Monday, March 5, 2012

Vom Altern und der Unsterblichkeit, und wieso wir eigentlich Falten bekommen.

Ich finde es ist an der Zeit mal wieder was "wissenschaftliches" (mind the Anführungszeichen, haha) auf dem Blog zu posten, und dachte mir ich widme mich dabei einem Thema das ja doch so manche beschäftigt, und mich selbst schon seit Jahren fasziniert und interessiert: Die Frage, warum wir eigentlich altern, warum wir alt werden und es (noch) keine "ewige Jugend" gibt. Wieso wir nicht Unsterblich sind, ob es so etwas wie Unsterblichkeit eigentlich gibt oder sie grundsätzlich möglich ist, und ob sie für uns Menschen erreichbar wäre.
Und einen ganz kurzen, weniger philosophisch angehauchten Ausflug zur Frage, wieso wir im Alter Falten bekommen :D


Um über das Altern in wissenschaftlicher Hinsicht zu sprechen, sollten wir erstmal den Körper auf zellulärer Ebene betrachten. Einzelne Zellen können wachsen und sich teilen, wobei es wichtig ist dass sie bei jeder Teilung die "Tochterzellen" das exakt selbe Erbgut erhält wie die ursprüngliche Zelle. Dazu muss die DNA komplett und 1:1 kopiert werden.

Normale Zellen können diesen Vorgang der DNA-Replikation und Teilung aber nicht beliebig oft durchführen, denn der DNA-Kopiervorgang läuft bei jedem Durchgang nicht ganz bis zu den Enden, ein Teil des Erbguts geht von mal zu mal verloren d.h. mit jeder Teilung werden die DNA Stränge etwas kürzer. Das ist jedoch zunächst kein Problem, denn an den Enden der DNA Stränge befinden sich die sog. Telomere. Dies sind nicht-codierende Abschnitte die quasi als "Puffer" da sind. Mit jeder Teilung werden sie etwas kürzer, was aber kein Problem darstellt, da sie ja für nichts codieren. So wird sichergestellt, dass mit der Zeit keine relevante Information im Erbgut verloren geht. Allerdings funktioniert das auch nur begrenzt - denn irgendwann sind die Telomere zu kurz, weitere DNA Replikation würde dazu führen dass bereits essentielle Teile der DNA Stränge verloren gehen, somit kommt die Teilungsmaschinerie zum Halten und die Zelle kann sich nicht mehr Teilen.

Chromosomen (= stark verdichtete DNA Stränge) mit Telomeren an den Enden (in weiß) (via)

Bestimmte Zellen können aber das Enzym Telomerase Reverse Transcriptase produzieren, das an den Enden der DNA die Telomere wieder verlängert. Somit haben diese Zellen das Potential ich ewig zu teilen. Stammzellen können das zum Beispiel, und müssen das auch können, denn sie sorgen ja zumeist für konstanten "Nachschub" an somatischen Zellen.

Somatische Zellen (also "normale" Körperzellen bzw. differenzierte Zellen) haben dieses Enzym nicht. Die Zahl an Teilungen, die sie vollziehen können bevor die Telomere zu kurz sind, nennt sich Hayflick Limit und ist je nach Zelltyp ein wenig unterschiedlich. Ist dieses Limit in einer normalen Zelle erreicht, wird sie sich nicht mehr teilen, da sonst beim Kopieren der DNA essentielle Information verloren ginge.

Der Prozess der sich Verkürzenden Telomere von Teilung zu Teilung kann als das "Altern" der Zelle betrachtet werden. Ist die Zelle "zu alt" teilt sie sich nicht mehr, und geht in einen Zustand über der sich Seneszenz nennt. In diesem Zustand kann sie sich nicht mehr teilen, aber noch all ihre physiologischen Funktionen erfüllen.
Das Ganze hat einen wichtigen Nutzen:
Die Replikation der DNA, die jeder Zellteilung vorausgeht, ist ein sehr sensibler Prozess bei dem leicht Fehler in Form von Mutationen passieren können. Entweder sie sind so gravierend dass überhaupt nichts mehr funktioniert und die Zelle abstirbt. Oder sie sind klein und unauffällig. Normalerweise werden diese Mutationen meist von der Zelle selbst erkannt und im Idealfall auch repariert, ansonsten begeht die Zelle durch eine Ausgeklügelte Enzym-Maschinerie Selbstmord, sie geht in Apopotose. Wenn jedoch Mutationen in dieser Kontrollmechanismus selbst passieren, nimmt das Unheil seinen Lauf... mehr dazu später. Der Clou an der Sache: Indem die Zelle sich nicht unendlich, sondern nur einige Male teilen kann, wird verhindert dass sich Mutationen anhäufen, sodass es hoffentlich erst gar nicht zu dem kritischen Punkt kommt, an dem sie zu einer Krebszelle wird.

