarriere-Bilayer senkt.⁸ Linolsäure wäre als Penetrationsverstärker noch effizienter als Ölsäure, wird jedoch wegen ihrer Instabilität gegenüber O2/Strahlung nicht eingesetzt. Aus dem gleichen Grund haben sich Liposomen mit nativem Phosphatidylcholin bei topisch-pharmazeutischen Präparaten nicht durchgesetzt.
Ähnlich wie Doppelbindungen wirken sich Verzweigungen der Fettsäuren in ihren Estern physikalisch aus. Ihre Konsistenz ist meistens flüssig und die Viskosität niedrig im Vergleich zu nicht verzweigten Estern mit gleicher Molmasse. Das gilt auch für die jeweiligen Alkohol-Komponenten. So werden bevorzugt verzweigte Fettsäureester von Mono- und Dicarbonsäuren als Hilfsstoffe in topischen Arzneimitteln und Kosmetika eingesetzt, um sie leichter auf der Haut verteilen zu können. Sie werden auch als Spreiter bezeichnet (Beispiel: Abb. 14).

Abb. 14: Diisopropyladipat ist ein effektiver Spreiter

Gesättigte Fettsäuren

Aus tierischer und pflanzlicher Nahrung aufgenommene Fettsäuren werden im menschlichen Organismus als Triglyceride oder in Phospholipiden gespeichert, aus denen sie bei Bedarf enzymatisch freigesetzt und metabolisiert werden. Gesättigte Fettsäuren, wie beispielsweise die Palmitinsäure (Abb. 15), dienen hauptsächlich der Energiegewinnung.

Abb. 15: Palmitinsäure (C16:0)

Sie werden bevorzugt durch β-Oxidation der Alkylkette in den Mitochondrien abgebaut und gelangen letztendlich in Form einer Acetylgruppe (Fettsäuren mit geradzahliger Anzahl von C-Atomen) in den Zitronensäurezyklus, wo die Oxidation zu Kohlendioxid und Wasser stattfindet (Abb. 16).

CH₃-(CH₂)_n-COOH >>> β-Oxidation >>> CH₃CO-Enzymrest >>> Zitronensäurezyklus >>> CO₂ + H₂O

Abb. 16: Abbau von gesättigten Fettsäuren

Bei Fettsäuren mit ungeradzahliger Anzahl der C-Atome bleibt am Schluss der β-Oxidation eine Propionylgruppe übrig, die an Coenzym A gebunden, zu D-Methylmalonyl-CoA carboxyliert wird und nach Epimerisierung und Isomerisierung als Succinyl-CoA in den Zitronensäurezyklus gelangt.

Die für die Hautbarriere wichtigen gesättigten Fettsäuren wie Palmitin- (C16:0), Stearin- (C18:0), Behen- (C22:0) und Lignocerinsäure (C24:0) sind zum Teil höherkonzentriert in einigen Pflanzenölen wie dem Avocado-, Macadamia- und Erdnussöl zu finden, die dementsprechend als besonders gut pflegend gelten. Gesättigte Fettsäuren und ihre Ester haben in Hautpflegepräparaten und Lebensmitteln den Vorteil, dass sie nicht sauerstoffempfindlich sind und sich entsprechend lange lagern lassen.
Im Hinblick auf die Energiegewinnung relativiert sich auch hier die häufig anzutreffende Ansicht, dass essenzielle Fettsäuren den gesättigten vorzuziehen seien. Eine nicht einseitige Ernährung vorausgesetzt, spielen variierende Verhältnisse von gesättigten zu ungesättigten Fettsäuren bei der Nahrungsaufnahme keine wesentliche Rolle – außer, man nimmt zu viel zu sich.

