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Apoptose – genetisch programmierter Zelltod

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Maja O.
Apoptose – genetisch programmierter Zelltod
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema Apoptose – genetisch programmierter Zelltod

Inhalt

Apoptose – genetisch programmierter Zelltod

Der Begriff Zelltod scheint auf den ersten Blick negativ belastet zu sein. In der Biologie unterscheidet man zwei Arten des Zelltodes: die Apoptose und die Nekrose.
Unter Nekrose versteht man den unnatürlichen Zelltod. Die Zelle wird beispielsweise durch mechanische Einflüsse, Zellgifte (Toxine) oder Sauerstoffmangel so stark beschädigt, dass letztendlich das Zellinnere unkontrolliert austritt. Dieser Zelltod geht immer mit einer Entzündungsreaktion einher.
In der Biologie bezeichnet man den natürlich initiierten Zelltod als Apoptose. Bei diesem aktiven Prozess bringt sich die Zelle selbst um. Dieser Vorgang wird streng reguliert und kann nicht rückgängig gemacht werden. Aber warum ist die Apoptose so wichtig für den Körper?

Apoptose – Definition

Apoptose ist der genetisch programmierte, aktive Zelltod und kann in jeder Körperzelle stattfinden. Die Zelle verdaut sich letztendlich selbst. So kann auch kein Zellplasma unkontrolliert freigesetzt werden, eine Entzündungsreaktion wie bei der Nekrose bleibt aus.

Zudem ist die Apoptose wichtig für die körpereigene Kontrolle der Zellzahl und für das Immunsystem, da somit infizierte und defekte Zellen eliminiert werden können.

Wann es zur Apoptose kommt, ist abhängig von dem jeweiligen Zelltyp. Darmepithelzellen sterben im Durchschnitt nach 1,4 Tagen. Im Vergleich dazu haben Muskelfaserzellen eine Lebensdauer von 15 Jahren.

Apoptose – Beispiel

Die Apoptose gehört zur normalen Entwicklung von Lebewesen. Bereits im Mutterleib wird die Embryonalentwicklung maßgeblich von der Apoptose beeinflusst. Ein gutes Beispiel ist die Entwicklung der Finger, da zunächst Schwimmhäute zwischen den Fingeranlagen vorhanden sind. Zur Ausbildung der typischen Fingerform müssen die Zellen der Schwimmhäute durch die Apoptose entfernt werden. Den gleichen Prozess kann man auch bei der Metarmorphose von Kaulquappen zum Frosch beobachten.

Apoptose – Ablauf

Damit die Apoptose ablaufen kann, werden bestimmte Signale vom Zellinneren oder Zelläußeren benötigt. Die Auslösung der Apoptose wird auch als Initiierung bezeichnet. Die Initiierung erfolgt durch ein äußeres oder inneres Signal. Eine Apoptose, welche durch äußere Signale initiiert wird, bezeichnet man als extrinsische Apoptose. Im Umkehrschluss wird die Apoptose durch die Initiierung eines inneren Signals als intrinsische Apoptose bezeichnet.
Ein äußeres Signal kann von einer Immunzelle gegeben werden. Innere Signale beziehen sich auf starke Schädigungen der inneren Zellkompartimente durch beispielsweise Strahlung oder Chemotherapeutika. Wenn die Zelle zu alt ist, kann der Zelltod auch durch innere Signale eingeleitet werden.

Die Ausführung der Apoptose wird als Exekution bezeichnet. Einmal ausgelöst, kann die Apoptose nicht mehr aufgehalten werden. Caspasen haben eine besondere Bedeutung bei der Exekution. Sie gehören zu den Proteasen. Diese Enzyme können Proteine und Peptide spalten. Caspasen sind bei dem Abbau der Zellmembran und des Zytoskeletts beteiligt und setzen eine Welle von Aktivierungsprozessen in Gang. So können viele weitere Proteine aktiviert werden, die an verschiedenen Stellen zum Abbau der Zellbestandteile beitragen. Beispielsweise werden DNAsen aktiviert. Diese Enzyme bauen die DNA der Zelle ab, gleichzeitig werden die zelleigenen DNA-Reparaturmechanismen gehemmt.
Der letzte Schritt der Apoptose ist die Eliminierung. Die Zelle wird in kleine Vesikel abgeschnürt, welche anschließend von Makrophagen durch Phagozytose aufgenommen und verdaut werden.

