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In der Biologie wird unter dem Begriff Differenzierung die Umwandlung von einem gering differenzierten in einen höher differenzierten Zustand verstanden. Der Prozess der Differenzierung hat während der Entwicklungsphase von einer befruchteten Eizelle hin zu einem vollständig entwickelten Organismus eine besondere Bedeutung.
Sollten im Differenzierungsprozess Störungen auftreten, kann dies zu schwersten Missbildungen oder Erkrankungen, wie Krebs, führen. Zellteilung und Differenzierung sind die Voraussetzung dafür, dass mehrzellige Lebewesen eine Form ausbilden können. Dieser Prozess in seiner Gesamtheit ist als Morphogenese bekannt. Die individuelle Entwicklung von einem vielzelligen Organismus wird mittels Differenzierungsprozessen der Zellen bestimmt.
Table of Contents
Was ist die Differenzierung?
Inhaltsverzeichnis
Die Zelldifferenzierung ist Grundlage der Arbeitsteilung aller Zellen eines Organismus, denn jede differenzierte Zelle übernimmt eine eigene, spezielle Aufgabe. Diese Zelldifferenzierung steigert durch die Spezialisierung enorm die Leistungsfähigkeit jedes Organismus, der über diese Fähigkeit der Zelldifferenzierung verfügt.
Was ist unter der biologischen Differenzierung zu verstehen? Die biologische Differenzierung versteht darunter die Spezialisierung undifferenzierter Stammzellen in unterschiedlich ausgeprägte, ausgeformte (differenzierte) Körperzellen, die für verschiedene Funktionen und Aufgaben im Körper spezialisiert sind.
Diese Prozesse, der Spezialisierung von undifferenzierten Stammzellen in ganz unterschiedlich ausgeprägte, differenzierte Körperzellen, sind während der Embryogenese und dem danach einsetzendem Wachstum von eminenter Bedeutung. Alle Organismen, welche sich aus befruchteten Eizellen, den Zygoten, zu komplexen Gebilden mit vielen unterschiedlichen Zell- und Gewebetypen entwickeln sich und entstehen aufgrund von Differenzierungsprozessen.
Stammzellen & Arten
Stammzellen sind sie wirklich der Jungbrunnen unseres Lebens?
Ja das ist ein sehr treffendes Bild, denn auch bei ausgewachsenen Organismen spielen diese Differenzierungsprozesse der Zellen eine überlebenswichtige Rolle. Um alle Körperfunktionen aufrecht zu erhalten, ist es wichtig, dass der Körper in der Lage ist, die Zellen, entsprechend den Bedürfnissen des Körpers, differenziert auszubilden.
Je nachdem, ob vom Organismus nun beispielsweise Leberzellen oder Hautzellen benötigt werden, können diese dann im Erneuerungs- und Reparaturprozess des Körpers gebildet werden.
Wozu brauchen wir differenzierte Stammzellen?
Blutzelle – Eine spezialisierte Zelle
Spezialisierte Körperzellen übernehmen die Bildung von Organen. Undifferenzierte Stammzellen besitzen zunächst die herausragende Eigenschaft, sich verwandeln zu können – und zwar in alle möglichen Körperzellen.
Spezialisierte Körperzellen entstehen über mehrere Stufen von Differenzierungsprozessen. Dabei werden aus den spezialisierten Körperzellen unterschiedliche Organe gebildet.
Stammzell-Arten
Es gibt diverse Arten von Stammzellen:
- Totipotente Stammzellen
Totipotente Stammzellen können sich in einen vollständigen Organismus verwandeln. - Pluripotente Stammzellen
Pluripotente Stammzellen sind in der Lage, sich in alle Arten von Körperzellen zu differenzieren. Es ist pluripotenten Stammzellen nicht möglich, sich zu einzelnen Organismen zu entwickeln. - Multipotente Stammzellen
Multipotente Stammzellen haben sich bereits bis zu einem gewissen Grad der Differenzierung einer bestimmten Zelllinie entwickelt. Sie verfügen über die Fähigkeit, sich in weitere Zellen dieser Zelllinie zu differenzieren.
Funktionen & Aufgaben
Welche Funktionen und Aufgaben werden mit der Differenzierung verbunden?