Lipide und Fettsäuren der Hautoberfläche

Eine Komponente des oberflächlichen Lipidfilms der Haut ist das Talgdrüsensekret, das unter anderem Tri- und Diglyceride wie 1-Palmitoyl-2-oleyl-3-linoleyl-glycerol, 1,3-Dipalmitoyl-2-oleyl-glycerol, und 1,2-Dioleoyl-glycerol⁹ , Wachs- und Cholesterinester sowie den ungesättigten Kohlenwasserstoff Squalen enthält. Der Laurylester der Palmitoleinsäure (C16:1 n-7) ist das Beispiel für einen Wachsester. Entgegen früherer Annahmen enthält das Sekret beim Verlassen der Drüsen keine freien Fettsäuren.¹⁰ Freie Fettsäuren wie Sapiensäure (16:1 n-10) zu etwa 25% und Sebaleinsäure (18:2 n-10) entstehen offensichtlich in den Haar-Follikeln erst durch Lipasen des Mikrobioms. Das von den Haarfollikeln ausgeschiedene Sebum enthält¹¹:

• 30–50 % Glyceride,
• 15–30 % Freie Fettsäuren,
• 26–30 % Wachsester,
• 12 % Squalen,
• 3–6 % Cholesterinester,
• 1.5–2.5 % Cholesterin

und verstärkt den Schutz, den die Hautbarriere bietet. Zum Teil haben freie Säuren wie die Sapiensäure antimikrobielle Eigenschaften. Aus der Konsistenz des Sebums folgt dessen störungsfreier Abfluss an die Hautoberfläche. Die bei Akne entstehenden Komedonen sind meist eine Folge von Verstopfungen und Entzündungen der Talgdrüsen (Abb. 17). Daraus erklärt sich zwanglos, dass eine Linolsäure-reiche Hautpflege von Vorteil ist, einerseits aufgrund ihres Einflusses auf die Konsistenz des Sebums, andererseits durch die mit Hilfe der 15-Lipoxygenase gebildeten entzündungshemmenden Metaboliten. Das gilt offensichtlich auch, wenn die Linolsäure wie im nativen Phosphatidylcholin als Glycerid gebunden ist.¹²

Abb. 17: Schnitt durch die Haut mit Hornschicht (gelb), Talgdrüsen (rötlich) und Haarwurzel

Hautpflegemittel mit hohen Anteilen an gesättigten Fettsäuren wie Stearinsäure ("Stearatcremes") erweisen sich dagegen als kontraproduktiv. Man spricht in diesen Fällen von komedogenen Bestandteilen, wobei die Konzentrationen, vielleicht sogar das physikalische Ausfallen von Stearinsäure, ausschlaggebend sind. Inwieweit bei Akne auch die Fettsäure-Zusammensetzung der Ernährung eine anteilige Rolle spielt, lässt sich zwar vermuten, ist aber bisher nicht eindeutig belegt.
Die langkettigen Fettsäuren der Hautbarriere und der Talgdrüsen sowie die kurz- und mittelkettigen Säuren des Schweißes (pH etwa 4,5) wie etwa Milch-, Essig-, Propion- (C3:0), Capron- (C6:0) und Caprylsäure (C8:0) sind Bestandteil des Säuremantels an der Hautoberfläche.¹³ Einen weiteren Beitrag, insbesondere bei der Wiederherstellung des durchschnittlichen pH von etwa 5,5, nach einer Reinigung etwa, liefert das Hautmikrobiom, indem es beispielsweise Glyceride spaltet und die Kettenlänge freigesetzter Fettsäuren durch oxidativen Abbau verkürzt.¹⁴ So werden unter anderem Propionsäure und Laurinsäure (C12:0) gebildet. Das Spektrum der Fettsäuren ändert sich mit dem Lebensalter.¹⁵ Eine wichtige Funktion des Hautoberflächenfilms und seiner Säuren ist seine antimikrobielle Aktivität¹⁶ und somit die Resilienz der residenten Hautflora.
Die Hautoberfläche verhält sich wie ein schwacher Puffer. Das führt bei Hautpflegemitteln, die einen von pH 5,5 ("pH-hautneutral") abweichenden pH haben, wie etwa pH 7 ("pH-neutral"), zu einer raschen Angleichung. Im umgekehrten Fall, also wenn das Hautpflegemittel stärker gepuffert ist, können bereits kleine Abweichungen über pH 7 zu Barrierestörungen führen. Das gleiche Problem tritt ein, wenn die Haut ständig mit gepufferten arbeitstechnischen Flüssigkeiten, beispielsweise Kühlschmierstoffen, in Berührung kommt. Die bereits erwähnten Kern- (Fettsäure-Natriumsalze) und Schmierseifen (Fettsäure-Kaliumsalze) sind aufgrund ihres hohen pH und in hohen Konzentrationen ebenfalls schädlich für die Hautbarriere. Geringe Dosierungen können dagegen bei hartem Wasser ganz hilfreich sein, da sie die Härtebildner wie Calciumsulfat und Calciumhydrogencarbonat durch Ausfällung der Fettsäure-Calciumseifen unschädlich und das Wasser weich machen. Davon profitieren insbesondere Menschen mit atopischer Haut, die sich unter anderem durch eine gestörte Barriere und eine geringere Resistenz gegen Mikroorganismen auszeichnet.
Fettsäuresalze gehören zu den anionischen Emulgatoren, die einst sowohl für die Hautreinigung als auch in Hautpflegepräparaten zur Stabilisierung von Öl-Wasser-Emulsionen (O/W) eingesetzt wurden. Sie sind wegen der beschriebenen pH-Problematik und der Empfindlichkeit gegenüber hartem Wasser schon lange aus der Mode gekommen. Eine Alternative ist zum Beispiel die Veresterung von Fettsäuren mit Zuckeralkoholen (Abb. 18).