Als Beispiel für den Mechanismus der Apoptose kannst du dir die nachfolgende Darstellung ansehen.

Ablauf der Apoptose in einer eukaryotischen Zelle

Warum funktioniert die Apoptose bei Krebszellen nicht?

Der Mechanismus der Apoptose ist sehr gut. Aber warum funktioniert die Apoptose bei Krebszellen nicht?
Wenn die Apoptose nicht mehr funktioniert, können Krankheiten entstehen. Zu viele aber auch zu wenige abgestorbene Zellen sind schädlich für den Körper. Die Apoptose ist bei Krebszellen meist inaktiviert. Dadurch können sich Krebszellen unkontrolliert vermehren, wachsen und somit Tumore bilden. Hierbei spielt das Tumorsuppressor-Gen p53 eine wichtige Rolle. Es leitet normalerweise die Apoptose und die DNA-Reparatur ein. Bei einem Ausfall des Gens, z. B. durch eine Mutation, wird die Apoptose deaktiviert und es können sich Zellen trotz geschädigter DNA vermehren – Krebszellen entwickeln sich.

Apoptose – Zusammenfassung

  • Apoptose ist der genetisch programmierte Zelltod.
  • Nekrose ist der spontane Zelltod, beispielsweise durch äußere, mechanische Einflüsse, welcher immer mit einer Entzündungsreaktion einhergeht.
  • Die Apoptose ist streng reguliert. Einmal ausgelöst kann diese nicht mehr rückgängig gemacht werden.
  • Der Ablauf der Apoptose verläuft in den folgenden Schritten: Initiierung, Exekution und Phagozytose
  • Wichtig für den korrekten Ablauf der Apoptose sind Caspasen und das Gen p53.
  • Bei Krebszellen ist die Apoptose inaktiv.

Du hast nun gelernt, welche Bedeutung und Funktion die Apoptose hat und du kannst die Apoptose ganz einfach erklären. Dein Wissen kannst du im Anschluss mit den entsprechenden Arbeitsblättern überprüfen.

