Medizinische Biologie: Zellzyklus

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Der Zellzyklus[Bearbeiten]

  • M-Phase: Zellteilung
  • G1-Phase: Erste Wachstumsphase
  • S-Synthese-Phase: DNA-Replikation (Verdopplung der Chromatiden)
  • G2-Phase: Zweite Wachstumsphase
  • G0-Phase - Ruhephase

Zwischen den einzelnen Phasen liegen Checkpoints (Restriktionspunkte), in denen die Zelle ihre genetische Integrität überprüft. Bei irreparablen Schäden geht die Zelle in die Apoptose, da die Gefahr der malignen Transformation besteht.

Beteiligte Proteine: Cyclin-abhängige Kinasen (CDK), p53 (Das Tumorsupressorgen hat viele Funktionen. Unter anderem arretiert es bei Bedarf den Zellzyklus und schickt die Zelle bei nicht-reparablen DNA-Schäden in die Apoptose.)

Weblinks: KEGG: Cell cycle - Homo sapiens (human)

Mechanismus der Proliferation[Bearbeiten]

Mitose[Bearbeiten]

Normale Körperzellen haben meist einen diploiden Chromosomensatz. D.h. jedes Chromosom besteht aus zwei identischen Chromatiden und hat ein homologes Partner-Chromosom mit den gleichen Genen, aber anderen Allelen, also etwas abweichenden Nukleotidsequenzen. Mitose ist die normale ungeschlechtliche Querteilung.

  • Interphase
  • Prophase
  • Metaphase
  • Anaphase
  • Telophase
  • Interphase

Weblinks: Animation Mitose, Mitose (Video), Mitose und Meiose, YouTube - Mitose (Animation), YouTube - Animal Cell division (DIC), YouTube - Plant Cell Division, YouTube - Mitosis

Meiose[Bearbeiten]

Da bei der Verschmelzung von Samenzelle und Eizelle beide einen Chromosomensatz mitbringen, muss dieser vorher auf die Hälfte reduziert werden, damit die Gendosis gleich bleibt. Daher vermehren sich die Keimzellen auf eine besondere Art, die sog. geschlechtliche Teilung oder Meiose. In der 1. Reifeteilung (Reduktionsteilung) werden die homologen Chromosomen des diploiden Chromosomensatzes (46 XX oder 46 XY) auf zwei Zellen verteilt, die dann anschließend nur noch einen haploiden Chromosomensatz haben (Frauen: 23 X, Männer: 23 X oder Y). In dieser Phase findet auch das Crossing-over statt zur Rekombination der mütterlichen und väterlichen Gene. Die 2. Reifeteilung entspricht der Mitose, hier werden die Schwesterchromatiden voneinander getrennt.

Bei Männern beginnt die Meiose der Samenzellen mit Eintritt der Pubertät. Bei Frauen findet die 1. Reifeteilung der Eizellen bereits embryonal oder kurz nach der Geburt statt (Primärfollikel). Die 2. Reifeteilung erfolgt mit der Reifung der Eizelle in der 1. Zyklushälfte.

1. Reifeteilung:

  • Prophase I
    • Leptotän (von gr. leptos, dünn und lat. taenia, das Band)
    • Zygotän (von gr. zygon, das Joch)
    • Pachytän (von gr. pachys, derb)
    • Diplotän (von gr. diploos, doppelt)
    • Diakinese (von gr. diakinein, auseinander bewegen)
  • Metaphase I
  • Anaphase I
  • Telophase I

Zellmembran aufgelöst,chromosomen aufgerollt,spindelfasern entstehen,chromosomen wandern in die Mitte Der Zelle und sind auf ebene angeordnet,chromosomen sind mit Spindelfasern verbunden,sie wandern mit Hilfe von Spindelfasern zu Polen, 2 neue Kernmembranen bilden sich, Zelle teilt sich, sind 2 neue Zellen mit gleicher Erbinformation entstanden, interphase: Zelle wächst, chromosomen teilen sich, ausgangszustand für neue Mitose wurde geschaffen:

2. Reifeteilung:

  • Prophase II
  • Metaphase II
  • Anaphase II
  • Telophase II

Weblinks: Animation Meiose, YouTube - Meiose (Animation), YouTube - Sexy Meiosis (Fun)

Mechanismen des Zelltodes[Bearbeiten]

Apoptose[Bearbeiten]

Apoptose ist ein aktiver, energieverbrauchender Prozess, bei dem die Zelle sozusagen Suizid begeht. Über die Apoptose werden gezielt überflüssig gewordene (Embryonalentwicklung), autoaggressive, virusinfizierte und maligne transformierte Zellen ausgeschaltet. Proapoptotische Signale können von innen oder von außen kommen. Die Auslösung des „programmierten Zelltodes“ erfolgt z.B. über den Fas-Ligand-Rezeptor-Weg mit Aktivierung von Caspasen und der Freisetzung von Cytochrom c aus den Mitochondrien oder über p53 (DNA-Schäden).