Abb. 18: Sorbitanmonostearat

Zuckertenside, zu denen Ester und Glykoside gehören, werden als Emulgatoren in der Hautpflege, auch zum Teil in Lebensmitteln verwendet, wenn beim Abbau wie im vorliegenden Fall nur physiologisch kompatible Bruchstücke entstehen.

Speicherung von Fettsäuren

Ähnlich wie in Pflanzen und ihren Samen dienen Fettsäuren der Energiereserve und werden in tierischen Organismen als Triglyceride gespeichert. Ein gewisser Anteil ungesättigter Säuren (siehe oben: Ölsäure) ist dabei notwendig, um insbesondere in Gegenwart von langkettigen, gesättigten Fettsäuren die flüssige bis halbfeste Konsistenz zu erhalten. In den Zellen findet man die Triglyceride in Vakuolen, d. h. verteilt in feinen Tröpfchen. In der humanen Haut werden sie im Fettgewebe gespeichert.
Bei entsprechender Lebensweise entstehen größere Fettdepots, die insbesondere bei Frauen vermehrt zum Erscheinungsbild der Cellulite ("Orangenhaut") führen. Kosmetische Maßnahmen gegen die Fettpölsterchen sind in der Regel von geringer Wirkung, auch wenn es in der Werbung mitunter anders dargestellt wird.

Abb. 19: "Orangenhaut" (https://en.wikipedia.org/wiki/Cellulite#/media/File:Dimpled_appearance_of_cellulite.jpg; tata_aka_T)

Um Depotfette zur Energiegewinnung zu mobilisieren, werden die Triglyceride im Körper durch Lipasen in Glycerin und freie Fettsäuren gespalten, die dann in den Blutkreislauf gelangen. Dieser als Lipolyse bezeichnete Vorgang kann durch Ultraschall oder Stoßwellen angeregt und durch Injektion von wässrigen Lösungen mit Phosphatidylcholin und Gallensäuren wie der Desoxycholsäure verstärkt werden ("Fett-weg-Spritze"). Bisweilen kommen Phosphatidylcholin-Liposomen, die mit Coffein beladen sind und die Mikrozirkulation anregen sollen, topisch zum Einsatz. Auch hier ist ein zusätzlicher äußerer mechanischer Reiz notwendig, damit es zu einer messbaren Wirkung kommt.¹⁷
Von Bedeutung ist die Speicherung von Fettsäuren in Phospholipiden, den wichtigsten Bausteinen der Membranen (Lipid-Doppelschichten) pflanzlicher und tierischer Zellen.

Abb. 20: Ausschnitt aus einer Zellmembran¹⁸

Dort sind insbesondere die längerkettigen Metabolite der essenziellen Fettsäuren wie ETA, EPA und Docosapentaensäure (entsteht aus EPA mittels des Enzyms Elongase) von Bedeutung. Sie werden bei Bedarf durch Phospholipasen, bevorzugt durch die Phospholipase A₂, aus der 2-Position des Glycerinrestes des Phosphatidylcholins (Abb. 21), freigesetzt und können durch ihre Metaboliten wie eingangs beschrieben lokal hormonartig wirksam werden.