Die biologische Differenzierung gehört zu den wichtigsten Vorgängen, die in der Entwicklung von menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Organismen zu beobachten sind. Während dieser Entwicklungsprozesse entstehen beispielsweise aus befruchteten Eizellen schrittweise die immer höher und weiter differenzierten Körperzellen. Bei diesem Beispiel ist die befruchtete Eizelle die erste totipotente Stammzelle.
- Entwicklung der befruchteten Eizelle
Nachdem die Eizelle befruchtet wurde, erfolgt anschließend eine Zellteilung. Es entstehen vier gleiche Zellen. Aus jeder dieser vier Zellen, die aus der befruchtet Eizelle entstanden sind, kann sich nun ein eigenständiger genetisch identischer, vollständiger Organismus entwickeln. - Die Bildung einer Blastozyste
Nach dem Erreichen des Vierzellenstadiums, kommt es zur Bildung einer Art Keimblase, die in der Fachsprache als Blastozyste bezeichnet wird. Die Blastozyste besteht aus embryonalen, pluripotenten Stammzellen.
Differenzierungsstufen
Über die folgende Differenzierungsstufe können sich diese pluripotenten Stammzellen weiter entwickeln in die drei Keimblätter:
- Ektoderm,
- Mesoderm und
- Entoderm.
Der Unterschied zwischen pluripotenten und totipotenten Stammzellen
Diese drei Keimblätter stellen den Ausgangspunkt für die Bildung von allen weiteren Körperzellen dar. Diese pluripotenten drei Keimblätter haben im Vergleich zu totipotenten Stammzellen nicht mehr die Fähigkeit, sich in unabhängige, genetisch identische Organismen entwickeln zu können.
Einfach erklärt!
Differenzierung – einfach erklärt
Das Prinzip der biologischen Differenzierung besteht in der Entwicklung ausgehend von undifferenzierten Stammzellen, hin zu differenzierten Körperzellen. Aus den entstandenen drei Keimblättern, der befruchteten Eizelle, Gehen nun weitere Zelllinien hervor. Diese bestehen aus multipotenten Stammzellen.
Das sind Zellen, die noch in der Lage sind, sich in alle möglichen Zelltypen, der entsprechenden Zelllinie zu entwickeln. Diese Zellen haben in diesem Entwickelungsstadium einen höheren Differenzierungsgrad erreicht, als pluripotente Stammzellen. Sie besitzen aber nicht mehr die Eigenschaft, sich in jede andere Körperzelle verwandeln zu können.
Die Determination in der Differenzierung
Bei menschlichen und tierischen Organismen ist das Durchlaufen des Vorgangs der Differenzierung mit einem irreversiblen Wandel von Zellen und Geweben, einer Determination verbunden. Als Determination wird die Festlegung auf eine, einmal eingeschlagene, Spezialisierung bezeichnet. Die weitere Entwicklung dieser Zelllinien wird auf epigenetischem (griechisch von epigenesis „nachträgliche Entstehung“) Weg weitergegeben.
Die Genexpression
Die bereits vordifferenzierten Zellen werden, entsprechend ihrer Determination, dann in die Art Zellen, der entsprechenden Zelllinie, weiter differenzieren. Die genetische Information jeder Zelle ist identisch. Durch die Genexpression wird sie entsprechend dem Zelltyp unterschiedlich aufgerufen.
Die Determination am Beispiel der Leberzelle
Was bedeutet die Determination für die Fähigkeit der differenzierten Körperzellen? Ein konkretes Beispiel, bei der Betrachtung einer Leberzelle, veranschaulicht das Prinzip. In einer Leberzelle werden dementsprechend ausschließlich genetische Informationen der Leberfunktion decodiert. Alle anderen Informationen hingegen, die auch noch in der Leberzelle vorhanden sind, bleiben ungelesen.
Einflüsse & Gefahren
Einflussfaktoren bei der Differenzierung von Körperzellen
Darstellung einer Krebs-Zelle
Diverse innere oder äußere Faktoren beeinflussen die Differenzierung der Körperzellen. Neben anderen Faktoren spielen Wachstumsfaktoren und Hormone eine wichtige Rolle dabei. Auch die Kontakte zu benachbarten Zellen können die Richtung der Differenzierung bestimmen. Unter ganz definierten Bedingungen, ist eine Transdetermination der Zellentwicklung möglich. Damit ändert sich die Zelldetermination.
