Zellzyklus und Melanine: Unterschied zwischen den Seiten

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Der '''Zellzyklus''' ist die Abfolge verschiedener Aktivitätsphasen zwischen den [[Zellteilung|Teilungen]] [[Eukaryoten|eukaryotischer]] [[Zelle (Biologie)|Zellen]]. Da der [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]]-Gehalt einer Zelle bzw. eines [[Zellkern]]s bei der Teilung ([[Mitose]]) halbiert wird, muss er vor der nächsten Teilung wieder verdoppelt werden. Diese beiden Vorgänge werden als ''M-Phase'' und ''S-Phase'' (von ''[[Synthese]]'') bezeichnet. Zwischen ihnen liegen sogenannte ''Gap''-Phasen (engl. ''Lücke''): ''G<sub>1</sub>'' und ''G<sub>2</sub>''.
[[Datei:Zebrafish embryos.png|mini|300px|Vier Tage alte Embryonen des [[w:Zebrabärbling|Zebrabärbling]]s, unten eine [[w:Albinismus|Albino]]-Mutation ohne Melanin]]


== Phasen ==
'''Melanine''' (von {{ELSalt|μέλας}} ''mélas'' „schwarz“) sind dunkelbraune bis schwarze oder gelbliche bis rötliche [[Pigment (Biologie)|Pigmente]], die die Färbung der [[Haut]], [[Haar]]e, [[Feder]]n und [[Auge]]n bewirken, außer bei [[w:Albinismus|Albinismus]]. Chemisch handelt es sich um [[Copolymer]]e mit [[w:Indol|Indol]]verbindungen als Untereinheiten. Sie kommen in  Wirbeltieren und Insekten, als [[Farbstoff]] in der Tinte von [[w:Tintenfische|Tintenfische]]n (siehe [[w:Sepia (Farbstoff)|Sepia]]) und auch in Mikroorganismen und Pflanzen vor. Melanine entstehen durch die enzymatische [[Oxidation]] des [[w:Tyrosin|Tyrosin]]s (enzymatische Bräunung). Gebildet wird Melanin bei Wirbeltieren in den [[Melanozyten]] der Haut sowie in der [[Aderhaut]]<ref>''Pschyrembel. Klinisches Wörterbuch.'' De Gruyter, 255. Auflage. Berlin/New York 1986, ISBN 3-11-007916-X, S. 1041.</ref> und [[Iris (Auge)|Iris]] des Auges.<ref>[http://www.aerztekammer-bw.de/20buerger/30patientenratgeber/a_f/albinismus.html Was ist Albinismus?]</ref> Beim Menschen und anderen [[Primaten]] kommt '''Neuromelanin''', dessen dortige Funktion unklar ist, in der [[Substantia nigra]] des [[Gehirn]]s vor. Neuromelanin entsteht durch die [[Oxidation]] zytosolischer [[w:Katecholamine|Katecholamine]], beispielsweise [[Dopamin]]. <ref>M. Gerlach u.&nbsp;a.: [http://www.blackwell-synergy.com/doi/abs/10.1046/j.1471-4159.1995.65020923.''Mössbauer Spectroscopic Studies of Purified Human Neuromelanin Isolated from the Substantia Nigra.''] In: ''Journal of Neurochemistry'', 1995, 65 (2), 923–926. {{DOI|10.1046/j.1471-4159.1995.65020923.x}}</ref> Die genaue Struktur und Funktion des Neuromelanins sind derzeit noch unklar. Nach heutigem Wissensstand scheint dieser Melanintyp im Gehirn eher schützende, [[w:Antioxidans|antioxidative]] Eigenschaften zu besitzen.
[[Datei:Cell cycle diagram.svg|mini|Schema des Zellzyklus. M = Mitose-Phase. Die darauf folgende Interphase besteht aus G1, S und G2. Von G1 kann eine Zelle in den G0-Zustand wechseln]]
[[Datei:Interphase and Mitosis.svg|mini|Einzelne Phasen der Mitose]]
Nach Teilung der Mutterzelle beginnen die Tochterzellen die [[Interphase]].<ref>H Lundegård: ''Fixierung, Färbung und Nomenklatur der Kernstrukturen, ein Beitrag zur Theorie der zytologischen Methodik.'' In: ''Archiv für Mikroskopische Anatomie'' 80: 223-273, 1912.</ref> In dieser Phase zwischen zwei Mitosen sind die einzelnen [[Chromosomen]] auch nach Anfärbung nicht als einzelne Einheiten zu erkennen. Die [[Genaktivität]] steuert den Stoffwechsel der wachsenden Zelle. Ihr Zellkern entwickelt mindestens einen [[Nukleolus]]. Wegen des Gehaltes an [[rRNA|ribosomaler RNA]] sind Nukleoli Voraussetzung und Anzeichen für den zellulären Stoffwechsel. Ein wichtiger Prozess während der Interphase ist die Verdoppelung der Chromosomen. Dies geschieht während der Synthese- oder ''S''-Phase. Ihr voraus geht die ''G1''-Phase. Entsprechend folgt auf die S- die ''G2''-Phase.<ref name="Howard,Pelc">A Howard, SR Pelc: ''Synthesis of desoxyribonucleic acid in normal and irradiated cells and its relation to chromosome breakage.'' In: ''Heredity'', 6, 1953, S. 261–273.</ref>