Transkript Apoptose – genetisch programmierter Zelltod

Hallo. Willkommen zum Video zum Thema genetisch programmierter Zelltod. In diesem Video wird auf folgende Fragen eingegangen: Was ist genetisch programmierter Zelltod? Wozu dient er? Wie läuft er ab? Welche Enzyme sind beteiligt? Und welche Rolle spielt der programmierte Zelltod bei Krebserkrankungen? Der genetisch programmierte Zelltod wird auch mit dem Fachbegriff Apoptose bezeichnet. Die Apoptose ist nicht einfach ein Absterben und Zerfallen der Zelle, sondern ein aktiver Prozess, bei dem sich die Zelle selber umbringt – also eine Art Selbstmordprogramm. Es handelt sich dabei um einen sinnvollen, streng regulierten Vorgang. Pro Sekunde sterben im menschlichen Körper etwa fünfzig Millionen Körperzellen. Dementsprechend wird die gleiche Anzahl an Körperzellen neu gebildet. Unterschiedliche Körperzellen haben eine unterschiedliche zellspezifische Lebensdauer, bevor die Apoptose abläuft. Die Darmzellen im Epithel, also in der äußeren Schicht des Darms, erneuern sich schnell innerhalb von durchschnittlich 1,4 Tagen. Bei roten Blutkörperchen sind es 120 Tage und bei Muskelfaserzellen sogar 15 Jahre. Kommen wir jetzt zu der Rolle der Apoptose. Die Apoptose findet bereits im Mutterleib statt und ist ein wichtiger Vorgang bei der Embryonalentwicklung vieler Lebewesen. Embryos haben beispielsweise zunächst statt Händen eine Art Paddel mit Schwimmhäuten. Damit sich die Finger ausbilden können, sterben die Zellen dazwischen durch Apoptose ab. Ähnlich funktioniert die Rückbildung des Schwanzes bei einer Kaulquappe, die sich in einen Frosch verwandelt. Auch im erwachsenen Organismus ist die Apoptose wichtig für die Kontrolle der Zellzahl und somit den Erhalt der Gewebestruktur. Außerdem ist die Apoptose sehr wichtig für das Immunsystem, also die körpereigene Abwehr. Sie bewirkt die Eliminierung von infizierten oder beschädigten Zellen, indem diese Selbstmord begehen. Wir kommen jetzt zum Ablauf der Apoptose. Die Initiierung, also die Auslösung der Apoptose kann durch äußere oder innere Signale erfolgen. Ein äußeres Signal ist zum Beispiel eine Immunzelle oder Strahlung oder Chemotherapeutika. Und ein inneres Signal wäre zum Beispiel eine starke Schädigung der DNA, also des Erbmaterials, oder wenn die Zelle zu alt ist. Bei der Exekution, also der Ausführung der Apoptose sind vor allem Caspasen beteiligt. Diese gehören zu den Proteasen. Proteasen sind eiweißspaltende Enzyme. Die die Apoptose auslösende Prozesse leiten eine Kaskade von Reaktionen ein, die letztendlich zum programmierten Auflösen der Zelle führen. Die Caspasen sind aktiv beim Abbau von Substanzen in der Zellkernmembran und des Zytoskeletts. Andererseits aktivieren sie andere Proteine, darunter DNasen. Diese DNasen zersetzen die DNA in kleine Fragmente. Damit das möglich ist, wird gleichzeitig die DNA-Reparatur unterdrückt. Beim weiteren Ablauf schnürt die Zelle Vesikel ab. Das bedeutet, die Zelle bildet Wölbungen auf ihrer Oberfläche, die als ein Haufen kleiner Zellstücke abgelöst werden. Diesen Prozess kannst du dir bildlich ungefähr so vorstellen: Diese kleinen Zellpartikel werden von Makrophagen aufgenommen. Diesen Prozess bezeichnet man als Phagozytose, die Aufnahme und Zersetzung durch Makrophagen. Diese werden dementsprechend auf Fresszellen genannt. Die Zellbestandteile können teilweise von anderen Zellen recycelt werden. Wir kommen jetzt zum Thema Apoptose und Krebs. Wenn der genetisch programmierte Zelltod nicht mehr funktioniert, können viele Krankheiten entstehen. Sowohl zu viel, als auch zu wenig abgestorbene Zellen können zu Krankheiten führen. Bei Krebszellen ist der programmierte Zelltod meist inaktiviert. Das heißt, dass Zellen, die einen fehlerhaften Zellzyklus aufweisen, sich unkontrolliert vermehren und wachsen können. Dies kann zu der Bildung von Tumoren führen. Eine zentrale Rolle bei der Kontrolle der Apoptose spielt das Gen p53. Es gehört zu den Tumorsuppressorgenen. Es fungiert als Transkriptionsfaktor für mehrere Zielgene, die bei der Apoptose beteiligt sind. Zu diesem Thema findest du mehr Informationen im verlinkten Video. Fassen wir zusammen, was du in diesem Video gelernt hast: Du hast gelernt, dass der genetisch programmierte Zelltod mit dem Fachbegriff Apoptose bezeichnet wird. Außerdem weißt du jetzt, dass dieser ein aktiver, sinnvoller und streng regulierter Prozess ist. Außerdem hast du den Ablauf der Apoptose gelernt. Die Initiierung, also die Auslösung, erfolgt durch äußere und innere Signale. Die Exekution, also die Ausführung, erfolgt unter anderem durch Caspasen. Danach kommt es zur Zersetzung der Zelle in Zelltrümmer. Im letzten Schritt, der Phagozytose, werden diese Zelltrümmer durch Makrophagen aufgenommen. Außerdem hast du gelernt, dass bei Krebszellen die Apoptose inaktiviert wird. Dadurch kann es zur Bildung von Tumoren kommen. Danke für’s Zuschauen. Tschüss, bis zum nächsten Video.