Dem Altern der Zellen entgegen wirkt, wie schon erwähnt, das Telomerverlängernde Enzym Telomerase Reverse Transcriptase, zum Beispiel in den Stammzellen. Sie sind quasi-unsterblich, und besitzen, solange sie mit Nährstoffen versorgt werden, endloses Potential sich zu teilen. Das bedeutet jedoch auch, dass sich Mutationen in ihnen anhäufen könnten...
Aber nicht nur Stammzellen in unserem Körper besitzen dieses Enzym, sondern auch die meisten Krebszellen.
Auch die Krebszelle wird dadurch "unsterblich", denn sie kann sich unendlich oft teilen, selbst wenn sie ursprünglich gar keine Stammzelle sondern eine normale somatische Zelle war.

(A) hESC (human embryonic stem cells) (B) eine ausdifferenzierte Nervenzelle (via)

Diese "Unsterblichkeit" der Krebszellen macht man sich sogar zunutze.
Zellkulturen sind nur mit immortalized cell lines möglich, das sind Zellen die derart mutiert sind, dass sie Telomerase Reverse Transcriptase exprimieren und sich unendlich teilen können. Anders könnte man in Zellkulturen gar nicht genügend Zellen zusammenbekommen um an ihnen zu forschen und zu experimentieren.
Die wohl am Häufigsten verwendeten Zellen in Zellkulturen sind die sog. HeLa Zellen - sie waren die ersten menschlichen Zellen die erfolgreich kultiviert und auf Dauer in Kultur am Leben erhalten werden konnten, und stammen ursrprünglich von einem äußerst agressiven Gebärmutterhalskrebs einer Frau die seit über 50 Jahren tot ist. Die Krebszellen jedoch "leben" immernoch.... und liefern somit ein zweifelhaftes Beispiel für eine hypothetische Unsterblichkeit.

HeLa Zellen bei der Teilung (links ein SEM Bild, rechts vermute ich mal normales Lichtmikroskop) (via)

Die Frage, ob es auch für uns Menschen möglich wäre, unsterblich zu werden, hat uns die moderne Medizin zum Teil eigentlich bereits beantwortet.
Die Lebenserwartung ist heute viel höher als noch vor einigen hundert Jahren. Und die Krankheit die wir heute nach Kräften zu bekämpfen versuchen, ist damit unmittelbar verbunden: Krebs.
Ob man an Krebs erkrankt ist eine Frage der Wahrscheinlichkeit. Jede Zellteilung resultiert mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in einer fehlerhaften Zelle, in einer Krebszelle. Eine gewisse Zahl an Mutationen ist nötig um damit eine Zelle vollends "entartet", doch je öfter sich die Zellen teilen, umso mehr häuft sich diese Wahrscheinlichkeit auch.
Ein langes Leben bedeutet auch viele Zellteilungen. Unweigerlich also, dass Krebs mit höherer Wahrscheinlichkeit im Alter auftritt, und daher heutzutage ein viel größeres Problem darstellt als zB im Mittelalter, wo die Leute schlichtweg nicht alt genug wurden um überhaupt an Krebs zu erkranken.

Wenn man also mit dem Gedanken an die Unsterblichkeit spielt, stellen sich zwei Probleme:
Einerseits die Häufung der Mutationen und das erhöhte Krebsrisiko, dem man irgendwie entgegenwirken müsste, und andererseits die vielen anderen Apsekte des Alterns, wie die Änderungen im Metabolismus, und natürlich auch noch die Tatsache dass man am Ende immernoch von lebensgefährlichen Krankheiten wie schweren Infektionen, Unfällen und dergleichen dahingerafft werden kann.

Eine Überlegung ersteres Problem zu umgehen wäre es vielleicht, den Zellzyklus irgendwie zu verlangsamen, sodass über eine zeitlich längere Periode weniger Teilungen passieren. Aber solange wir kein universelles Heilmittel gegen Krebs gefunden haben, dass es von der aktuellen Geißel der Menschheit ebenso zu einer Lappalie degradiert wie dies mit den meisten Infektionskrankheiten geschehen ist, wird auch dies auf die Dauer keine Unsterblichkeit bringen.
Schlussendlich kann die Wissenschaft das Leben maximal verlängern, aber für die eigentlich "Unsterblichkeit" müsste man ja auch noch unverwundbar sein.