Abb. 21: Phosphatidylcholin (R¹, R²: Fettsäurereste)

Arzneimittel mit Glucocorticoiden hemmen die Phospholipase A₂ und damit auch die Freisetzung von Arachidonsäure. Entsprechende Metabolite wie entzündungsfördernde Prostaglandine (siehe oben) werden dann nicht gebildet.

Hydrierung von Fettsäuren

Die Hydrierung ungesättigter Fettsäuren oder deren Triglyceride eröffnet die Möglichkeit, alternativ zu festen tierischen Fetten aus Pflanzenölen Produkte ähnlicher Konsistenz herzustellen. Produkte dieser Art finden in technischen Bereichen und in der Lebensmittelindustrie breite Verwendung.
So wird z. B. Rizinusöl oder auch die daraus durch Verseifung hergestellte Rizinolsäure mittels Ni-Katalysatoren und Wasserstoff hydriert. Das Reaktionsprodukt, die 12-Hydroxystearinsäure, ist nach Überführung in ihr Calciumsalz ein effektiver Schmierstoff. In der Hautpflege wird die Säure als Additiv von Lippenstiften verwendet, da sie die Haftung auf der Haut unterstützt.
Margarine wurde lange Zeit durch Teilhydrierung von Pflanzenölen produziert. Damit erhielt sie eine Konsistenz, die der tierischen Butter gleichkam. Allerdings führte dieses Verfahren auch zu vermehrter Entstehung von trans-Fettsäuren, die in den ursprünglichen Pflanzenölen nicht vorkommen. Trans-Fettsäuren stehen im Verdacht, den Lipidstoffwechsel zu beeinflussen. Daher ist man von der Teilhydrierung zur Vollhydrierung übergegangen und mischt die durchgehärteten Reaktionsprodukte mit den Ausgangsölen. Dies hat den Vorteil, dass die Endprodukte essenzielle Fettsäuren enthalten.
Im Übrigen enthalten auch Milch und Milchprodukte wie Butter und Käse trans-Fettsäuren, die von Mikroorganismen im Verdauungstrakt von Wiederkäuern erzeugt werden. Dabei handelt es sich hauptsächlich um die trans-Hexadecensäure alias trans-Vaccensäure (Abb. 22). Die trans-Doppelbindung befindet sich in 11-Stellung, gezählt von der Carboxylgruppe.

Abb. 22: Trans-Vaccensäure

Trans-Fettsäuren entstehen auch beim Frittieren und hoher Temperaturbelastung von Pflanzenölen oder bei Raffinationsprozessen.

Fazit

Fettsäuren sind ganz und gar nicht langweilig. Ihre Metaboliten lenken den Blick in spannende Kapitel der Biochemie und Biologie, eröffnen Tätigkeitsfelder in Pharmazie und Medizin und stellen den Synthesechemiker vor große Herausforderungen. In der öffentlichen Wahrnehmung sind die Zusammenhänge von Haut und Fettsäuren wenig bekannt.

Zusammenfassung

Fettsäuren zeichnen sich durch eine große Vielfalt von Strukturen und Eigenschaften aus. Entsprechend vielseitig sind ihre Funktionen und die Wirkungen ihrer Metaboliten in und auf der Haut. Sie reichen von physikalischem Schutz bis hin zu lokalen, hormonellen Wirkungen. Neben der Biochemie der Fettsäuren in der Epidermis spielen synergistische Einflüsse des Hautmikrobioms eine große Rolle für die physiologisch intakte Haut.

Summary

Fatty acids are characterised by a wide variety of structures and properties. Their functions and the effects of their metabolites in and on the skin are correspondingly diverse. They range from physical protection to local hormonal effects. In addition to the biochemistry of the fatty acids in the epidermis, synergistic influences of the skin microbiome play a major role in physiologically intact skin.

