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Freie Radikale - ein Grund dafür, dass Zellen altern

Mit der Entstehung der Vielzelligkeit und der damit verbundenen Differenzierung von Zellen in Keimbahn- und Körperzellen ist für die Körperzellen ein Alterungsprozess verbunden, der zum Tod der Zellen und des vielzelligen Organismus führt. Keimbahnzellen (Ei- und Spermazellen) sind potenziell unsterblich, d. h. sie können sich unbegrenzt weiter teilen. Bei ungünstigen Umwelteinflüssen zeigen aber auch diese Zellen Alterungserscheinungen, welche jedoch bei günstigen Bedingungen wieder beseitigt werden können.

Man hat herausgefunden, dass während des Elektronentransportes in der Atmungskette Peroxidionen ( O 2 − ) entstehen können, die über Wasserstoffperoxid aggressive freie Radikale bilden.

Radikale sind organische oder anorganische Verbindungen mit ein oder mehreren ungepaarten Elektronen. Da sie versuchen Elektronen einzufangen, um wieder vollständige Paare zu besitzen, sind sie sehr reatkionsfähig. Diese Radikale zerstören Proteine, Lipide und DNA. Mit dem Altern nimmt ihre Zahl zu und führt zur Einschränkung der ATP-Produktion. Gegenwärtig läuft die Forschung auf Hochtouren, um Schutzenzyme zu finden, die die freien Radikale ohne negative Folgen abfangen können.

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Zellteilungen

Im Gegensatz zu den Keimzellen ist die Zahl der Zellteilungen von differenzierenden bzw. differenzierten Zellen begrenzt. In einigen Geweben, z. B. im Nervengewebe, teilen sich die Zellen nur während der Entwicklung und können sich danach nicht mehr vermehren. Sie altern relativ langsam, wobei auch Zellen absterben; daher nimmt die Zahl der Nervenzellen in bestimmten Bereichen des Gehirns im Laufe des Alterns ab. Andere Gewebe, z. B. Leber-, Nieren- und Bindegewebszellen, sind im erwachsenen Organismus noch begrenzt teilungsfähig. Sie können sich bei Verletzungen schnell vermehren, bis das Gewebe ergänzt ist. Diese Fähigkeit der regenerativen und kontinuierlichen Ergänzung nimmt ebenfalls im Laufe des Alterns ab.

Außer der Teilungsfähigkeit verändern sich auch Struktur und Funktion der Zellen. Die Knorpelsubstanz von Gelenkknorpelzellen unterscheidet sich bei jungen und alten Menschen – bei Ersteren enthält sie auffallend lange Ketten des Proteins Chondroitinsulfat, welche doppelt so lang sind wie in älteren Zellen. Daraus resultiert die schlechtere Elastizität des älteren Knorpels, welche auch zu Rissen und Entzündungen führen kann.

Alterungsprozess – Energiekrise der Zelle

Der beschriebene Alterungsprozess scheint eine Folge von Energiemangel im Organismus zu sein, an dem die Mitochondrien beteiligt sind. Man hat herausgefunden, dass Erkrankungen des Nervensystems wie die parkinsonsche Krankheit ihre Ursache in unzureichender Energieerzeugung in bestimmten Nervenzellen haben.

Untersuchungen an menschlichen und tierischen Zellen ergaben, dass Enzyme gealterter Zellen nur noch 25 - 50 % ihrer Aktivität aufweisen. Im Experiment mit 3-jährigen Ratten (vergleichbar mit einem 90-jährigen Menschen) waren 30-50 % aller Proteine oxidiert und damit geschädigt. Auch Lipide waren funktionsunfähig und sogar die DNA der Mitochondrien und des Zellkerns zeigt Mutationen.

In den Mitochondrien bilden sich bei der Zellatmung freie Radikale (Atome, Moleküle oder Ionen mit einem ungepaarten Elektron). Sie sind besonders reaktionsfreudig und hängen sich an viele lebenswichtige Stoffe. Mit dem Alter nimmt ihre Zahl zu. Es gibt vier Hauptquellen für freie Radikale:

  1. Innerliche Produkte: Unser Körper produziert ständig als Nebenprodukt normaler Stoffwechselfunktionen freie Radikale.
  2. Die Umwelt: Luftverschmutzung, Zigarettenrauch, Smog, Ruß, Autoabgase, Giftmüll, Düngemittel, Insektenschutzmittel, Hintergrundstrahlungen, Drogen und auch bestimmte Nahrungsmittel können freie Radikale erzeugen.
  3. Stressfaktoren wie Altern, Trauma, Medikamente, Krankheiten, Infektionen und Stress, kann die körpereigene Produktion freier Radikale antreiben.
  4. Kettenreaktionen: wenn ein freies Radikal ein Elektron stiehlt, um selbst wieder in Balance zu kommen, erzeugt es damit neue freie Radikale in dem vorher bestohlenen Molekül. In vielen Fällen wird dann dieses freie Radikal ebenso versuchen, ein Elektron zu stehlen.
  • Ursachen und Folgen oxidativen Stresses