* Die Bezeichnung ''G1-Phase'' kommt von ''gap'' (engl. Lücke, Abstand), da dies der Zeitraum zwischen Kernteilung und DNA-Synthese ist.<ref name="Howard,Pelc" /> In dieser (postmitotischen bzw. präsynthetischen) Phase werden Zellbestandteile ([[Zytoplasma]], [[Zellorganelle]]) ergänzt. Die Produktion von [[mRNA]]s für [[Histon]]e und [[Replikation]]s[[enzym]]e ([[DNA-Polymerase]]n, [[Ligase]]n) ist Voraussetzung für die bevorstehende S-Phase. Aus dem gleichen Grund steigt der Vorrat an [[Nukleosid|Desoxyribonukleosid]]-Triphosphaten. Im Zytoplasma tierischer Zellen trennen sich die beiden [[Zentriol]]en voneinander.<br />Jedes Chromosom besteht aus nur ''einer'' [[Chromatide]] bzw. ''einer'' DNA-Helix. Der DNA-Gehalt der G1-Zelle kann mittels [[DNA-Zytometrie]] als ''2&nbsp;C'' bestimmt werden. Der [[C-Wert (Genetik)|''C''-Wert]] steht für die Größe des (haploiden) [[Genom]]s eines Organismus.<ref>Swift Hewson Hoyt: ''The constancy of desoxyribose nucleic acid in plant nuclei.'' In: ''Proceedings of the National Academy of Sciences USA'', 36, 1950, S.&nbsp;643–654.</ref>
== Struktur ==
** In die ''G0-Phase'' treten Zellen aus der G1 ein, wenn sie sich nicht mehr weiter vermehren sollen ([[ruhende Zelle]]). Es kann sich dabei um Zellen handeln, die sich nie wieder teilen werden, wie [[Nervenzelle]]n und [[Muskelzelle]]n der gestreiften Muskulatur. Andere Zelltypen verbleiben nach ihrer Ausdifferenzierung für Wochen oder Monate in G0, können aber bei besonderen Ereignissen wie Verletzung oder Zellverlust wieder zum G1-Zustand zurückkehren und sich nachfolgend teilen.<ref name="Huch-Jürgens34" /> Beispiele hierfür sind Leberzellen ([[Hepatozyt]]en) und [[Lymphozyt]]en.
Trotz langjähriger Bemühungen ist es bisher nicht gelungen, die exakte Struktur eines Melanins aufzuklären. Es gilt als sicher, dass es sich um [[Copolymer]]e handelt, deren Untereinheiten [[w:Indol|Indol]]verbindungen sind, die hauptsächlich über C-C-Bindungen verknüpft sind. Die Schwierigkeit liegt in der [[Löslichkeit|Unlöslichkeit]] der Melanine in jedem Lösungsmittel, in ihrer ausgeprägten [[Heterogenität]] und im Fehlen von wohldefinierten spektralen oder physikochemischen Signalen. Außerdem sind sie schwer von biologisch gleichzeitig entstehenden [[Protein]]en zu trennen.<ref>Pezzella, Alessandro, et al. „An integrated approach to the structure of Sepia melanin. Evidence for a high proportion of degraded 5, 6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid units in the pigment backbone.“ Tetrahedron 53.24 (1997): 8281-8286.</ref><ref>Banerjee, Aulie, Subhrangshu Supakar, and Raja Banerjee. „Melanin from the nitrogen-fixing bacterium Azotobacter chroococcum: a spectroscopic characterization.“ PloS one 9.1 (2014): e84574.</ref>
* ''S-Phase'' steht für Synthesephase, wegen der Verdopplung der [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] im Zellkern. Ausgelöst von genetischen Signalen, beginnt in jedem Chromosom an mehreren ''Ursprüngen'' die [[Replikation]], die Verdoppelung der DNA-Helix.<ref>Joel A Huberman, Arthur D Riggs: ''On the mechanism of DNA replication in mammalian chromosomes.'' In: ''Journal of Molecular Biology'', 32, 1968, S.&nbsp; 327-341.</ref> Aus dem Zytoplasma gelangen entsprechende Mengen neuer Histone in den Zellkern, welche die replizierte DNA verpacken. Auch die Zentriolen verdoppeln sich.<ref>Katharina Munk (Hrsg.): ''Grundstudium Biologie – Biochemie, Zellbiologie, Ökologie, Evolution.'' Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg / Berlin 2000, ISBN 3-8274-0910-1, S.&nbsp;13–14.</ref><br /> Die S-Phase endet, sobald die DNA-Verdopplung abgeschlossen ist und jedes Chromosom aus zwei Chromatiden besteht. Die DNA-Menge beträgt also ''4&nbsp;C''.
Eine Übersicht zur Melaninbildung, Untersuchungsmethoden und Strukturelementen finden sich in zwei der folgenden Standardwerke zu Chemie und Biologie der Melanine<ref>R.A. Nicolaus „Melanins“, Hermann Verlag, Paris 1968</ref><ref>G. Prota „Melanins and Melanogenesis“, Academic Press 1992</ref>
* ''G2-Phase.'' In diesem (postsynthetischen bzw. prämitotischen) Intervall werden RNA-Moleküle und zellteilungsspezifische [[Protein]]e synthetisiert, um die nachfolgende Mitose vorzubereiten. Das [[Endoplasmatisches Retikulum|endoplasmatische Retikulum]] wird eingeschmolzen. In Geweben lösen sich die [[Zellkontakt|Kontakte]] zu den Nachbarzellen; die Zelle rundet sich ab und vergrößert sich durch Flüssigkeitsaufnahme.
* ''M-Phase'' oder Mitose-Phase. Hier finden die Zweiteilungen der Chromosomen (Mitose), des Zellkernes (Karyokinese) und der Zelle (Zytokinese) statt. Während der Mitose folgen aufeinander: [[Prophase]], [[Prometaphase]], [[Metaphase]], [[Anaphase]] und [[Telophase]], die Zellteilung beginnt meist schon parallel zu den letzten Phasen der Mitose.
** Sobald Zellen eines Hochleistungsorgans auf die Teilung ihres Kernes verzichten, können sie eine Reihe von [[Endoreplikation]]en beginnen.