Schlagwörter

Fettsäuren, Triglyceride, Eicosanoide, Hautbarriere, Hautmikrobiom

Keywords

Fatty acids, triglycerides, eicosanoids, skin barrier, skin microbiome

Begriffe und Abkürzungen

Akne: Vergrößerung und entzündliche Veränderungen der Talgdrüsen und der Haarfollikel.
Apoptose bezeichnet den programmierten Zelltod. Die Apoptose ist Teil der kontinuierlichen Hauterneuerung, die etwa 4 Wochen dauert.
Atopische Haut: Auf unterschiedliche endogene und exogene Faktoren immer wieder schubweise mit Rötungen, Schuppungen, Juckreiz oder Entzündungen reagierende, empfindliche Haut – häufig synonym als Neurodermitis oder atopisches Ekzem bezeichnet.
Autoxidation bezeichnet die Reaktion einer chemischen Verbindung mit atmosphärischem Sauerstoff – gegebenenfalls unter Mitwirkung von Strahlungsenergie und Katalysatoren in Form von ubiquitären Spuren von Übergangsmetallen wie z. B. Eisenionen.
Bilayer sind Doppelschichten, bestehend aus amphiphilen Verbindungen, deren lipophile Enden nach innen und deren hydrophile Reste nach außen gerichtet sind. Da der Lipidcharakter überwiegt, spricht man auch von Lipiddoppelschichten.
Cellulite: Unter der Haut liegendes Fettgewebe, das der Hautoberfläche eine orangenähnliche Struktur verleiht – häufig an den Oberschenkeln.
Ceramide sind eine vielfältige Familie von Amiden, die aus der Acylierung des Aminoalkohols Sphingosin mit langkettigen, teils funktionalisierten Fettsäuren resultieren. Das Ceramid I bildet zusammen mit Cholesterin und langkettigen Fettsäuren wie Palmitinsäure die Lipiddoppelschichten (Bilayer) der Hautbarriere.
Cyclooxygenase: Das Enzym kommt in zwei Isoformen COX-1 und COX-2 vor, die beide aus Arachidonsäure das Prostaglandin H₂ (PGH₂) synthetisieren, das nachfolgend in weitere Prostaglandine und Thromboxane umgewandelt wird (Serie II). Entsprechende Metabolite entstehen durch Einwirkung der Cyclooxygenase auf Dihomo-γ-Linolensäure (Serie I) und Eicosapentaensäure (Serie III).
Delta-5-Desaturase ist ein Enzym, das eine Doppelbindung an der 5-Stellung einer Fettsäure, von der Carboxylgruppe aus gezählt, einfügt. Sie gehört zur Klasse der Oxidoreduktasen.
Delta-6-Desaturase: Analoger Einbau einer Doppelbindung an der 6-Stellung von Fettsäuren.
EDTA: Ethylendiamintetraessigsäure (Komplexbildner).
Elongase ist ein Enzym, das die Kohlenstoffkette einer Fettsäure auf der Seite der Carboxylgruppe um zwei Methylen-Gruppen verlängert.
EPA: Eicosapentaensäure.
Essenzielle Fettsäuren: Ungesättigte Fettsäuren, die lebensnotwendig sind und mit der Nahrung aufgenommen werden müssen.
ETA: Eicosatetraensäure.
Fett-weg-Spritze: Injektionslösung, bestehend aus Phosphatidylcholin, Desoxycholsäure und Wasser.
INCI: Die Deklaration nach INCI (International Nomenclature of Cosmetic Ingredients), muss gemäß der Kosmetikverordnung (KVO) auf dem Behältnis, der Umverpackung oder dem Beipackzettel jedes kosmetischen Präparates stehen. In der INCI sind alle Inhaltsstoffe des Präparates aufgeführt.
Komedonen treten in offener oder geschlossener Form auf und werden auch als Mitesser bezeichnet.
Leukotriene entstehen aus Arachidonsäure durch Reaktion mit der 5-Lipoxygenase. Diese Metaboliten-Gruppe ist unter anderem an Entzündungsprozessen beteiligt.
Lipasen alias Esterasen sind Enzyme, die Ester unter Aufnahme von Wasser in Alkohole und Carbonsäuren spalten.
Lipolyse: Mobilisierung und Spaltung von Fetten in Glycerin und Fettsäuren.
Liposomen ähneln physikalisch und chemisch in ihrer Größe und dem Aufbau ihrer doppelschichtigen Membranen (Bilayer) den Zellen lebender Organismen. Hauptbestandteil ist meist Phosphatidylcholin, das aus Soja-Lecithin gewonnen wird.
Lipoxygenasen übertragen zwei Sauerstoffatome auf mehrfach ungesättigte Fettsäuren.
Mikrobiom bezeichnet die Mikroorganismenpopulation auf oder in einem Organ wie der Haut oder dem Darm.
Nanodispersionen sind Flüssigkeiten, die Partikel in Nanogröße enthalten. Man unterscheidet feste und flüssige Nanopartikel.¹⁹ Flüssige Nanopartikel auf Phosphatidylcholin-Basis sind biologisch gut abbaubar und gleichen in ihrer Größe häufig den Liposomen.
Neurodermitis: Siehe atopische Haut.
NSAID: Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drug.
Okklusivität: Okklusive Hautpflegemittel oder entsprechende topische Arzneimittel bilden auf der Haut einen oberflächlichen Film, der für Wasserdampf und Sauerstoff undurchlässig ist und diesbezüglich vergleichbare Eigenschaften wie ein medizinisches Klebeband (Pflaster) hat.
Penetrationsverstärker sind Einzelsubstanzen oder Körper wie Liposomen oder Nanopartikel, die das Eindringen (Penetration) von Stoffen in die Haut erleichtern. Von Permeation spricht man, wenn die Stoffe durch die Haut das Körperinnere erreichen.
Phasenumwandlungstemperatur: Die epidermalen Lipiddoppelschichten enthalten unter anderem gesättigte Fettsäuren und bilden temperaturabhängig unterschiedliche Phasen aus. Der Umwandlungspunkt der bei 35 °C vorherrschenden undurchlässigen lamellaren Gelphase in eine durchlässigere Phase wird durch den Einbau ungesättigter Säuren konzentrationsabhängig gesenkt.
Phospholipase A₂ ist ein Enzym (Esterase), das unter Aufnahme von Wasser Fettsäuren freisetzt, die an die 2-Stellung des Glycerinrestes von Phospholipiden gebunden sind.
Prostacyclin: Andere Bezeichnung für Prostaglandin I₂.
Prostaglandine: Lokal hormonartig wirkende Metabolite essenzieller Fettsäuren.
Sebum ist das Sekret der Talgdrüsen, dass zusammen mit den Ausscheidungen der Schweißdrüsen einen Lipidfilm auf der Oberfläche der Haut bildet.
Spreiter: Meist verzweigtkettige niedermolekulare Ester, die die horizontale Verteilung von Hautpflegemitteln auf der Haut erleichtern.
Stearatcreme: Hautcreme, deren Fettphase mit Alkaliseifen von Stearinsäure – ggf. auch Palmitinsäure – emulgiert und stabilisiert wird.
Talgdrüse: Drüse, deren Sekret (Sebum) in den Haarkanal (Follikel) mündet, das Haar geschmeidig macht und sich nach Austritt aus dem Haarkanal auf der Hautoberfläche verteilt.
TEWL: Transepidermaler Wasserverlust.
Thromboxane sind wie die Prostaglandine hochwirksame Metabolite, unter anderem der Arachidonsäure.
Triglycerid: Ester aus Glycerin und drei Fettsäuren.
Wachsester: Fettsäureester längerkettiger Alkohole.

