Wird eine Zelle nicht mehr benötigt oder hat eine schädliche Reaktion auf einen Organismus, so kann sie eine Reaktion auslösen, mit der sie sich selbst vernichtet. Das klingt im ersten Moment recht harsch, ist jedoch eine ungemein überlebenswichtige Reaktion, die in unserem Körper stattfindet. Was genau es mit diesem Phänomen auf sich hat und weshalb es doch gar nicht so schlecht ist, wie es im ersten Moment klingt, erfährst Du nun.
Apoptose – Funktion
Zellen besitzen, genau wie wir Menschen, nur eine bestimmte Lebensspanne. Kommt es vor, dass Zellen ihre Funktion im Körper verlieren oder sich in eine Gefahr für den Körper verwandelt haben, so werden jene Zellen gezielt ausgeschaltet.
Apoptose beschreibt den programmierten Zelltod, auch “Zellselbstmord”, genannt. Hierbei zerfallen planmäßig Einzelzellen.
Apoptose hat eine lebenswichtige Bedeutung und ist insbesondere für das Gleichgewicht des Immunsystems von essenzieller Wichtigkeit. Dies betrifft vorwiegend die T-Lymphozyten.
Die Nekrose ist eine untergeordnete Kategorie der Apoptose und beschreibt den pathophysiologischen – sprich krankhaften – Zelltod.
Fehler im Erbgut, die für die Apoptose zuständig sind, können für den Körper lebensbedrohlich werden – zum Beispiel bei der Tumorentstehung.
Maligne Tumore sind für den Körper besonders gefährlich, da sie eine Apoptoseresistenz besitzen. Die entarteten Zellen können also nicht, wie sonst üblich, ausgeschaltet werden. Tumorzellen sind in der Lage, die extrinsischen und die intrinsischen Prozesse zu umgehen und die entsprechenden Stimuli zu inaktivieren.
Die Apoptose dient vielen verschiedenen Zwecken. Ihre wichtigste Aufgabe ist hierbei die Eliminierung Organismus-schadender Zellen. Zu solchen zählen Zellen, die:
- entartet sind,
- ein verändertes Erbgut vorweisen oder
- inaktiv sind.
Die Apoptose sorgt aber auch dafür, dass der “Zellturnover” kontrolliert und regelmäßig abläuft. Dieses findet beispielsweise im Riechepithel statt. Hier sorgt die Apoptose durch die Zellerneuerung dafür, dass die Gewebefunktion stets gewährleistet werden kann.
Das Riechepithel bzw. die Riechschleimhaut ist eine Schleimhaut im obersten Teil der Nasenhöhle, der die Geruchsrezeptoren enthält.
Apoptose – Ablauf
Eine apoptotische Zelle kann anhand verschiedener Merkmale unter dem Mikroskop erkannt und so als “apoptotisch” definiert werden. Zu diesen Veränderungen zählen:
- Der Volumenverlust des Cytoplasmas und des Zellkerns
- Die Bildung blasenförmiger Säckchen an der Plasmamembran
- Der Zerfall des Zellkerns
- Die Kondensation des Chromatins
- Der Abbau der Mitochondrien
- Die Bildung basophiler Körperchen, welche durch den Zellzerfall entstehen und in kleine Membran-umhüllte Säckchen umgewandelt werden.
Ein Phosphoglycerid namens Phosphatdylserin sorgt dafür, dass die Zellbestandteile von Makrophagen erkannt und phagozytiert werden können. So wird die Zelle nach und nach abgebaut.
Im Jahre 1885 wurde die Apoptose mithilfe von Zellfärbungen an untergehenden Ovarfollikeln erkannt. Dieser Vorgang des programmierten Zelluntergangs wurde von W. Flemming beschrieben. In der heutigen Zeit wird diese Entdeckung als Grundlagenmodell für die Erklärung der hormonellen Regulation der Apoptose genutzt.
Die Apoptose kann nochmals in zwei Unterkategorien aufgeteilt werden. Das ist einerseits die extrinsische und andererseits die intrinsische Apoptose. Beide Mechanismen werden durch unterschiedliche Stimuli ausgelöst. Sie sind von großer Wichtigkeit, denn sie sorgen für den kontrollierten, geregelten Zelltod.
Extrinsische Apoptose
Extrinsisch kann mit dem Wort “außerhalb” gleichgesetzt werden. Dies weist darauf hin, dass die Apoptose in diesem Fall durch äußere Einflüsse ausgelöst wird. Diese kann durch Toxine, Röntgenstrahlen oder eine Infektion durch Viren geschehen.