MEF Zellen (mouse embryonic fibroblasts), oben im normalen Zellzyklus begriffen, darunter im Stadium der Seneszenz. Mit dem Anhalten des Zellzyklus geht eine Veränderung der Form Hand in Hand. Die Zellen werden flacher, größer, und exprimieren  β-galactosidase (in türkis zu sehen), welches daher auch als Biomarker verwendet wird um seneszente Zellen aufzuspüren. (via)

Unsterblichkeit ist aber auch dann noch nicht gleichzusetzen mit "ewiger Jugend".
Wobei wir wieder beim Thema "Altern" wären, und beim zweiten "Problem" der Unsterblichkeit.
Was passiert mit dem Körper, während wir altern, und was unterscheidet einen alten Menschen von einem Jungen? Es gibt eine Menge Theorien und Modelle, die das komplexe "Phänomen" des Alterns zu beschreiben oder erklären versuchen, die die Englische Wikipedia (v.A. der zweite Absatz "Seneszenz") meiner Meinung nach sehr schön zusammenfasst.

Altern bedeutet, dass der Körper zunehmend langsamer und schlechter auf (physiologischen) Stress reagieren kann, dass er generell anfälliger wird für Krankheiten. Tod ist die ultimative Konsequenz des Alterns, somit hängen Unsterblichkeit und ewige Jugend untrennbar zusammen. Das Potential zur Unsterblichkeit alleine nützt nichts, wenn man die Effekte des Alters auf den Körper nicht aufheben bzw ihnen entgegenwirken kann.
Einige Gene spielen eine Rolle (wobei meist nicht ganz klar ist wie genau) - das Mainpulieren oder Ausschalten dieser Gene hat in Tierversuchen zu erheblicher Verlängerung der Lebenspannen geführt, aber auch die Lebensumstände wie z.B. die Ernährung spielen eine Rolle.

"Lebensumstände" ist ein gutes Stichwort, denn wie ja vermutlich alle Wissen sind diese auch ein Schlüsselaspekt wenn es um Krebs gebt.
Es gibt die sog. "Risikofaktoren", was im Grunde nur bedeutet dass diese Faktoren - zum Beispiel Rauchen, exzessive UV-Bestrahlung durch Sonnenbaden oder Arbeit im Freien, bestimmte Ernährungsgewohnheiten - das Risiko erhöhen, dass Mutationen im Körper passieren, und es vielleicht irgendwann zu Krebs kommt. Es kann, aber muss nicht passieren. Für jeden einzelnen sollte es jedoch erstrebenswert sein, die Risikofaktoren in seinem Leben möglichst gering zu halten.

Wie man also sehen kann, sind "Altern" und "Unsterblichkeit" untrennbar miteinander verbunden.
Vielleicht wird es der Wissenschaft eines Tages gelingen, sprichwörtlich dem Tod ein Schnippchen zu schlagen, und vielleicht werden die Menschen eines Tages so alt wie die Sequoia-Bäume und älter.
Ich halte es jedenfalls nicht für unmöglich, wenn ich mir ansehe wie sich die Lebenserwartung in Laufe der Zeit mit den steigenden technischen Möglichkeiten drastisch verändert hat. Ich glaube, dass sich diese Entwicklung fortsetzen wird. Vielleicht nicht so rasant wie in den letzten 100 Jahren, aber dennoch.



Ich möchte nun zum Schluss noch auf einen bestimmten Aspekt des Alterns näher eingehen, den wohl jeder von uns (vor Allem die Frauen ^^) besonders gut kennen: Falten!

Dazu muss ich ein bisschen ausholen und ein paar Worte über die Atmungskette verlieren, aber keine Sorge, ich werde es sehr oberflächlich halten (ich hatte die zweifelhafte Ehre den ganzen Prozess mit allen dazugehörigen Enzymen auswendig lernen zu dürfen... das war schon schlimm genug! ^^)

