Determination

Jeder Organismus entwickelt sich aus einer Eizelle, die die Möglichkeit hat alle Zell- und Gewebsarten hervorzubringen, auch die Zellen der nächsten Generation können sich noch in alle möglichen Richtungen entwickeln, trotz desselben Erbmaterials. Sind die Zellen jedoch einmal in einer bestimmten Form und haben eine bestimmte Funktion, kann diese Spezialisierung, oder auch Determination genannt, nicht mehr rückgängig gemacht werden. Auch alle Tochterzellen übernehmen die vorgegebene Entwicklungsrichtung und haben keine Möglichkeit mehr sich zu verändern. Dieser Vorgang wird unter anderem durch äußere Bedingungen gesteuert, denn je nach Umweltbedingungen werden bestimmte Teile des Genmaterials aktiviert, es gibt also so zu sagen für jede Möglichkeit einen anderen Bauplan, um dem Organismus die bestmöglichen Voraussetzungen für das Leben in einer gewissen Umgebung mitzugeben.

 

 

Was ist eine Determination?

Während des Vorgangs der Determination wandeln sich die Zellen vielfach um, bis sie ihren endgültigen Zustand erreicht haben. Dabei kann der Wandel in verschiedene Richtungen Gehen.
Mehrzellige Lebewesen erhalten durch die Spezialisierung ihrer Zellen erst ihre individuellen Formen, hierbei übernimmt jede Zelle eine bestimmte Funktion, mehrere Zellen mit derselben Funktion bilden Zellverbände und daraus entstehen im Endeffekt Gewebe. Schon die befruchtete Eizelle ist der Anfangspunkt der sogenannten Morphogenese. Für den Spezialisierungsprozess sind innerzelluläre Faktoren wie zum Beispiel Proteine und RNA (Ribonukleinsäure) und extrazelluläre physische und chemische Signale verantwortlich. So wird die Eizelle im Lauf des Prozesses zu einem komplexen Gebilde aus verschiedenen Zelltypen und Gewebearten.
Die Zygote, also jene Zelle, die bei der geschlechtlichen Fortpflanzung durch die Verschmelzung von Eizelle und Spermium entsteht, hat die Fähigkeit alle Zelltypen des Organismus auszubilden, sie ist also totipotent. Durch Zellteilung entstehen Tochterzellen, die sich aufgrund ihrer Abstammung auf bestimmte Funktionen determinieren, diese Spezialisierung wird dann an die Zellen der nächsten Generationen übertragen, durch die Determination der Vorgängerzellen wird also auch das das Entwicklungsprogramm der nachfolgenden Zellen festgelegt. Jedoch ist erst die zweite Stufe, die so genannte Zelldifferenzierung sichtbar, hier sind meist äußere Faktoren wie Hormone ausschlaggebend.

 

Was sind Körperzellen

Die Zelle ist die kleinste Einheit aller Lebewesen, die selbstständig leben kann. Körper von Vielzellern bestehen aus mehreren miteinander zu funktionellen Einheiten verbundenen Zellen, die Gewebe bilden. Einzeller hingegen bestehen, wie der Name schon sagt, aus nur einer einzigen Zelle. Jede Zelle spezialisiert sich auf einen bestimmten Funktionsbereich und hat ihre bestimmten Aufgaben. Der menschliche Körper besteht aus hunderten verschiedener Zell- und Gewebetypen.

Bestandteile der Zellen:

  • Die Zellembran ist für den Schutz zuständig
  • Das Zellsekelett ist verantwortlich für die Stabilität, für Bwgewungen der ganzen Zelle, sowie für Transporte im Inneren
  • In der Zelle ist auch das gesamte Erbmaterial beinhaltet, sowohl die dna, die zur längeren Speicherung von Informationen genutzt wird, als auch die RNA, die für enzymähnliche Reaktionen und den Transport der Informationen verantwortlich ist, liegen im Inneren der Zelle.
  • Die Ribosomen sind verantwortlich für die Synthese von Proteinen aus Aminosäuren. Die Proteine entsprechen der Basensequenz der DNS, die die Abfolge der Aminosäuren in den Proteinen enthält.
  • Die Mitochondrien sind die „Energiekraftwerke“, sie nehmen über die Atmung das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat auf und speichern dieses. Sie kommen vor allem in Zellen mit hohem Energieverbrauch vor, wie zum Beispiel in Muskeln, Nervenzellen oder in Sinneszellen.