== Dauer ==
== Melanin beim Menschen ==
Die Dauer des Zellzyklus, also die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Zellteilungen, kann sehr verschieden sein.
Melanin tritt beim Menschen vor allem in zwei Varianten auf: eine braun-schwärzliche ('''Eumelanin'''), die sich von den [[Aminosäuren]] [[w:Tyrosin|Tyrosin]] und [[w:Levodopa|Levodopa]] ableitet, und eine hellere gelblich-rötliche ('''Phäomelanin''') Variante, die [[schwefel]]haltig ist. Es gibt auch andersfarbige Varianten, sogenannte Allomelanine, die aus [[w:Hydroxybenzol|Hydroxybenzol]]en entstehen. Diese finden sich vorwiegend in Pflanzen, Pilzen und Bakterien. Fast immer treten die Melanine als Mischtypen auf und sind zusätzlich mit Lipiden oder Eiweiß verknüpft.


Mit am kürzesten ist sie bei den [[Furchung]]steilungen im frühesten Entwicklungsstadium tierischer [[Embryo]]nen, wo eine große [[Cytoplasma]]-Masse innerhalb kurzer Zeit in viele Zellen aufgeteilt wird und ein Zyklus nur Minuten dauert. Dabei entfallen die G1- und die G2-Phase fast völlig. Das andere Extrem bilden Zellen, die sich zeitweilig oder endgültig nicht mehr teilen. Bei diesen erfolgt nach der letzten Mitose keine Replikation mehr (G0-Phase).
Die Melanine in der menschlichen Haut und den Haaren sind Mischformen aus Eumelaninen und den schwefelhaltigen Phäomelaninen. Das Mischungsverhältnis dieser beiden Melanintypen ist mitbestimmend für den Hauttyp eines Menschen. Dabei ist der Gehalt an Phäomelanin in tiefrotem Haar besonders hoch und nimmt über braune zu schwarzen Haaren hin ab. Die Melaninbildung wird durch UVB-Strahlung angeregt und es dient vermutlich als Lichtschutz vor dem schädlichen Einfluss der [[UV-Strahlung]] der Sonne. Eines der Hauptargumente für die UV-Schutzfunktion ist die Beobachtung, dass stark pigmentierte Bevölkerungsgruppen in geringerem Maße an sonneninduziertem Hautkrebs („[[w:Melanom|Melanom]]“) erkranken als schwächer pigmentierte Bevölkerungsgruppen. Inzwischen sind auch die photochemischen Prozesse, welche Melanin zu einem hervorragenden UV-Filter machen, untersucht worden. Es wurde gezeigt, dass Melanin mehr als 99,9 % der Strahlungsenergie in harmlose Wärme umwandelt.<ref name="Meredith">{{cite journal |author=Meredith, Paul; Riesz, Jennifer |title=Radiative Relaxation Quantum Yields for Synthetic Eumelanin |url= |journal= Photochemistry and photobiology |volume=79 |issue=2 |pages=211–216 |year=2004 |pmid= |issn=}}</ref>
Dies geschieht durch die ultraschnelle [[w:innere Umwandlung|innere Umwandlung]] (engl. ''internal conversion'') vom elektronisch angeregten Zustand in Vibrationszustände des Moleküls. Durch diese ultraschnelle Umwandlung verkürzt sich die Lebensdauer des angeregten Zustandes. Dadurch wird verhindert, dass sich freie Radikale bilden. Der angeregte Zustand des Melanins ist sehr kurzlebig, und deshalb bietet es einen exzellenten [[w:Photoprotektion|Photoschutz]].