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. Echt Klasse Video :-)

    Von Achmed P., vor mehr als 9 Jahren
  2. Ich freue mich, dass dir das Video geholfen hat! :)

    Von Maja O., vor mehr als 9 Jahren
  3. Vielen Dank für die einfache Erklärung! Hat mir sehr geholfen! :)

    Von Nicca, vor mehr als 9 Jahren

Apoptose – genetisch programmierter Zelltod Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Apoptose – genetisch programmierter Zelltod kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne zentrale Aussagen zum genetisch programmierten Zelltod.

    Tipps

    Ein Erwachsener besteht aus 100 Billionen, also 100.000.000.000.000 einzelnen Zellen.

    Zellen, die die Oberfläche von Gewebe bilden, haben oft eine niedrigere Lebenserwartung.

    Lösung

    Die Apoptose ist ein von dem vielzelligen Organismus wie zum Beispiel dem Menschen gewünschter Vorgang, bei dem unerwünschte Zellen aktiv und zielgerichtet absterben. Aktiv bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Zelle aufgrund eines körpereigenen Signals mit dem Sterben beginnt. Wie dieser Vorgang abläuft, ist in der DNA jeder Zelle genau festgelegt. Sobald eine Zelle ihre Funktion nicht mehr richtig erfüllt oder mit Bakterien oder Viren infiziert wurde, wird diese sozusagen gestorben. Bei 100 Billionen Körperzellen ist es auch nicht schlimm, wenn 50 Millionen pro Sekunde den Zelltod einleiten, erst recht nicht, weil pro Sekunde fast genauso viele neu gebildet werden. Die unterschiedliche Lebensdauer der Zellen hängt mit ihrer Funktionsweise zusammen. Manche Drüsenzellen platzen auf, um die in ihrem Inneren synthetisierten Stoffe freizugeben.

  • Bestimme die Funktionsweise der Apoptose.

    Tipps

    Die Endung „-asen" beschreibt meist ein Enzym.

    Lösung

    Der Mechanismus der Apoptose ist in drei Schritte gegliedert:

    • 1. Initiation
    • 2. Exekution
    • 3. Phagocytose
    • Bei der Initiation löst ein spezifisches Signal den Mechanismus aus.
    • Bei der Exekution werden die Zellbestandteile abgebaut und in Vesikel verpackt.
    • Bei der Phagocytose werden die Vesikel und die übrigen Zellfragmente von Nachbarzellen oder Makrophagen aufgenommen.
  • Definiere den Begriff Nekrose.

    Tipps

    Immunreaktionen erfordern Energie.

    Signalinduziert bedeutet, dass etwas aufgrund eines Signals passiert. In der Biologie geschieht dies häufig durch bestimmte Stoffe.

    Lösung
    • Die Apoptose ist ein vom Organismus gewollter, aktiv eingeleiteter Vorgang. Bei der Embryonalentwicklung müssen überflüssige Zellen gerichtet abgebaut werden. Das Immunsystem sorgt für den Abbau infizierter oder kaputter Zellen, und schädlich mutierte Zellen müssen ebenfalls abgebaut werden, um Tumore zu verhindern.
    • Die Nekrose passiert im Prinzip immer dann, wenn man sich verletzt, also wenn eine Zelle durch „Fremdverschulden" stirbt.
    • Manchmal wird die Apoptose von einem äußerlichen Reiz ausgelöst. Häufig geschieht dies durch eine T-Zelle des Immunsystems, welche mit dem sogenannten Todesrezeptor in Wechselwirkung tritt. An anderer Stelle wird eine Verkettung verschiedener Signale von einem zelleigenen Reiz wie zum Beispiel Schäden an der DNA oder osmotischem Stress ausgelöst.
  • Unterscheide die Merkmale der Apoptose und der Nekrose.