Freie Radikale entstehen im tierischen Organismus bei der Atmung in der Elektronentransportkette. Aus ihr können Elektronen entweichen und vom molekularen Sauerstoff eingefangen werden. Es entsteht ein Peroxidion in folgender Reaktion:

O 2   +   e -   →   O 2 −

Dieses Ion kann darauffolgend Wasserstoffperoxid bilden:

2H +   +   e -   +   O 2 -   →   H 2 O 2

H 2 O 2 bildet durch Zerfall das aggressive Hydroxilradikal -OH, eines der reaktivsten chemischen Stoffe.

H 2 O 2   →   2 (-OH)   oder   HOOH   →   H -   +   -OOH

Neben dem -OH entstehen noch andere Radikale, sie zerstören Proteine und Lipide und erzeugen Mutationen an der DNA der Mitochondrien und des Zellkerns. Wenn DNA-Enzyme oder Zellmembranlipide von der Zerstörung betroffen sind, ist die Funktion der Mitochondrien eingeschränkt. Dadurch ist die Energiebildung in Form von ATP, welche in den Mitochondrien stattfindet, gemindert. Eine geringere ATP-Produktion bedeutet gleichzeitig, dass noch mehr Radikale entstehen können. Man nimmt an, dass die Zellen beim Alterungsprozess in diesen Teufelskreis geraten und lebenswichtige Funktionen dadurch immer mehr geschwächt werden.

  • Prozess der vorzeitigen Zellalterung durch freie Radikale

Forschungen zur Entschärfung der freien Radikale laufen derzeit auf Hochtouren. Erste Erkenntnisse sind:
Es gibt Enzyme, die freie Radikale entschärfen, indem sie sie abfangen und binden. Diese werden als Schutz-Enzyme bezeichnet.
So hat die Zelle gegen Wasserstoffperoxid und sein Radikal ein Schutzsystem aufgebaut. In diesem Schutzsystem wirkt das Enzym Katalase. Es kommt in allen Zellen vor und bewirkt die Spaltung von Wasserstoffperoxid:

H 2 O 2   → Katalase   H 2 O 2   +   1 2 O 2

Vitamin C und E, Glutathion und ß-Karotin fangen ebenfalls Radikale ab. Diese oxidierten Verbindungen können dann durch Enzyme abgebaut werden. Vitaminreiche Kost vermindert deshalb Anhäufung von Radikalen. Im Tierversuch konnte bewiesen werden, dass die allgemeine Ernährung einen wichtigen Faktor bei der Entstehung freier Radikale darstellt. Normalkost mit hohem Fettanteil fördert die Bildung der Radikale, während sie durch eine vollwertige Diät reduziert wird. Bei Einnahme von Diätkost konnte am Versuch mit Mäusen ein geringerer H 2 O 2 und -OH – Gehalt in den Mitochondrien von Gehirn-, Herz und Nieren festgestellt werden.

Da der gesamte Alterungsprozess ein sehr komplexes Geschehen ist, stellt die Bildung von Radikalen nur einen Faktor dar.
Andere Faktoren sind genetischer, sozialer und psychischer Natur.

Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Freie Radikale - ein Grund dafür, dass Zellen altern." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/biologie-abitur/artikel/freie-radikale-ein-grund-dafuer-dass-zellen-altern (Abgerufen: 24. May 2025, 00:17 UTC)

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Der Einfluss freier Radikale auf das Altern

Mit der Entstehung der Vielzelligkeit und der damit verbundenen Differenzierung von Zellen in Keimbahn- und Körperzellen ist für die Körperzellen ein Alterungsprozess verbunden, der zum Tod der Zellen und des vielzelligen Organismus führt. Keimzellen (Ei- und Spermazellen) sind potenziell unsterblich, d.h. sie können sich unbegrenzt weiter teilen. Bei ungünstigen Umwelteinflüssen zeigen aber auch diese Zellen Alterungserscheinungen, welche jedoch bei günstigen Bedingungen wieder beseitigt werden können.
Man hat herausgefunden, dass während des Elektronentransportes in der Atmungskette Peroxidionen ( O 2 − ) entstehen können, die über Wasserstoffperoxid aggressive freie Radikale bilden. Diese Radikale zerstören Proteine, Lipide und DNA. Mit dem Altern nimmt ihre Zahl zu und führt zur Einschränkung der ATP-Produktion. Gegenwärtig läuft die Forschung auf Hochtouren, um Schutzenzyme zu finden, die die freien Radikale ohne negative Folgen abfangen können.