Beispiele für die Dauer der Phasen:<ref>Katharina Munk (Hrsg.): ''Grundstudium Biologie – Biochemie, Zellbiologie, Ökologie, Evolution.'' Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg  Berlin 2000, ISBN 3-8274-0910-1, S.&nbsp;13–15.</ref>
Rothaarige Personen haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, Melanome zu entwickeln. Deswegen wird angenommen, dass dieser Melanintyp die Haut weniger effizient schützt.<ref name="meduniwien">Medizinische Universität Wien – AKH consilium: {{Webarchiv|url=http://hauttumoren-boesartige.universimed.com/ |wayback=20100612013459 |text=''Hautkrebs (Malignes Melanom)'' |archiv-bot=2019-05-01 01:48:29 InternetArchiveBot }}</ref>
{| class="wikitable"
|-
!Zelltyp
!G<sub>1</sub>
!&nbsp; S &nbsp;
!&nbsp; G<sub>2</sub> &nbsp;
!&nbsp; M &nbsp;
!Gesamtdauer des Zellzyklus (Stunden)
|-
|[[Schleimpilz]] (''Physarum polycephalum'')
|sehr kurz||&nbsp;&nbsp;2||&nbsp;4||&nbsp;0,7||align="center" | ca. 6,7
|-
|[[Bohne]] (''Vicia faba'') [[Meristem]] der Wurzelspitze
|align="right" |&nbsp;4||&nbsp;&nbsp;9||&nbsp;3,5||&nbsp;2||align="center" |&nbsp;&nbsp; 18,5
|-
|[[Mus musculus|Maus]] (''Mus musculus'') [[Tumorzelle]]n in Kultur
|align="right" |10||&nbsp;&nbsp;9||&nbsp;4||&nbsp;1||align="center" |&nbsp; 24
|-
|[[Mensch]] (''Homo sapiens'') Tumorzellen in Kultur<ref name="Huch-Jürgens34">Renate Huch(Hrsg.), Klaus D. Jürgens (Hrsg.): ''Mensch Körper Krankheit'', 6. Auflage, 2011, Urban & Fischer Verlag/Elsevier, ISBN 978-3-437-26792-5, S.&nbsp;34.</ref>
|align="right" |8||&nbsp;&nbsp;6||&nbsp;4,5||&nbsp;1||align="center" |&nbsp;&nbsp; 19,5
|}


== Regulation ==
Durch genetische Veranlagung bzw. durch im Laufe der Zeit erworbene Schäden an der Erbsubstanz kann die Synthese des Melanins gestört sein. Eine verminderte Bildung führt zu einer [[w:Hypopigmentierung|Hypopigmentierung]]. Ist die Produktion blockiert, so fehlen auch die Farbmittel in Haut, Haaren und Augen, wodurch sich eine sehr helle weiße Haut, eine ungewöhnlich helle Haarfarbe und blau, blaugraue oder grüne Augen ergeben, die je nach Einfallswinkel des Lichts ''rot'' erscheinen können. Man spricht von [[w:Albinismus|Albinismus]] und bezeichnet die betroffenen Organismen als Albinos. Bei Überproduktion ([[w:Hyperpigmentierung|Hyperpigmentierung]]) treten vermehrt dunkle Flecken in der Haut auf ([[w:Leberfleck|Leberfleck]]e, [[w:Sommersprossen|Sommersprossen]]), die bösartig ([[w:Malignes Melanom|Melanom]]) werden können. Die Melaninproduktion kann durch den Wirkstoff [[w:Rucinol|Rucinol]] gezielt unterbrochen werden.


=== Äußere Faktoren ===
Wissenschaftler der [[w:Johannes Gutenberg-Universität Mainz|Universitäten in Mainz]] und [[w:Christian-Albrechts-Universität zu Kiel|Kiel]] haben 2016 weitere Details zum molekularen Mechanismus der enzymkatalysierten Oxidation der Melaninbildung aufgedeckt. Im Zentrum dieser Untersuchungen stehen die Aktivitäten der Enzyme [[w:Tyrosinase|Tyrosinase]] und [[w:Polyphenoloxidase|Catecholoxidase]].<ref>{{Literatur|Autor=Even Solem, Felix Tuczek, Heinz Decker|Titel=Tyrosinase versus Catechol Oxidase. One Asparagine Makes the Difference|Sammelwerk=Angewandte Chemie International Edition|Band=55|Nummer=8|Verlag=WILEY Online Library|Datum=2016-02-18|Seiten=2884–2888|ISSN=1521-3773|DOI=10.1002/anie.201508534}}</ref>
Zu den Faktoren, die den Zellzyklus regulieren, gehören die Zellgröße und das Nährstoffangebot. Auch die An- oder Abwesenheit von Nachbarzellen spielt eine Rolle. Tierische Zellen, die dicht gewachsen sind, teilen sich nicht mehr weiter, sie gehen in das G<sub>0</sub>-Stadium über. Weiterhin steuern in Geweben die für sie bestimmten [[Wachstumsfaktor (Protein)|Wachstumsfaktoren]] den Verlauf des Zyklus.