Aus Zellen, die dieselbe Funktion haben und gemeinsam Aufgaben erfüllen entstehen Gewebe. Beim Mensch können bis zu 200 verschiedene Zelltypen entstehen, wie zum Beispiel Muskelgewebe, Stütz- und Festigungsgewebe, Blut, Nervengewebe oder Bindegewebe.

 

Funktion und Aufgabe der Determination

Der Vorgang der Determination findet während der sogenannten Embryogenese statt, also nach der Befruchtung einer Eizelle in einem Zeitraum von acht Wochen. In dieser ersten Phase der Schwangerschaft ist der Organismus noch sehr empfindlich und es kommt zu einem starken Wachstum. Die Hauptaufgabe der Determination liegt hier in der Festlegung der weiteren Entwicklung der folgenden Zellen und wie deren Anlagen aufgebaut sind. Dies wird auch durch die die äußeren Bedingungen bestimmt, denn je nach dem, wie diese sind werden unterschiedliche Teile der dna aktiviert und somit entwickeln sich die Zellen in unterschiedliche Richtungen.
Eine Zelle behält ihr Entwicklungsprogramm immer bei, auch wenn sie an eine andere Stelle im Körper verpflanzt wird. Nur unter bestimmten Voraussetzungen können Zellen ihre Determination ändern und sich sogar neu differenzieren, das nennt man auch Transdetermination. Das heißt das die Zelle ihre vorherige Spezialisierung verändert oder ganz ablegen kann und so eine Neudifferenzierung oder Transdifferenzierung möglich wird. Der Vorgang ist bei Menschen vor allem bei Stammzellen möglich. Wichtig ist diese Dedifferenzierung für die Wundheilung und ist auch eine mögliche Art, wie sich Krebs bilden kann. Bei der Entstehung von Krebs wird das Erbmaterial durch eine Störung bei der Teilung der Zelle geschädigt, hier können Fehler beim Ablesen der Erbinformation passieren. Wie anfällig ein Mensch für diese Krankheit ist, ist genetisch und durch äußere Risikofaktoren bedingt.
Je weiter die Spezialisierung fortschreitet, desto mehr wird das Vermögen der Zelllinie andere Zellarten hervorzubringen eingeschränkt. Während die totipontente Eizelle und auch die Stammzellen des Embryos noch jeden beliebigen Typ hervorbringen können, ist es den multipotenten Körperstammzellen nur noch möglich Zelltypen eines Gewebes zu produzieren. Am Ende des Vorganges stehen dann die irreversiebl determinierten und funktionellen Körperzellen, die manchmal nicht einmal mehr eine Teilungsfähigkeit haben und auch nur eine begrenzte Lebensdauer. Im Weiteren wird die Regenerationsfähigkeit des Organismus immer geringer, denn desto höher die Spezialisierung eines Gewebes ist, desto schlechter können Beschädigungen aufgehoben werden.

Die Determination ist maßgeblich an der Entwicklung eines Embryos beteiligt, hier sind ein paar der wichtigsten Aufgaben:

  • Festlegung der Körperachsen
  • Entwicklung der Organanlangen
  • Festlegung des Geschlechts ➔ Bei Säugetieren, also auch bei Menschen, haben Männchen und Weibchen gleich viele Chromosomen, jedoch unterscheiden sie sich in den Geschlechtschromosomen, oder Gonosomen. Mädchen haben zwei X-Chromosomen, während Burschen ein X-Chromosom und ein Y-Chromosom besitzen. Hierbei wird von der Mutter immer ein X-Chromosom weitergegeben und vom Vater entweder ein X-Chromosom oder ein Y-Chromosom, die restlichen Chromosomen (Autosomen)sind immer paarweise vohanden, egal ob Männchen oder Weibchen.