Das entsprechende Signal wird hierbei über Liganden ausgelöst, die an sogenannte “Todesrezeptoren” binden. Dies führt wiederum zur Bildung des DISC, dem Death inducing signal complex.
In diesem Komplex erfolgt die Aktivierung einer Initiatorcaspase. Diese bildet einen der wichtigsten Faktoren im Mechanismus der Apoptose. Die Caspase gehört zu den Proteasen, sprich den Enzymen, und ist in der Lage Zellproteine und die DNA zu zersetzen.
Intrinsische Apoptose
Die intrinsische Apoptose wird aus dem Zellinneren heraus, genauer gesagt auf dem mitochondrialen Signalweg, ausgelöst. Faktoren hierfür sind etwa Schäden im Erbgut der Zelle oder Stressfaktoren, wie starker Wassermangel, die auf die Zelle einwirken.
In der Zelle sind pro- und antiapoptotische Proteine vorzufinden. Sie sorgen für die Förderung oder Hemmung des programmierten Zelltods. Wichtige proapoptotische Vertreter sind das Bad-Protein und das Bax-Protein. Das Bad-Protein wird durch den Transkriptionsfaktor p53, welcher auf DNA-Schäden reagiert, aktiviert und so vermehrt produziert. Daraufhin wird auch das zweite proapoptotische Protein aktiviert.
Durch die Aktivierung der proapoptotischen Proteine wird die äußere Mitochondrienmembran permeabilisiert und Cytochrom c kann in das Cytosol austreten. Dieser Vorgang hat eine Komplexbildung, ein Apoptosom, zur Folge.
Die weiteren Schritte erfolgen wie bei der extrinsischen Apoptose: Effektorcaspasen werden aktiviert, beginnen Zellproteine zu zerschneiden und so den Zelltod herbeizurufen.
Bedeutung der Caspasen
Caspasen stellen die mitunter wichtigsten Bestandteile in der Signalkaskade der Apoptose dar. Sie gehören zu den Proteasen und sind in der Lage, Peptidbindungen zu spalten.
Beim Menschen sind Stand der jetzigen Forschung 14 Caspasen bekannt. Alle von ihnen nehmen an einer der Signalkaskaden im Verlauf der Apoptose teil.
Die Aktivierung der Caspasen markiert den Beginn der Apoptose. So können weitere Enzyme angeregt werden, die die Zelle und ihr Cytoskelett nun in ihre Einzelteile zerlegen. Die entstandenen Teile sind die sogenannten Apoptosekörper. Diese werden schlussendlich von den Makrophagen phagozytiert und abgebaut.
Es kann zwischen Initiator- und Effektorcaspasen unterschieden werden. Werden diese Mechanismen fehlgesteuert, so kann das schwere Folgen haben.
Ein Beispiel hierfür wäre Chorea Huntington: Hier wird die Initiatorcaspase zu einem falschen Zeitpunkt aktiviert, wodurch gesunde Zellen vernichtet werden.
Im Falle einer Nekrose würden nun auch Zellteile in den Körper gelangen und eine Entzündungsreaktion hervorgerufen werden. Dies ist hier jedoch nicht der Fall. Die Makrophagen zersetzen jeden Bestandteil.
Apoptose - Vergleich Nekrose
Eine Nekrose steht, im Gegensatz zur Apoptose, immer in Verbindung mit einer Entzündungsreaktion und tritt bei Zellgruppen ein. Bei der Nekrose wird der frei entstandene Platz durch eine neue Zelle besetzt. Auch sind in diesem Fall die äußeren Einflüsse für den Zelltod verantwortlich. Dies können chemische, thermische oder mechanische Einflüsse sein, die die Zelle schädigen.
Besonders wichtig ist, dass bei der Nekrose das Zellplasma und die Zellorganellen anschwellen und schlussendlich platzen. Bei der Apoptose ist es genau umgekehrt: Das Cytoplasma schrumpft und es entstehen einzelne Apoptosekörperchen.
Die Nekrose bezeichnet den Tod einer Zelle, hervorgerufen durch die Schädigung ihrer Zellstruktur und der Zellorganellen. Beispiele hierfür wären unter anderem Ischämie, Gifteinwirkung, Verletzungen des Gewebes, Infektionen oder Verlust der Blutzufuhr. Die Nekrose ist immer an eine nachfolgende Entzündungsreaktion gekoppelt.
