WESTFÄLISCHE
WILHELMS-UNIVERSITÄT MÜNSTER

Fachbereich 13 - Biologie

Altern unter besonderer Berücksichtigung der Telomertheorie

Schriftliche Hausarbeit

im Rahmen der ersten Staatsprüfung
für das Lehramt der Sekundarstufe II/I
dem staatlichen Prüfungsamt

vorgelegt von

Jörn Roth

Lehramt Sekundarstufe II/I
Münster, im November 2004

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ...  1

2. Altern ...  4
2.1 Ist Altern biologisch sinnvoll? ...  5
2.2 Alternstheorien ...  6
2.2.1 Evolutionäre Alternstheorien ...  7
2.2.2 Stochastische Alternstheorien ...  11
2.2.3 Genetisch basierende Alternstheorien ...  14
2.2.4 Alternstheorien im Überblick ...  16

3. Zellalterung und Telomere ...  18
3.1 Das Märchen von den unsterblichen Zellen ...  18
3.2 Hayflick und Moorhead ...  19
3.2.1 Maximale Teilungskapazität einer Zellkultur ...  20
3.2.2 Dirty Old Man Experiment ...  22
3.2.3 Experimentelle Lokalisation des Replicometers ...  24
3.2.4 Das Hayflick-Limit ...  26
3.3 Das Endreplikationsproblem ...  28
3.3.1 Olovnikov und die „Marginotomy Theory of Ageing“ ...  28
3.3.2 Das Endreplikationsproblem heute ...  31
3.4 Telomere ...  32
3.4.1 Tetrahymena thermophila ...  33
3.4.2 Die Ermittlung der ersten Telomersequenz ...  34
3.4.3 Die humane Telomersequenz ...  35
3.5 Das Enzym Telomer-Terminal-Transferase ...  36
3.6 Funktion und Struktur der Telomere ...  41
3.6.1 D-Loop/t-Loop am Ende der Telomere ...  43
3.6.2 Strukturelle Proteine der Telomere ...  46

4. Telomere und Altern ...  49
4.1 Aktuelle Hypothesen ...  49
4.1.1 Die Telomer-Hypothese des zellulären Alterns ...  49
4.1.2 Erweiterung der Telomer-Hypothese des zellulären Alterns ...   52
4.1.3 Telomer-Hypothese der Vererbung von Langlebigkeit ...  57
4.1.4 Genetische Faktoren zellulärer Seneszenz ...  58
4.2 Übertragbarkeit der Hypothesen auf das Altern in vivo ...  60
4.3 Telomere, Telomerase und (altersbedingte) Krankheiten ...  62
4.3.1 Telomere, Telomerase und Krebs ...  65

5. Diskussion ...  69

6. Zusammenfassung ...  73

7. Literaturverzeichnis ...  75

Glossar

Abbildungsverzeichnis

„Denn alles, was entsteht, ist Wert,
dass es zu Grunde geht“ 

GOETHE

1. Einleitung

969 Jahre - dieses Alter erreichte, wenn man der Bibel Glauben schenken darf, Methusalem, auch Methusalah genannt (Bibel, Genesis 5,27). Noch im heutigen Sprachgebrauch wird dieser Name gleichbedeutend mit einem langen Leben genutzt. Die Französin Jean Calment starb am 4. August 1997, im Alter von 122 Jahren. Sie war damit nachweislich die älteste Frau der Welt und erfreute sich, auch hochbetagt, eigentlich guter Gesundheit (Int. Q. 1). Demgegenüber steht der 16jährige Jason Ellison aus Idaho. Trotz seines kalendarischen Alters von 16 Jahren sind viele seiner Organe, biologisch gesehen, so alt wie die eines etwa 90-Jährigen. 

Das Altern an sich ist eine unausweichliche Erfahrung und individuelles Schicksal von Geburt an. Leben bedeutet Altern. Dennoch ist Altern ein biologisches Rätsel ersten Ranges. Seit jeher versucht der Mensch, selbst jenseits aller religiösen Doktrin, seine Lebensspanne zu verlängern und das Altern zu besiegen - und das mit erstaunlicher Beharrlichkeit. Jeder hat im Laufe der Schulzeit von Ponce de León gehört, der, auf der Suche nach dem Jungbrunnen, die Wildnis Floridas durchkämmte (NESSE & WILLIAMS, 1997). Auf vielen Bildern und Gemälden wird dargestellt, wie Greise auf der einen Seite des Brunnens in das Wasser steigen und als junge, vitale Menschen auf der anderen Seite heraustreten (Abb. 1). Auch die Alchemisten des Mittelalters waren unermüdlich auf der Suche nach dem „Lebenselixier“, welches ihnen ewiges Leben schenken sollte. Selbst in diversen Science-Fiction-Romanen werden Methoden beschrieben, mit denen das Altern kurzeitig gestoppt oder verzögert werden kann (z.B. durch Tiefschlaf oder Einfrieren der Personen). In der Oper „Der fliegende Holländer“ von Richard Wagner wird die Unsterblichkeit jedoch als eine „Strafe der Götter“ dargestellt und ein, von den Göttern verfluchter Seemann, wünscht sich nichts sehnlicher als den Tod.

Abbildung 1: Der Jungbrunnen. Gemälde von Lucas Cranach dem Älteren (1546) (nach NAGEL, 1991, S. 33)

[...]