Gefahrenquelle – die veränderte Zelldetermination
Das ist besonders typisch für die Wundheilung. Die veränderte Zelldetermination spielt dabei eine wichtige Rolle. Wenn entsprechende Zellen zu diesem Zeitpunkt bereits differenziert sind, dann verlieren sie in diesem Fall ihre gewählte Differenzierung und diese Zellen differenzieren sich erneut. Leider kann es bei einer Störung dieses Prozesses, der neuen Differenzierung von Zellen, zum Entstehen von Krebs kommen.
Der Planet & Das Leben
Die Differenzierung – Basis unseres Lebens
Um als ein biologisches, einheitliches System funktionieren zu können, ist die Differenzierung für jeden Organismus, ob Mensch, Tier oder Pflanze, eine zwingende Voraussetzung. Die Differenzierung ist, trotzdem es Risiken gibt, die zu Krebs führen können, Grundlage und Vorausetzung eines jeden hochentwickelten, komplexen lebenden Systems, dass wir persönlich als unseren Körper kennen und schätzen.
Jedes höher entwickelte Lebewesen verdankt der Möglichkeit von Zellen zur Differenzierung, die wunderbare, individuelle Ausprägung und Einzigartigkeit seiner Existenz. Unser Leben, als Menschheit auf diesem Planeten, mit unterschiedlich weit entwickelten Tieren und Pflanzen, wäre ohne die Möglichkeit der Zellen zur Differenzierung nicht existent.
Es lebe die Zelldifferenzierung – Sie ist Schöpfer der Vielfalt!
Sie ist unverzichtbare Grundlage der Entstehung und Weiterentwicklung aller Arten und auf diese Weise ist sie auch kreativer Schöpfer der Vielfalt des Lebens auf der Erde. Mit einzigartiger Manigfaltigkeit sind durch die Zelldifferenzierung unzählbar viele verschiedene Individuen entstanden, die sich, mal mehr und mal weniger gut, im Laufe der Evolution bewährt haben, oder auch nicht.
Durch die Zelldifferenzierung allein können wir Mensch sein, wie wir heute Mensch sind und müssen nicht als Einzeller gelangweilt in einer Ursuppe herum schwimmen. Allein, dass wir über die Zelldifferenzierung so intensiv nachdenken können, verdanken wir ihr auch.
Krankheiten & Beschwerden
Welche Krankheiten und Beschwerden stehen im Zusammenhang mit einer gestörten Differenzierung?
Während des ablaufenden Prozesses der Zelldifferenzierung besteht die Möglichkeit, dass es zu Störungen kommen kann. Diese können bei der Embryogenese, im schlimmsten Fall, zu Organmissbildungen führen. Daraus resultieren eine ganze Reihe genetisch bedingter Erkrankungen. Diese äußern sich auch durch vielfältige Organmissbildungen (Organ-Dysplasien).
Ursachen nicht genetischer Art für Organmissbildungen
Daneben gibt es auch andere Ursachen für Organmissbildungen, die nicht genetischer Art sind. Als Beispiel wäre hier die Nierenagenesie zu nennen, die auftreten kann, wenn Fruchtwasser während der Embryonalentwicklung fehlt. Unter der Nierenagenesie (Anlage von Agenesie) bleibt es aus, während sich der Embryo entwickelt, das Anlagen für eine oder beide Nieren im Körper ausgebildet werden. Man spricht dabei auch von einer Hemmungsfehlbildung.
Medikamente als Ursache
Medikamente als Ursache für Organmissbildungen
Während der Embryogenese kann der Differenzierungsprozess der Stammzellen auch durch Medikamente gestört werden. Ein Beispiel aus der jüngeren Geschichte ist, das als Beruhigungsmittel eingenommene Medikament, Contergan.
Contergan – ein Medikament führt zu schwersten Schädigungen von Föten
Das scheinbar ungefährliche Beruhigungsmittel Contergan führte, wenn es in der frühen Phase der Schwangerschaft eingenommen wurde, zu teilweise schwersten Schädigungen der Föten in ihrer Wachstumsentwicklung. Im Jahre 1961 wurde diese Tatsache durch den in den Medien verhandelten „Conterganskandal“ öffentlich.