Sauerstoff dient in unserem Metabolismus als finaler Elektronenakkzeptor in der Elektronentransportkette. Wir produzieren in unseren Zellen Energie, indem wir - grob gesagt - Protonenpumpen betreiben, und das funktioniert durch einen "Fluss" von Elektronen von Molekülen mit niederiger Elektronegativität zu etwas mit sehr hoher Elektronegativität - und das ist der Sauerstoff (daher "finaler Akkzeptor"). Am Ende wird er umgewandelt in Wasser - und das passiert in zwei Schritten. Die "überschüssigen" Elektronen der Elektronentransportkette führen zur Bildung von Radikalen, die aber im Idealfall von Enzymen "gefangen" werden und so lange gefangen bleiben, bis die Umwandlung in Wasser vollständig ist. Vitamin C und E sind Kofaktoren für Anti-Oxidantien, das sind Enzyme die in der Lage sind, freie Radikale einzufangen und unschädlich zu machen.
Wenn das aber mal nicht funktioniert, können die Radikale ausbrechen und in der Zelle und sogar außerhalb der Zelle immensen Schaden anrichten, da das überflüssige Elektron es ihnen erlaubt, die chemischen Bindungen der sie umgebenden Stoffe anzugreifen und aufzubrechen.
Das kann zu Schaden an funktionalen Enzymen aber auch an der DNA selbst führen, und ist mit ein Grund, warum Mutationen spontan entstehen können.

Und um wieder auf das Thema Altern zu sprechen zu kommen: Man Vermutet, dass die Bildung von Falten der Haut auch mit den Sauerstoffradikalen zu tun. Die Zellen der Haut sitzen auf der sog. Basallamina, einem dicken "Teppich" aus Proteinen, welche ihnen einen festen Untergrund bietet. Im Alter verliert diese Lamina (die auch aus so populären Proteinen wie "Collagen", das in vielen Hautcremes mit Anti-Aging Effekt enthalten ist, besteht) an Stabilität - zum einen, weil die Neuproduktion dieser Proteine nachlässt, zum anderen weil mit zunehmendem Alter die Anti-Oxidantien immer schlechter funktionieren, und ausbrechende Radikale die Lamina angreifen und destabilisieren. Das führt dazu dass die Haut an Spannkraft verliert, und wir bekommen Falten!!11 D:

Basallamina (BL) eines Hühnermebryos. Die Epithelzellen (E) wurden z.T. entfernt um die BL als extrem dichtes Geflecht sichtbar zu machen. Darunter befindet sich ein Netz aus Collagen-Firbillen. (Quelle: Encyclopædia Britannica Online)

So, und an dieser Stelle beende ich mal den kleinen *husthust* Exkurs zu diesem Thema. Ich hoffe meine Erklärungen waren verständlich und zufriedenstellend, und es hat euch ein bisschen Spaß gemacht das zu lesen ^^"  Ich für meinen Teil hab im letzten Semester extrem viel zu dem Thema gelernt, und da es auch der Bereich meines Studiums ist der mich am Meisten interessiert, wollte ich auch unbedingt hier auf dem Blog darüber schreiben :)
Auch zum Thema Krebs könnte ich noch einen eigenen kompletten Post schreiben... vielleicht mache ich das ja noch mal.

Danke an alle die es bis hierher gelesen haben :3 Falls ihr noch fragen habt - einfach in den Kommis stellen, ich hoffe ich kann alles beantworten.

11 comments:

  1. Ich finde deine "Vorträge" immer toll- sie sind immer interessant geschrieben und wirken nie trocken/ langweilig.
    Auch wenn dieses Thema jetzt nicht wirklich zu meinen Interessen gehört, so habe ich es doch voller Begeisterung gelesen. Wirklich gut gemacht! Ich freue mich schon auf den nächsten Ausflug in wissenschaftliche Gefilde.
    [Das heisst natürlich nicht, dass ich nur diese Posts mag, deine "Aus dem Leben-Berichte" lese ich auch gern, nur ich finde, solche Posts macht ja jeder irgendwie, also sollten die "Nicht-Mainstreamen" auch mal gewürdigt werden.]

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  2. Auf den Post habe ich mich ja schon gefreut und wurd nicht enttäuscht XD Den ersten Teil hast du super erklärt, hach ja, das haben wir auch schon gemacht, fand ich auch super interessant.
    Und bei dem zweiten Teil hab ich das gar nicht gewusst, wie es zu den Falten kommt....die Atmungskette hatten wir auch schon, aber nicht die Verbindung zu den Falten und dem Altern....interessant :)
    Wie kommts, dass du auf Deutsch schreibst? ^^
    Super Post mal wieder, du kannst eht gut erklären! :)