Bestimmte Chemikalien können in Kultur wachsende Zellen in einem bestimmten Zellzyklusstadium festhalten und so die Zellen einer Kultur synchronisieren. Dazu werden zum Beispiel [[Desoxythymidin]] und [[Aphidicolin]] verwendet, welche die Zellen in der S-Phase halten.<ref>Pedrali-Noy, G. ''et al.'': ''Synchronization of HeLa cell cultures by inhibition of DNA polymerase alpha with aphidicolin'', in: ''[[Nucleic Acids Res.]]'' '''1980''' 8(2):377–387; PMID 6775308, {{PMC|327273}}</ref>
== Melanin bei Pilzen ==
Eine wissenschaftliche Arbeit aus dem Jahr 2007 berichtet von [[Pilze]]n, die wahrscheinlich mittels Melanin ionisierende Strahlung in für ihren Organismus nutzbare Energie umwandeln ([[w:radiotrophe Pilze|radiotrophe Pilze]]).<ref>Ekaterina Dadachova et al.: ''Ionizing Radiation Changes the Electronic Properties of Melanin and Enhances the Growth of Melanized Fungi'', in: ''PLoS ONE'' 2(5), [[doi:10.1371/journal.pone.0000457]].</ref>


=== Innere Faktoren und Kontrollpunkte ===
Ausdrücklich hervorgehoben wird, dass die Rolle des Melanins bei der Energieerzeugung im Organismus nach wie vor unklar ist. Klar ist lediglich, dass bei den aus Proben aus dem versiegelten [[w:Katastrophe von Tschernobyl|Kernreaktorblock 4 von Tschernobyl]] stammenden Pilzen
Dauer und Abfolge der Phasen werden an Kontrollpunkten ([[Checkpoint (Molekularbiologie)|Checkpoints]]) überwacht. Sie sorgen dafür, dass der nächste Schritt im Zellzyklus erst dann erfolgt, wenn der vorhergehende abgeschlossen ist. An den Checkpoints besteht die Möglichkeit, den Zellzyklus lediglich zu unterbrechen (Arretierung) oder den programmierten Zelltod ([[Apoptose]]) einzuleiten.
* eine höhere [[Stoffwechsel]]rate gegeben war, wenn sie mit Melanin angereichert wurden, als bei unbehandelten Pilzen,
* bei der Energieerzeugung Veränderungen in der [[Elektronenkonfiguration]] der [[Elektronenhülle]] ihres Melanins nachgewiesen wurden. Dies weist auf ein verändertes [[Energieniveau]] hin, das bei der Erzeugung von Energie auch zu erwarten ist,
* eine auf das Vierfache gestiegene [[Reduktion (Chemie)|Reduzierung]] von [[w:Nicotinamidadenindinukleotid|NAD+]] zu beobachten ist, wenn sie bestrahlt werden. Dabei handelt es sich um einen Stoffwechselvorgang.


Es existieren spezielle Zellzyklusproteine wie die [[Cyclin-abhängige Kinase|CDKs]] (''Cycline Dependent Kinases'') und die [[Cycline]]. Zu bestimmten Zeitpunkten im Zyklus werden diese Proteine verstärkt [[Genexpression|exprimiert]], bis ihre Konzentration ein Maximum erreicht. Von diesem Maximum nimmt man an, dass es den Kontrollpunkt darstellt. Danach werden die Cycline schnell abgebaut. CDKs und die zugehörigen Cycline bilden Komplexe, deren Aktivierung (Dephosphorylierung von Thr14 und Tyr15 durch [[Proteinkinase PLK1|cdc25]]) beziehungsweise Deaktivierung unter anderem durch Wachstumsfaktoren und [[Protoonkogen]]e gesteuert wird. Die CDKs [[Phosphorylierung|phosphorylieren]] und aktivieren spezifisch eine Reihe anderer Proteine und steuern so den Zellzyklus.
Bei einer um den Faktor 500 erhöhten [[w:Strahlenbelastung]] war die Aktivität des [[Stoffwechsel|Metabolismus]] von ''Wangiella dermatitidis'' und ''[[w:Cryptococcus neoformans|Cryptococcus neoformans]]'' [[w:Signifikanz (Statistik)|signifikant]] höher im Vergleich zur normalen Aktivität unter der [[Radioaktivität#Entstehung und Vorkommen von Radioaktivität|natürlichen Strahlenbelastung]].