Die Determination spielt aber nicht nur bei der Entwicklung von Embryos eine große Rolle, sondern auch bei ausgewachsenen Menschen ist sie wichtig, um die Körperfunktionen aufrechtzuerhalten.
Auf die Zelldetermination folgt die Zelldifferenzierung, wobei die Zelle auf ihre zukünftigen Aufgaben vorbereitet wird, dies geschieht indem ihre Größe, ihre Form und der innere Aufbau geändert werden, das beinhaltete Erbmaterial bleibt jedoch immer dasselbe und die Zelle entwickelt sich auch immer nach dem gleichen Bauplan.

Zu welchem Zelltyp sich die Zelle entwickelt, hängt sowohl von äußeren, als auch von inneren Einflüssen ab, zum Beispiel:

  • Wachstumsfaktoren und Hormone
  • Nachbarzellen und die damit verbundenen Zellkontakte
  • Woher die Zelle kommt, also welche Determination die vorigen Generationen hatten

 

 

Krankheiten und Störungen

Je stärker ein Gewebe spezialisiert ist, desto schlechter kann es sich von Krankheiten oder Verletzungen regenerieren. Im Herz und den Nervenzellen kommen zum Beispiel Gewebe mit sehr hoher Spezialisierung vor, die sich nicht mehr teilen können, deshalb kommt es hier meist nur zu Defektheilungen.

Krankheiten bei denen die Determination eine Rolle spielt:

  • Leukämie ist eine Erkrankung des blutbildenden oder des lymphatischen Systems. Durch die Krankheit werden vermehrt die funktionsuntüchtigen Vorläuferzellen der weißen Blutkörperchen gebildet. Sie breiten sich dann im Knochenmark aus und behindern Milz, Leber und Lymphknoten in ihrer Funktion. Durch die Störung kommt es zu einem Mangel an normalen Blutbestandteilen, also es fehlt an roten Blutkörperchen, die wichtig für den Sauerstofftransport sind, es mangelt an den für die Blutstillung zuständigen Blutplättchen und es herrscht ein Mangel an weißen Blutkörperchen, die funktionstüchtig sind. Die Hauptaufgabe der Leukozyten (weiße Blutkörperchen) ist die Abwehr von Krankheitserregern.
    Für die Heilung der Krankheit wird die Stammzellentherapie eingesetzt, dabei wird ein passender Spender gesucht, dessen Stammzellen dann an einen Erkrankten übertragen werden. Stammzellen sind noch sehr wandelbar und regenerationsfähig, weil sie noch keine so hohe Spezialisierung haben.
  • Wenn nicht alle Entwicklungsprogramme von den Zellen abgedeckt werden können, dann können manche Gewebearten nicht entwickelt werden, was dann zu Mutationen oder Missbildungen führt. Jedoch können diese durch die unter der letzten Überschrift erklärte Transdetermination bis zu einem gewissen Grad korrigiert werden. Dabei kann es aber auch vorkommen, dass gewisse Gewebe unterentwickelt sind, oder sich nicht so gut entwickeln.
  • Da die embryonalen Stammzellen sich noch in alle Gewebearten einfügen können und alle Zelltypen produzieren können, sind sie auch für die Erforschung von Tumorerkrankungen wichtig. Jedoch erhöht ihre hohe Teilungsrate das Risiko einer Gewebswucherung, wie einem Tumor.
  • Bei der Entstehung von Krebs ist das Gleichgewicht im Körper zwischen Zelltod und Entstehung neuer Zellen gestört, die so genannte Homöostase. Ist dieses Gleichgewicht intakt, werden die verschiedenen Zelltypen in einem für die Art spezifischen und ausgewogenen Maß gebildet und regeneriert. Im Gegensatz dazu können Krebszellen ungehindert wachsen, da es keine hemmenden Signale gibt, oder diese nicht erkannt werden. Schuld daran ist ein Fehler im dafür benötigten genetischen Code, der dadurch entsteht, dass das Erbgut der Zelle verändert ist.