Die Zelle fragmentiert ihre DNA mit Hilfe von Desoxyribonucleasen und zerfällt in Apoptosekörperchen. Es wird keine Entzündungsreaktion induziert.

Weblinks: KEGG: Apoptosis - Homo sapiens (human)

Nekrose[Bearbeiten]

Nekrose ist der traumatisch-toxische Zelltod aufgrund äußerer Schädigung. Er verbraucht keine Energie und löst eine Entzündungsreaktion aus.

DNA-Schäden[Bearbeiten]

Die DNA ist für mutagene Schäden das kritische Target in der Zelle. Sonstige Schäden können meist problemlos kompensiert werden.

Auslöser:

  • Fehler bei der Replikation, z.B. durch Basenfehlpaarung. Seltene Tautomere der Basen können dazu beitragen.
  • Strahlung: UV-Licht (bes. UV-B), natürliche (kosmische, terrestrische und interne Strahlung) und baubedingte (Radon) Hintergrundstrahlung, medizinisch-technische Strahlenbelastung.
  • Radikale Sauerstoffspezies (ROS)
  • Chemikalien: Arsen, Benzol, Benzpyren.
  • Viren: HPV (Zervixkarzinom), Herpes-Viren wie EBV (Burkitt-Lymphom, Nasopharynxkarzinom in Asien) und HHV-8 (Kaposi-Sarkom bei AIDS-Kranken).

DNA-Schäden

  • Basenveränderungen. Bsp.: Cytosin kann leicht zu Uracil desaminiert werden. Damit diese Form der Mutation von den Reparaturmechanismen leichter erkannt werden kann, wird in der DNA anstelle von Uracil (welches in der RNA verwendet wird) die Base Thymin (Methyluracil) benutzt. So kann das Auftauchen von Uracil in der DNA eindeutig als Mutation interpretiert werden.
  • Pyrimidin-Dimere - Sie entstehen durch die kovalente Verbindung zweier benachbarter Thymine oder Cytosine in der Epidermis durch UV-Licht. Thymidin-Dimere sind häufiger, aber unkomplizierter, da sie bei der Replikation meist korrekt mit Adenin gepaart werden. Cytosin-Dimere sind gefährlich, da sie oft mit Adenin statt mit Guanin gepaart werden, was eine Mutation bedeutet. Die Reparatur beim Menschen erfolgt durch die Nucleotidexzisionsreparatur.
  • Einzelstrangbruch (SSB)
  • Doppelstrangbruch (DSB) - DSBs sind seltener, aber am gefährlichsten.
  • Quervernetzung von DNA-Strängen - Ablesen nicht mehr möglich

DNA-Reparatur[Bearbeiten]

  • Nucleotidexzisionsreparatur - am wichtigsten
  • Doppelstrangbruchreparatur:
    • Homologous end-joining (HEJ)
    • Non-homologous end-joining (NHEJ) - Beteiligte Proteine sind Ku, Xrcc4 und die DNA-Ligase

Pathologie: Xeroderma pigmentosum (XP): Ein Defekt der Nucleotidexzisionsreparatur führt dazu, dass DNA-Schäden, die besonders durch UV-Licht in der Haut entstehen, nicht repariert werden können. Die Kinder kommen äußerlich gesund zur Welt, entwickeln aber bereits im Kindesalter multiple Hauttumoren. Beim Li-Fraumeni-Syndrom liegt eine Keimbahnmutation des Tumorsuppressorgens p53 vor. Die Betroffenen entwickeln bereits in jungem Alter verschiedenartige Tumoren.

Krebsentstehung[Bearbeiten]

  • Inaktivierung von Tumorsuppressorgenen
  • Aktivierung von Onkogenen
  • Mehrschritthypothese

Weblinks: KEGG: Colorectal cancer - Homo sapiens (human), KEGG: Melanoma - Homo sapiens (human)