Beispiel für einen Checkpoint ist der
== Einzelnachweise ==
* Kontrollpunkt für [[DNA-Schaden|DNA-Schäden]]: Fehlen [[Nukleotid]]e, ist der DNA-Stoffwechsel anderweitig gestört oder ist die DNA durch Strahlen oder chemische Stoffe ([[Mutagen]]e) geschädigt, erzeugt dies ein Signal ([[p53]], das [[CDK-Inhibitor 1|p21]] aktiviert). Es bewirkt, dass die Zelle in einer der beiden G-Phasen oder in der S-Phase verharrt. Trifft es die S-Phase, wird die DNA-Synthese gestoppt mittels Inhibition des Cyclin D/CDK4/6-Komplexes, des Cyclin E/CDK2-Komplexes und der Delta-Untereinheit der DNA-Polymerase. Reparaturgene werden aktiviert, um die DNA-Schäden zu beheben.
<references />
* Kontrollpunkt der Spindelbildung: Die Trennung der Chromatiden in der Anaphase der [[Mitose]] wird so lange unterbunden, bis alle [[Zentromer]]e ([[Kinetochor]]e) mit Transportfasern des [[Spindelapparat]]es verbunden sind und die Chromosomen in der [[Äquatorialplatte]] nebeneinander angeordnet sind.
 
==== Einleitung der Zellteilung ====
Die Kernteilung (Mitose) und schließlich die Zellteilung wird bei Eukaryoten durch den ''[[Mitose promoting factor|Mitosis Promoting Factor]]'' (''MPF'') eingeleitet. Der [[Proteinkomplex]] MPF besteht aus der Cyclin-abhängigen Kinase „[[CDK1]]“ und dem „[[Cyclin&nbsp;B]]“. In der aktiven Form phosphoryliert der Komplex verschiedene [[Protein|Eiweiße]] –&nbsp;wie etwa das [[Histon&nbsp;H1]]&nbsp;– und beginnt damit die Prophase der Mitose. Die aktivierten Histone bewirken eine Spiralisierung, das sogenannte „[[Supercoiled DNA|Supercoiling]]“ der DNA, welches eine der Grundvoraussetzungen für den Beginn der Kernteilung ist.<ref name="physikum">Hamid Emminger, Christian Benz: ''Physikum exakt: Das gesamte Prüfungswissen für die 1. Äp.'' 4. Auflage, Georg Thieme Verlag, 2005, ISBN 978-3-13-107034-0, S. 18</ref>
 
=== Zellzyklus und Krebs ===
Der Zellzyklus neoplastischer Zellen ([[Krebszelle]]n) wird nicht mehr durch den Organismus kontrolliert. Diese Zellen teilen sich autonom. Die Dauer eines Zellzyklus ist gegenüber normalen Zellen verändert.
 
Die Entdeckung des Zellzyklus ermöglichte einen tieferen Einblick in die Krebsentstehung. Fehlregulationen im Zellzyklus können zu einem unkontrollierten Zell- und damit Gewebewachstum führen. Dabei gehen wichtige Regulationsproteine (z.&nbsp;B. p53) durch [[Mutation]] verloren oder werden übermäßig exprimiert.
 
== Nobelpreis für Medizin ==
Für ihre Entdeckungen zur Kontrolle des Zellzyklus erhielten die Wissenschaftler Leland H. Hartwell (USA), Tim Hunt (GB) und Paul M. Nurse (GB) im Jahre 2001 den [[Wikipedia:Liste der Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin|Nobelpreis für Medizin]].<ref>[http://www.nobel.se/medicine/laureates/2001/press.html Nobelpreis für Medizin und Physiologie 2001]</ref>
 
== Siehe auch ==
* {{WikipediaDE|Kategorie:Zellzyklus}}
* {{WikipediaDE|zellzyklus}}


== Weblinks ==
== Weblinks ==
{{Commonscat|Cell cycle}}
{{Wikibooks|Biochemie und Pathobiochemie: Tyrosin-Stoffwechsel|Tyrosin-Stoffwechsel}}
*Lexikon der Biologie: [http://www.spektrum.de/lexikon/biologie/zellzyklus/71636 Zellzyklus]. Spektrum, Heidelberg 1999.
* [http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/278398.html populärwissenschaftlicher Artikel 1 zur Arbeit von Casadevalls Team]
 
* [https://www.heise.de/tp/features/Astronautennahrung-aus-Tschernobyl-3413646.html populärwissenschaftlicher Artikel 2 zur Arbeit von Casadevalls Team]
== Einzelnachweise ==
<references />


[[Kategorie:Zellzyklus|!]]
[[Kategorie:Haut]]
[[Kategorie:Biologischer Prozess]]