Bei einer Nekrose wird zuallererst die Zellmembran zerstört. Da eine Zelle ein abgeschlossenes, kompartimentiertes System ist, können nun Wasser und Elektrolyte von außen in die Zelle eindringen und diese zerstören.
Infolge des Kontrollverlusts über den vorherrschenden Konzentrationsgradienten kommt es zu unkontrollierten Ionenflüssen, da die in der Membran sitzenden Ionenpumpen ausfallen. Die Zellorganellen vergrößern sich durch den Flüssigkeitseinstrom und platzen.
Was schlussendlich zur bereits erwähnten Entzündungsreaktion führt, sind intrazelluläre, lysosomale Proteine. Durch deren Freisetzung werden Zellen des Immunsystems angelockt, was die Entzündungsreaktion hervorruft.
Nekrose kann der Medizin nach noch einmal in zwei weitere Kategorien unterschieden werden:
- Suizidale Nekrose (nekrotische Apoptose)
- Akzidentelle Nekrose (klassische Nekrose)
Wissenschaftler sind sich uneinig, wie tiefgreifend sich Apoptose und Nekrose wirklich unterscheiden. Es besteht die Theorie, dass das Ausmaß des programmierten Zelltods je nach Ausgangsbedingungen mehr in Richtung Nekrose oder Apoptose gehen kann.
Apoptose – Krankheiten
Die Apoptose sorgt dafür, geschädigte oder kranke Zellen des Körpers zu vernichten. So sollen Krankheiten verhindert werden. Liegen Fehler im Apoptoseprogramm vor, bspw. verminderte Apoptose, können unter anderem Krebs oder Autoimmunerkrankungen entstehen.
Viren sind in der Lage, Apoptose zu hemmen. Sie besitzen also antiapoptotische Mechanismen, wodurch etwa Krankheiten wie Herpes oder Pocken ausgelöst werden können. Das Virus ist nicht vermehrungsfähig, sofern ihm diese Proteine fehlen.
Das HI-Virus hat eine besondere Wirkung auf die Apoptose. Es besitzt, wie viele andere Viren auch, antiapoptotische Mechanismen, ist jedoch in der Lage auch in nicht infizierte Zellen Apoptose zu induzieren. Dies trifft dann primär die T-Lymphozyten der Immunabwehr.
Apoptose Tumorzellen
Viele Medikamente, die während der Behandlung von Tumoren eingesetzt werden, entfalten ihre Wirkung indirekt über den programmierten Zelltod. Maligne Tumore sind für den Körper besonders gefährlich, da sie eine Apoptoseresistenz besitzen.
Die entarteten Zellen können also nicht, wie sonst üblich, ausgeschaltet werden. Tumorzellen sind in der Lage, die extrinsischen und die intrinsischen Prozesse zu umgehen und die entsprechenden Stimuli zu inaktivieren.
Ein wichtiger Faktor ist der bereits erwähnte Transkriptionsfaktor p53. Dieser ist in Tumoren mutiert, wodurch sich eine geschädigte Zelle weder selbst reparieren, noch via Apoptose zerstören kann.
Apoptose - Das Wichtigste
- Apoptose ist der programmierte Zelltod.
- Die Apoptose kommt bei inaktiven oder entarteten Zellen oder bei Zellen mit veränderter DNA zum Einsatz.
- Die Nekrose ist immer mit einer Entzündungsreaktion verbunden, während die Apoptose durch eine in der Zelle aktivierte Selbstzerstörungssequenz ausgelöst wird.
- Apoptose kann in extrinsische und intrinsische Apoptose eingeteilt werden.
- Die Nekrose wird in suizidale (nekrotische Apoptose) und in akzidentelle Nekrose (klassische Nekrose) unterteilt.
- Caspasen sind mitunter der wichtigste Bestandteil der Signalkaskade und aktivieren Enzyme, welche wiederum die Zelle abbauen.
- Werden zu viele proapoptotische Proteine aktiviert, kann es zu schweren Krankheiten führen.
Nachweise
- uniklinik-duesseldorf.de: Apoptose: die Selbstvernichtung der Zelle als Überlebensschutz. (01.06.2022)
- klinikum.uni-heidelberg.de: Apoptose: Neue Resistenzmechanismen. (01.06.2022)
- uni-giessen.de: Apoptose: Prinzip (colorimetrischer Nachweis der Caspase-3). (01.06.2022)
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