Was man wissen sollte

Fettsäuren sind multifunktionelle Komponenten, denen man sich seit Urzeiten aus natürlichen Quellen wie Pflanzen und Tieren bedient. Industriell werden sie für verschiedenste Zwecke synthetisiert und im körperlichen Stoffwechsel spielen sie eine dominante Rolle.
Synthetisch und biochemisch fällt die Wandlungsfähigkeit der Fettsäuren auf, deren hohe Komplexität dazu führt, dass einzelne Aspekte wahrgenommen werden und mitunter einseitige Sichtweisen entstehen, aber die ganzheitliche Einordnung zu kurz kommt. Dies betrifft insbesondere die Bereiche Ernährung, Medizin und Hautpflege.
Umso mehr haben die Erkenntnisse der letzten Jahre in Mikrobiologie und Dermatologie gezeigt, dass Fettsäuren ein wichtiger Faktor in der nachhaltigen Körperpflege sind.

Literatur

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Veröffentlicht in: Hans Lautenschläger, Langweilig oder spannend? Eine Reise durch die Fettsäure-Chemie der Haut, Chemie in unserer Zeit 2025, 59 (2), 64-73. Copyright © 2024 Wiley-VCH GmbH. Reproduced with permission. Final version: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ciuz.202400008; first published: 8. November 2024.

Veröffentlicht in
Chemie in unserer Zeit
2025, 59 (2), 64-73
Copyright © 2024 Wiley-VCH GmbH
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