{{Wikipedia}}
{{Wikipedia}}

Version vom 3. August 2019, 14:20 Uhr

Vier Tage alte Embryonen des Zebrabärblings, unten eine Albino-Mutation ohne Melanin

Melanine (von griech. μέλας mélas „schwarz“) sind dunkelbraune bis schwarze oder gelbliche bis rötliche Pigmente, die die Färbung der Haut, Haare, Federn und Augen bewirken, außer bei Albinismus. Chemisch handelt es sich um Copolymere mit Indolverbindungen als Untereinheiten. Sie kommen in Wirbeltieren und Insekten, als Farbstoff in der Tinte von Tintenfischen (siehe Sepia) und auch in Mikroorganismen und Pflanzen vor. Melanine entstehen durch die enzymatische Oxidation des Tyrosins (enzymatische Bräunung). Gebildet wird Melanin bei Wirbeltieren in den Melanozyten der Haut sowie in der Aderhaut[1] und Iris des Auges.[2] Beim Menschen und anderen Primaten kommt Neuromelanin, dessen dortige Funktion unklar ist, in der Substantia nigra des Gehirns vor. Neuromelanin entsteht durch die Oxidation zytosolischer Katecholamine, beispielsweise Dopamin. [3] Die genaue Struktur und Funktion des Neuromelanins sind derzeit noch unklar. Nach heutigem Wissensstand scheint dieser Melanintyp im Gehirn eher schützende, antioxidative Eigenschaften zu besitzen.

Struktur

Trotz langjähriger Bemühungen ist es bisher nicht gelungen, die exakte Struktur eines Melanins aufzuklären. Es gilt als sicher, dass es sich um Copolymere handelt, deren Untereinheiten Indolverbindungen sind, die hauptsächlich über C-C-Bindungen verknüpft sind. Die Schwierigkeit liegt in der Unlöslichkeit der Melanine in jedem Lösungsmittel, in ihrer ausgeprägten Heterogenität und im Fehlen von wohldefinierten spektralen oder physikochemischen Signalen. Außerdem sind sie schwer von biologisch gleichzeitig entstehenden Proteinen zu trennen.[4][5] Eine Übersicht zur Melaninbildung, Untersuchungsmethoden und Strukturelementen finden sich in zwei der folgenden Standardwerke zu Chemie und Biologie der Melanine[6][7]

Melanin beim Menschen

Melanin tritt beim Menschen vor allem in zwei Varianten auf: eine braun-schwärzliche (Eumelanin), die sich von den Aminosäuren Tyrosin und Levodopa ableitet, und eine hellere gelblich-rötliche (Phäomelanin) Variante, die schwefelhaltig ist. Es gibt auch andersfarbige Varianten, sogenannte Allomelanine, die aus Hydroxybenzolen entstehen. Diese finden sich vorwiegend in Pflanzen, Pilzen und Bakterien. Fast immer treten die Melanine als Mischtypen auf und sind zusätzlich mit Lipiden oder Eiweiß verknüpft.

Die Melanine in der menschlichen Haut und den Haaren sind Mischformen aus Eumelaninen und den schwefelhaltigen Phäomelaninen. Das Mischungsverhältnis dieser beiden Melanintypen ist mitbestimmend für den Hauttyp eines Menschen. Dabei ist der Gehalt an Phäomelanin in tiefrotem Haar besonders hoch und nimmt über braune zu schwarzen Haaren hin ab. Die Melaninbildung wird durch UVB-Strahlung angeregt und es dient vermutlich als Lichtschutz vor dem schädlichen Einfluss der UV-Strahlung der Sonne. Eines der Hauptargumente für die UV-Schutzfunktion ist die Beobachtung, dass stark pigmentierte Bevölkerungsgruppen in geringerem Maße an sonneninduziertem Hautkrebs („Melanom“) erkranken als schwächer pigmentierte Bevölkerungsgruppen. Inzwischen sind auch die photochemischen Prozesse, welche Melanin zu einem hervorragenden UV-Filter machen, untersucht worden. Es wurde gezeigt, dass Melanin mehr als 99,9 % der Strahlungsenergie in harmlose Wärme umwandelt.[8] Dies geschieht durch die ultraschnelle innere Umwandlung (engl. internal conversion) vom elektronisch angeregten Zustand in Vibrationszustände des Moleküls. Durch diese ultraschnelle Umwandlung verkürzt sich die Lebensdauer des angeregten Zustandes. Dadurch wird verhindert, dass sich freie Radikale bilden. Der angeregte Zustand des Melanins ist sehr kurzlebig, und deshalb bietet es einen exzellenten Photoschutz.