Enzymregulation

Enzyme dürfen im Organismus nicht permanent wirksam sein, weil ansonsten alle biochemischen Reaktionen gleichzeitig mit relativ hoher Geschwindigkeit ablaufen würden. Zum einen hängt die Enzymaktivität von der Temperatur, dem pH-Wert und der Konzentration des Substrats ab.
Außerdem wird die Aktivität von Enzymen nach verschiedenen Mechanismen reguliert. Durch Inhibitoren können Enzyme reversibel oder irreversibel gehemmt werden. Die reversible Enzymhemmung kann nach einem kompetitiven oder einem nicht kompetitiven Mechanismus erfolgen. Ein Sonderfall der nicht kompetitiven Hemmung ist die allosterische Regulation.

Atmungskette

Die Atmungskette ist der letzte Schritt des in den Mitochondrien stattfindenden Glukoseabbaus und schließt sich an die Glykolyse und den Citratzyklus an. Die während des Citratzyklus entstandenen Coenzyme NADH 2+ und FADH 2 übertragen ihren Wasserstoff an Sauerstoff und bilden somit Wasser – eine Knallgasreaktion mitten in der Zelle - würde diese Reaktion nicht auf viele harmlose Schritte aufgespalten ablaufen – die Atmungskette. Als Endprodukt entsteht ATP, welches dem Organismus als Energie zur Verfügung steht.
Die Enzyme der Atmungskette sind bei Prokaryoten in der Cytoplasmamembran, bei Eukaryoten in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Sie bilden eine Reihe/Kette von Redoxsystemen, durch die Elektronen stufenweise in Richtung positiveres Potenzial transportiert werden. Integrale Membranproteine pumpen an drei Stellen der Reaktionskette Protonen durch die Membran, da diese nicht ohne Weiteres die Biomembranen passieren können. Es gibt drei verschiedene Transportarten für Elektronen in der Atmungskette: die ausschließliche Elektronenübertragung ( Fe 3+ zu Fe 2+ ), die Übertragung eines Wasserstoffatoms ( H +   +   e - ) oder die Übertragung eines Hydridions ( H - ).

Chemosynthese

Chemosynthese (auch Chemolithotrophie oder Chemoautotrophie) ist eine Form des chemotrophen Energiestoffwechsels (Chemotrophie), bei dem anorganische Verbindungen oder Ionen die Reduktionsäquivalente für den Energiegewinn liefern. Chemosynthese betreiben chlorophyllfreie Prokaryoten. Sie kommt bei Bodenbakterien und Wasserbakterien vor. Dieser Prozess wurde von SERGEJ NIKOLAJEWITSCH WINOGRADSKIJ (1856-1953) bei den schwefeloxidierenden Bakterien, eisenoxidierenden Bakterien (1887, 1889) und den nitrifizierenden Bakterien (1890) entdeckt.
Bei der Chemolithotrophie werden durch die Oxidation von anorganischen Stoffen ATP als Energiequelle und das Reduktionsmittel NADH + H + als Voraussetzungen für die Herstellung von Kohlenhydraten im CALVIN-Zyklus bereitgestellt. Bei der ersten Phase werden u.a. durch Nitrifikation oder Schwefeloxidation die Voraussetzungen für den CALVIN-Zyklus gebildet. Besondere Bedeutung haben u.a. nitrifizierende Bakterien im Rahmen des Stickstoffkreislaufs oder Schwefelbakterien für die Reinigung der Abwässer.

Glykolyse

Glykolyse wurde von den griechischen Wörtern glycos = süß und lysis = Auflösung abgeleitet. Damit ist die Zuckerspaltung gemeint. Sie findet im Cytoplasma der Zellen statt. Bei der aeroben Glykolyse (Sauerstoffanwesenheit) wird ein Glucosemolekül mit 6 C-Atomen unter Energiegewinn in Form von ATP in zwei Pyruvat-Ionen mit 3 C-Atomen gespalten. Pyruvate sind die Anionen der Brenztraubensäure, welche im Citronensäurezyklus weiter verwertet werden. Unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffabwesenheit) ist das Endprodukt der Glykolyse Lactat (Milchsäure) oder Ethanol. Dieser Weg der anaeroben Verwertung von Glucose ist der älteste biochemische Mechanismus zur Energiegewinnung, welcher auch die Entwicklung von lebenden Organismen in sauerstofffreier Atmosphäre ermöglichte.

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