Inzwischen wurde diese Geschichte, welche die Gesellschaft verstört hat und auch etwas nachhaltiger, für schwerwiegende Nebenwirkungen von Medikamenten sensibilisiert hat, auch verfilmt.
Mutation bis Dysplasie
Fehlerhafte Organdifferenzierungen
Chromosomen, dna
Der menschliche Embryo kann sich gesund nur im Fruchtwasser, von dem er umgeben sein sollte, entwickeln. Gelegentlich kommt es aufgrund von Platzmangel zu einer fehlerhaften Organdifferenzierung. Davon können nicht nur die Nieren, sondern auch andere Organe, als auch Gewebe betroffen sein.
Somatische Mutationen
Somatische Zellen sind Körperzellen, aus denen keine Gameten (Geschlechtszellen) hervorgehen können. Unter Umständen können auch somatische Mutationen in der Zelle Gene betreffen, welche dann den Vorgang der Differenzierung beeinflussen. In der Biologie wird die dauerhafte Veränderung von Erbgut als Mutation bezeichnet. Der Begriff Mutation ist abgeleitet vom Lateinischen „mutare“ – das mit „verwandeln“ oder „ändern“ übersetzt werden kann.
Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit eine Krebserkrankung zu erleben?
Die Veränderungen betreffen zwar zunächst nur das Erbgut von einer Zelle. Dieses Erbgut der einen mutierten Zelle wird dann aber an die entstehenden Tochterzellen weitergegeben – im Unterschied zu Zellen der Keimbahn. Im Laufe unseres Lebens steigt deshalb die Wahrscheinlichkeit, eine Krebserkrankung zu bekommen.
Woran können Dysplasien erkannt werden?
Nicht nur ein disharmonisches Erscheinungsbild des Körpers kann ein sichtbares Zeichen und Ausdruck von Dysplasien sein. Auch mehr oder weniger starke Fehlbildungen an inneren Organen gehören leider häufig dazu.
Häufige Fragen & Antworten
FAQ – Fragen und Antworten zur Differenzierung von Körperzellen
Hier finden Sie Antworten auf häufig gestellte Fragen zur biologischen Differenzierung.
Was ist die Malignität?
Es kann vorkommen, dass Zellen, die bereits differenziert sind, sich wieder entdifferenzieren und sich anschließend unkontrolliert vermehren. Bei Krebs liegt diese Konstellation vor. Der Tumor ist umso maligner, je intensiver die Entdifferenzierung von Zellen bereits vorangeschritten ist. Der Fachbegriff Malignität leitet sich von dem lateinischen „malignitas“, welches mit „Bösartigkeit“ oder „Missgunst“ zu übersetzen ist, ab.
Was ist mit der Entdifferenzierung von bereits differenzierten Zellen?
Eine Entdifferenzierung von bereits differenzierten Zellen ist gelegentlich notwendig. Das ist immer dann der Fall, wenn der Bedarf an Zellwachstum im Körper erhöht ist. Das ist beispielsweise nach Verletzungen, bei denen die Wundheilung des Körpers automatisch startet, der Fall.
Wie entsteht Krebs?
Bei solchen Prozessen, der Entdifferenzierung von bereits differenzierten Zellen, folgen den Phasen der Entdifferenzierungen der entsprechenden Zellen auch wieder Phasen von neuen Differenzierungen der Zellen. Sollte die erneute Differenzierung jedoch nicht erfolgen, dann entsteht Krebs.
Was bedeutet Dysplasie?
Der Begriff Dysplasie kommt aus dem Altgriechischen und setzt sich aus zwei Teilen zusammen. Die Vorsilbe „dys“ steht für „miss-“ und der Wortteil „plassein“ steht für „formen“ oder „bilden“. Soll Dysplasie ganz allgemein übersetzt werden, könnte also von einer Fehlbildung gesprochen werden. Das betrifft sowohl die Humanmedizin als auch Veterinärmedizin.
Unter dem Begriff Dysplasie werden auch noch reversible, also rückbildungsfähige, Veränderungen von Organen, Geweben und Zellen verstanden. Das betrifft Veränderungen, die durch den Verlust der Fähigkeit von Zellen zur Differenzierung und durch atypische Wachstumsvorgänge gekennzeichnet sind.