Bereits 1796 veröffentlichte der Arzt CHRISTOPH WILHELM HUFELAND ein Buch mit dem Titel „Makrobiotik oder die Kunst, das menschliche Leben zu verlängern“. Immer noch wird unerbittlich geforscht, um letztendlich eine Antwort auf die Frage zu finden, warum Zellen, Organe und Organismen ihre Funktionen mit den Jahren einschränken und schließlich sterben. Kapitel 2 – „Altern“ - gibt einen Einblick in die unterschiedlichsten und gängigsten Alternstheorien, die nicht nur die Mechanismen des Alterns erklären wollen, sondern auch nach dem biologischen Sinn dieses Prozesses fragen. Von vielen Wissenschaftlern wird immer noch behauptet, das Altern sei eine Krankheit, die man in naher Zukunft vielleicht sogar heilen kann. Zu dieser Aussage werde ich am Ende der Arbeit Stellung nehmen. 

Im Hauptteil dieser Arbeit soll eine Theorie auf der Ebene der Zellen und ihrer molekularen Struktur näher betrachtet werden. Dabei handelt es sich um die Telomerhypothese des zellulären Alterns nach HARLEY und deren Erweiterung nach VON ZGLINICKI. Sie räumt den Telomeren (die Chromosomen-Endstücke), die sich mit jeder Replikation verkürzen, eine entscheidende Rolle im Alterungsprozess der Zelle und somit auch des Gesamtorganismus’ ein. Kapitel 3 - „Zellalterung und Telomere“ - soll zunächst den geschichtlichen Hintergrund aufdecken und erklären, warum Telomere überhaupt mit dem Alterungsprozess in Verbindung gebracht worden sind. Im weiteren Verlauf des Kapitels werden Struktur und Funktion der Telomere und des Enzyms Telomerase nach dem heutigen Wissensstand erläutert, um die Grundlagen für das Verständnis der Hypothesen zu formen.

In Kapitel 4 - „Altern und Telomere“ - werden die aktuellen Theorien und Hypothesen hinsichtlich der Telomere und des Alterns vorgestellt. Hier soll die tatsächliche Relevanz der Telomere für den Alterungsprozess aufgedeckt werden. Spielen tatsächlich intrazelluläre Aspekte, die man vorher völlig ausschloss, die Hauptrolle im Alterungsprozess, oder ist die so offensichtliche Verknüpfung von Telomeren, Zellalterung und Altern als Prozess schlussendlich doch hinfällig und bedeutungslos? Interessant ist auch die Frage, ob die Telomere selbst wirklich entscheidenden Einfluss auf den Prozess der Zellalterung nehmen und welche Funktion sie tatsächlich erfüllen, wenn dem nicht so ist. In der Folge wird versucht, die teilweise theoretischen Hypothesen, auf den tatsächlichen biologischen Alterungsprozess (meist am Beispiel des Menschen) zu übertragen. Abschließend zeigt Kapitel 4 einige alternative funktionelle Aspekte der Telomere, im Zusammenhang mit diversen, insbesondere altersbedingten Krankheiten auf.

2. Altern 

Das Altern ist ein in der Natur weit verbreiteter Prozess. In der heutigen Medizin bilden die Gerontologie (Altersforschung) und die Geriatrie (Altersheilkunde) mittlerweile einen eigenständigen Forschungszweig. Der Begriff „Gerontologie“ leitet sich aus dem Griechischen ab. Dort heißt „geron“ Greis und „Logos“ Lehre. Eigentlich müsste es richtig „Geratologie“, nach dem griechischen Wort „geras“ für „das Alter“ heißen (Int. Q. 2). Altern selbst ist nur schwer zu beschreiben und viele haben sich schon in einer Definition versucht. COLLATZ schreibt: „Altern beschreibt den gerichteten und irreversiblen Gang intrinsischer Ereignisse, die den Metazoenorganismus vom Anfang seines Lebens bis zu dessen Ende leiten“. Eine andere Definition lautet: „Im weitesten Sinne ist Altern eine Funktion der Zeit und drückt sich in der belebten Natur durch die Summe aller nicht umkehrbaren Veränderungen in einem Lebewesen aus“ (REITZ, 1998, S. 6). Wiederum andere betrachten Altern nicht als einzelnen Prozess, sondern behaupten, „Altern manifestiert sich in einer erhöhten Anfälligkeit für zahlreiche Krankheiten und durch eine Verminderte Fähigkeit zur Reparatur von Schäden“ (NESSE & WILLIAMS, 1997, S. 132). Bei Säugetieren ist Altern generell von Seneszenz begleitet. Seneszenz beschreibt den „Prozess einer graduellen und langsamen Akkumulation schädlicher Effekte“ (COLLATZ, 1999, S. 18). Gemeint sind damit Fehlfunktionen von Zellen und Molekülen, die mit fortschreitendem Alter auftreten. Fest steht aber, dass Altern alle mehrzelligen Organismen betrifft. Daher gehe ich zunächst auf Erklärungsansätze ein, die deutlich machen sollen, warum es Altern überhaupt gibt.

2.1 Ist Altern biologisch sinnvoll? 

Beim Menschen bildet eine einzelne Zelle mit 46 Chromosomen die Basis, aus der sich allmählich ein Körper formt, bei dem Billionen von Zellen am richtigen Platz sitzen und Organe und Gewebe bilden. Es wäre also mit Sicherheit einfacher, solch einen Körper zu erhalten, als ihn neu zu formen. Man stellt sich zwangsläufig die Frage: Warum überhaupt altert der Körper vieler Organismen?

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