    Tipps

    Zu einer Entzündung kommt es immer dann, wenn Stoffe (zum Beispiel Zellbestandteile) aus dem Gewebe heraus transportiert werden müssen.

    Lösung

    Ein wesentlicher Unterschied zwischen Apoptose und Nekrose besteht darin, dass durch die sehr zielgerichteten und geplanten Prozesse der Apoptose verhindert wird, dass die entstehenden Zellbestandteile der toten Zelle in das umliegende Gewebe ausgeschüttet werden. Wäre dies der Fall, würden Entzündungsreaktionen entstehen, die dazu führen sollen, diese Fremdkörper aus dem Gewebe herauszutransportieren. Bei der Apoptose werden die Zellreste vermehrt auf die umliegenden Zellen verteilt, wodurch die Nährstoffe und Zellbestandteile nicht verlorengehen, sondern sozusagen recycelt werden. Ein weiterer wichtiger Unterschied ist, dass bei der Apoptose Prozesse unter Energieverbrauch (ATP) ablaufen, damit der Zelltod in geregelte Bahnen gelenkt werden kann. Dieser Energieverbrauch ist aber geringer als die energetischen Kosten, die bei der durch die Nekrose verursachten Immunreaktion entstehen.

  • Fasse die Merkmale der Apoptose zusammen.

    Tipps

    Bei der Apoptose wird zuerst ermittelt, bei welcher Zelle sie stattfinden soll. Als nächstes wird sie durchgeführt, und schließlich werden die Zellfragmente recycelt.

    Ein Erwachsener besteht aus 100 Billionen (100.000.000.000.000) einzelner Zellen.

    Lösung

    • Im menschlichen Körper sterben pro Sekunde 50.000.000 Körperzellen (50 mio. nicht 5 mio.)
    • Die Apoptose ist ein sinnvoller, streng regulierter Prozess, der durch körpereigene Prozesse ausgelöst wird. Das Sterben von Zellen durch z.B. Verletzungen wird Nekrose genannt.
    Die Apoptose ist ein wichtiger Mechanismus, um die schädlichen Auswirkungen defekter und kranker Zellen zu verhindern. Ist beispielsweise eine Epithelzelle der Haut defekt, könnten Keime ungehindert in den Organismus eindringen. Daher muss diese ausgetauscht werden. Im Grunde funktioniert die Apoptose wie der erste Schritt bei der Reparatur eines Autos: Ist ein Teil defekt und kann nicht repariert werden, muss dieses ausgebaut werden, damit es ersetzt werden kann. Dieser Prozess des Ausbaus ist mit der Apoptose zu vergleichen, nur das hier (im Gegensatz zu einer Autowerkstatt) die kaputten Zellbestandteile im Organismus verbleiben und wiederverwendet werden können.

  • Erläutere den medizinischen Nutzen der Apoptose.

    Tipps

    Nicht nur eine beeinträchtigte Apoptose kann Erkrankungen verursachen. Auch eine verstärkte Apoptose kann sämtliche Krankheiten wie Multiple Sklerose oder das Parkinson-Syndrom hervorrufen.

    Lösung

    Wissenschafter haben herausgefunden, dass eine beeinträchtigte oder verstärkte Apoptose die Ursache für sämtliche Erkrankungen sein kann. Die Ursache von Krebserkrankungen ist die gehemmte Apoptose. Diese wird von den Krebszellen inaktiviert, sodass der Körper nicht auf die Tumorzellen reagieren und diese entarteten Zellen zerstören kann. Daher suchen Wissenschaftler nach Wegen, die gehemmte Apoptose durch körpereigene Botenstoffe wieder zu aktivieren. Wichtig dabei ist, dass die Apoptose speziell in den Tumorzellen aktiviert werden soll, sodass gesunde Zellen davon keinen Schaden nehmen.

    Wissenschaftler glauben, dass diese Therapie als Waffe gegen den Krebs und sämtliche andere Krankheiten genutzt werden kann.

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