 

 

Fragen und Antworten zur Determination

Wodurch wird die Determination ausgelöst?

Jene Gene die vom Organismus zum Überleben nicht unbedingt benötigt werden, werden ausgeschalten, die gebrauchten Gene werden von Proteinen, den so genannten Transkriptionsfaktoren kontrolliert, wird das Gen gebraucht, so binden sich die Prtoteine an bestimmten Stellen an die dna und aktivieren es.
Schon bei der ersten Zellteilung werden Signalstoffe im Zellplasma unterschiedlich unter den Tochterzellen verteilt. So werden in verschiedene Gene in den Zelllinien in sinnvoller Abfolge aktiviert und deaktiviert. Des Weiteren beeinflussen Hormone die differenzielle Genaktivität, so zum Beispiel Sexualhormone in der Pubertät. Eine weitere Beeinflussung können Kontakte mit den Nachbarzellen sein.

Welche Vor- und Nachteile hat die Determination für Lebewesen?
Ein großer Vorteil der Spezialisierung ist, dass sich der Organismus viel besser an seine Umgebung anpassen kann und sich somit auch besser schützen kann. Dadurch dass sich Zellen auch zu Muskelzellen entwickeln können, kann sich das Lebewesen besser bewegen und durch die Möglichkeit der Entwicklung von Sinneszellen wird die Nahrungssuche erleichtert.
Ein Nachteil der hohen Spezialisierung und der Arbeitsteilung der Zellen ist, dass der Organismus viel anfälliger für Störungen sind und auch einen erhöhten Energiebedarf haben. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Zellen eine begrenzte Teilungsfähigkeit haben und sich, wenn sie einmal determiniert sind, nicht mehr verändern können. Durch den Vorgang geht auch die Regenerationsfähigkeit verloren und bei Beschädigungen von stark spezialisierten Zellen kommt es meist nur mehr zu Defektheilungen.

Was ist der Unterschied zwischen Determination und Differenzierung?
Die Determination geht der Differenzierung voran. Hierbei handelt es sich um die Festlegung des weiteren Entwicklungsverlaufs der totipotenten Embryonalzellen, also jener Zellen eines Embryos, die sich noch in alle möglichen Zell- und Gewebearten wandeln können. Während des Vorgangs verlieren sie immer mehr an ihren ursprünglich vorhandenen Möglichkeiten sich in alle möglichen Zelltypen zu verändern. Die Differenzierung ist dann der nächste Schritt. Im Laufe dieses Vorgangs werden die einzelnen Gewebetypen, Organe usw. ausgebildet. Wichtig für die Durchführung des Prozesses ist vor allem die Aktivierung verschiedener Gene, hinzu kommen noch äußere Einflüsse, wie zum Beispiel Hormone oder Nachbarzellen und eine ganz große Rolle spielt, welche Aufgaben die Vorgängerzelle hatte.

 

Unser Fazit zur Determination

In unserer Entwicklung zu einem ausgewachsenen Menschen spielt die Determination eine sehr große Rolle. Sie ist verantwortlich dafür, dass wir so aussehen, wie wir es tun und dass sich alle Individuen in kleinen Details voneinander unterscheiden. Aber nicht nur für das Aussehen ist dieser Prozess von großer Bedeutung, denn ohne ihn könnten sich auch keine Muskeln oder andere Gewebsarten bilden und wir könnten uns nicht so gut bewegen oder so leben, wie wir es gewohnt sind. Leider können bei der Determination Fehler passieren und es kann zu einer genetischen Veränderung kommen, also einer Mutation, in den meisten Fällen jedoch funktioniert der Vorgang sehr gut. Zusammenfassend ist zu sagen, dass die Determination einer der wichtigsten Vorgänge in unserer Entwicklung ist und auch im ausgewachsenen Zustand noch dafür verantwortlich ist, dass all unsere Körperfunktionen aufrechterhalten werden können.

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