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    1. Dass der Post diesmal auf Deutsch ist liegt daran, dass ich unlängst eine kleine "Diskussion" hatte bzw durch einen kommentar von mir auf einem anderen Blog eine Diskussion zu dem Thema entstanden ist... die andere Person schrieb mich dann per Mail an und ich antwortete dann natürlich auf Deutsch. Einen Teil des Geschreibsels hab ich dann hier in den Post eingebaut, weils zum Thema passte :) (Ich hatte aber stellenweise echt zu kämpfen mich da auf Deutsch auszudrücken XD Jedoch denke ich dass es auch den Vorteil hat dass es vllt mehr lesen, da meine Blogleser ja soweit ich weiß größtenteils deutschsprachig sind ^^)
      Und danke für das Kompliment ^^

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  3. Ich kanns nur immer wieder sagen:
    Ich habe alles was nur ansatzweise mit Zellen, DNA usw sowas von gehasst in der Schule...
    Aber deine Posts sorgen dafuer, dass ich das alles doch irgendwie interessant finde :)

    Hätt ich mal dich als Bio-Lehrerin gehabt in der Oberstufe :D
    Denn du erklaerst das richtig gut und anschaulich, aber es wird nicht anstrengend oder muehsam zu lesen! :)

    Thihi und wenn ich dann mal Enkel habe und die mich nach den Falten fragen, kann ichs ja dann erklaeren XD
    Btw mag ich Falten! :)

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  4. Finde das ganze so fastzinierend aber mit den kleinsten Zellen ist es fast so wie mit großen Planeten - jeder Satz wirft noch eine neue Frage auf. Immer wieder ein großes DANKESCHÖN für deine lehrreichen, informativeb Posts - soetwas gibt es noch viel zu wenig unter den Bloggern...

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  5. Ich hab über das doofe DNA und Zellteilung und blabla mein mündliches Abi gemacht und ich war furchtbar.
    Wahrscheinlich hätt ich mit Nachhilfe bei dir viel besser abgeschnitten :D

    Ich mags übrigens wie du es so einfach anschaulich machst wie zB bei: "Indem sie Selbtsmord begehen" [oder so]. Das hört sich nicht so trocken an, wie das, was man in Büchern so liest^^

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  6. Heyo,

    schöner Text, gefällt mir, vorallem gut Zusammenhänge dargestellt :) Aaaber, um etwas nerdig zu meckern, Stammzellen sind auch somatische Zellen, den man differenziert ja nur zwischen somatischen Zellen und denen der Keimbahn, und Stammzellen kommen ja auch außerhalb der Keimbahn vor :)

    Aber sehr anschaulicher Text und gut geschrieben ^-^

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    1. Hm, das klingt natürlich logisch und nachvollziehbar.... aber ich frag mich gerade warum bei uns dann eigentlich immer von "somatic cells" im Kontrast zu "stem cells" die Rede war o.o Es steht auf der englichen Wikipedia dass undifferenzierte Stammzellen auch nicht zu den "somatic cells" gezählt werden. Auf der deutschen Wikipedia steht es allerdings nicht. Auch auf anderen englischsprachigen Seiten hab ich die Definition so gefunden dass die Stammzellen keine somatischen Zellen sind. Auch wenn die Sprache eig. keinen Unterschied bei der Definition machen sollte, kann ich nur sagen dass ich es so gelernt habe, dass die Stammzellen nicht zu den somatischen Zellen gehören :'D

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    2. Hm, also jetzt mach ich mir auch Gedanken darüber XD Also wir haben das halt so gelernt, wie ich es beschrieben habe.. in den "Priciples of Development" von L.Wolpert steht das auch so drin, dass die Somazellen alle Körperzellen außerhalb der Keimbahn sind. Vielleicht ist das bei der englischsprachigen Wikipedia auch so gemeint, dass die totipotenten (und pluripotenten) Stammzellen noch zu den "germ cells" gehören, da aus denen ja noch alle drei Keimblätter und Keimzellen hervorgehen können? und es einfach so gemeint ist, dass "differenzierte Stammzellen" die multi- und unipotenten sind? :)

      sorry fürs rumnerden =D

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    3. Also, um korrekt zu sein, nicht dass sie zu den germ cells gehören, aber diese noch daraus hervorgehen können ^-^

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    4. Hmmm, ja das könnte sein.
      Die engl. Wikipedia sagt ja bei der Definition von somatic cells: "A somatic cell [...]any cell other than a gamete, germ cell, gametocyte or undifferentiated stem cell." sogar mit Quelle hier.
      Wenn also die toti- und pluripotenten quasi als "differntiated stem cells" zählen würde das Sinn ergeben. Trotzdem seltsam :'D Werde bei Gelegenheit mal nen Prof fragen XD

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