Rothaarige Personen haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, Melanome zu entwickeln. Deswegen wird angenommen, dass dieser Melanintyp die Haut weniger effizient schützt.[9]

Durch genetische Veranlagung bzw. durch im Laufe der Zeit erworbene Schäden an der Erbsubstanz kann die Synthese des Melanins gestört sein. Eine verminderte Bildung führt zu einer Hypopigmentierung. Ist die Produktion blockiert, so fehlen auch die Farbmittel in Haut, Haaren und Augen, wodurch sich eine sehr helle weiße Haut, eine ungewöhnlich helle Haarfarbe und blau, blaugraue oder grüne Augen ergeben, die je nach Einfallswinkel des Lichts rot erscheinen können. Man spricht von Albinismus und bezeichnet die betroffenen Organismen als Albinos. Bei Überproduktion (Hyperpigmentierung) treten vermehrt dunkle Flecken in der Haut auf (Leberflecke, Sommersprossen), die bösartig (Melanom) werden können. Die Melaninproduktion kann durch den Wirkstoff Rucinol gezielt unterbrochen werden.

Wissenschaftler der Universitäten in Mainz und Kiel haben 2016 weitere Details zum molekularen Mechanismus der enzymkatalysierten Oxidation der Melaninbildung aufgedeckt. Im Zentrum dieser Untersuchungen stehen die Aktivitäten der Enzyme Tyrosinase und Catecholoxidase.[10]

Melanin bei Pilzen

Eine wissenschaftliche Arbeit aus dem Jahr 2007 berichtet von Pilzen, die wahrscheinlich mittels Melanin ionisierende Strahlung in für ihren Organismus nutzbare Energie umwandeln (radiotrophe Pilze).[11]

Ausdrücklich hervorgehoben wird, dass die Rolle des Melanins bei der Energieerzeugung im Organismus nach wie vor unklar ist. Klar ist lediglich, dass bei den aus Proben aus dem versiegelten Kernreaktorblock 4 von Tschernobyl stammenden Pilzen

  • eine höhere Stoffwechselrate gegeben war, wenn sie mit Melanin angereichert wurden, als bei unbehandelten Pilzen,
  • bei der Energieerzeugung Veränderungen in der Elektronenkonfiguration der Elektronenhülle ihres Melanins nachgewiesen wurden. Dies weist auf ein verändertes Energieniveau hin, das bei der Erzeugung von Energie auch zu erwarten ist,
  • eine auf das Vierfache gestiegene Reduzierung von NAD+ zu beobachten ist, wenn sie bestrahlt werden. Dabei handelt es sich um einen Stoffwechselvorgang.

Bei einer um den Faktor 500 erhöhten w:Strahlenbelastung war die Aktivität des Metabolismus von Wangiella dermatitidis und Cryptococcus neoformans signifikant höher im Vergleich zur normalen Aktivität unter der natürlichen Strahlenbelastung.

Einzelnachweise

  1. Pschyrembel. Klinisches Wörterbuch. De Gruyter, 255. Auflage. Berlin/New York 1986, ISBN 3-11-007916-X, S. 1041.
  2. Was ist Albinismus?
  3. M. Gerlach u. a.: Mössbauer Spectroscopic Studies of Purified Human Neuromelanin Isolated from the Substantia Nigra. In: Journal of Neurochemistry, 1995, 65 (2), 923–926. doi:10.1046/j.1471-4159.1995.65020923.x
  4. Pezzella, Alessandro, et al. „An integrated approach to the structure of Sepia melanin. Evidence for a high proportion of degraded 5, 6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid units in the pigment backbone.“ Tetrahedron 53.24 (1997): 8281-8286.
  5. Banerjee, Aulie, Subhrangshu Supakar, and Raja Banerjee. „Melanin from the nitrogen-fixing bacterium Azotobacter chroococcum: a spectroscopic characterization.“ PloS one 9.1 (2014): e84574.
  6. R.A. Nicolaus „Melanins“, Hermann Verlag, Paris 1968
  7. G. Prota „Melanins and Melanogenesis“, Academic Press 1992
  8. Meredith, Paul; Riesz, Jennifer: Radiative Relaxation Quantum Yields for Synthetic Eumelanin. In: Photochemistry and photobiology. 79, Nr. 2, 2004, S. 211–216.
  9. Medizinische Universität Wien – AKH consilium: Hautkrebs (Malignes Melanom) (Memento vom 12. Juni 2010 im Internet Archive) i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft (bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis)
  10.  Even Solem, Felix Tuczek, Heinz Decker: Tyrosinase versus Catechol Oxidase. One Asparagine Makes the Difference. In: Angewandte Chemie International Edition. 55, Nr. 8, WILEY Online Library, 18. Februar 2016, ISSN 1521-3773, S. 2884–2888, doi:10.1002/anie.201508534.
  11. Ekaterina Dadachova et al.: Ionizing Radiation Changes the Electronic Properties of Melanin and Enhances the Growth of Melanized Fungi, in: PLoS ONE 2(5), doi:10.1371/journal.pone.0000457.

Weblinks

 Wikibooks: Tyrosin-Stoffwechsel – Lern- und Lehrmaterialien


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