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Die Zelle

 

 

 

Die photobiologische Wirkungskette

 Wirkung der UV-Strahlung auf die Zelle

 

Die Zelle ist der kleinste Baustein des menschlichen Körpers und damit die biologische  Grundeinheit. Alle bekannten Zellen (bis auf ein paar Ausnahmen) enthalten bestimmte Komponenten, die für die Funktionen der Zelle notwendig sind.  Es sind die Zellen, die letztendlich die unterschiedlichen Gewebe – im menschlichen Körper gibt es ca. 220 verschiedene Zell- und Gewebetypen – bilden und die UV-Strahlung mit den in der Zelle enthaltenen Organellen absorbieren. Die Absorption von UV-Strahlung ist dabei die Grundlage für die Auslösung einer positiven oder negativen biologischen Wirkung und beruht in der Regel auf einem sog. Resonanzeffekt. Bei Resonanzeffekten handelt es sich um eine Übereinstimmung der Frequenzen zwischen auftreffender Welle (hier z.B. die UV-Strahlung) und den „Eigenschwingungen“ der aufnehmenden Struktur. Strukturen und Moleküle, die in der Lage sind, UV-Strahlung zu absorbieren, „schwingen“ mit der gleichen Wellenlänge wie die UV-Strahlung. Mit dem Auftreffen der UV-Strahlen wird das Molekül in einen  sog. „angeregten Zustand“ versetzt und speichert so gewissermaßen die Energie der auftreffenden Strahlung. Dadurch können diese Moleküle jetzt Reaktionen durchführen, die sie normalerweise (im Grundzustand) nicht durchführen könnten. Normalerweise ist ein Molekül bestrebt, schnell in den Grundzustand zurück zu kehren. Dazu muss die aufgenommene Energie wieder abgegeben werden, was im Regelfall durch Strahlungsemission (Fluoreszenz) erfolgt (das Molekül gibt die Energie in Form von Strahlung/Fluoreszenz ab) oder in Form von Stößen, die auf benachbarte Moleküle übertragen werden. In besonderen Fällen, bei sogenannten „photosensibilisierenden Reaktionen“, kann der angeregte Zustand auch „wandern“ und auf andere Moleküle übertragen werden. Eine photosensibilisierende Substanz nimmt dazu die Energie der UV-Strahlung auf und überträgt den angeregten Zustand auf ein anderes Molekül, also z.B. die DNA (siehe unten).

Mit Blick auf die photobiologischen Aspekte einer Zelle sollen hier nur diejenigen Organellen benannt werden, die in der Lage sind, UV-Strahlung zu absorbieren. Dazu gehören:

  • DNA, die genetische Information, die als Bauplan für die anderen Komponenten der Zelle dient
  • Proteine, die als Strukturproteine oder als Enzyme für den Bau und die biochemischen Funktionen der Zelle zuständig sind
  • Membranen, welche die Zelle von ihrer Umgebung abschotten, als Filter fungieren, Kontakt mit der Außenwelt aufrecht erhalten und komplexere Zellen in Kompartimente aufteilen

 

Wenn UV-Strahlen in eine Zelle eindringen und von den verschiedenen Zellorganellen absorbiert werden, kommt es zu einer Wirkungskette von physikalischen, chemischen und biologischen Reaktionen. Zu beachten ist dabei, dass nur derjenige Teil der Strahlung eine biologische Wirkung entfalten kann, der auch von der Zelle oder dem Gewebe absorbiert wird. Durch die Zelle oder das Gewebe hindurchtretende Strahlung, die nicht absorbiert wird, ruft auch keine Wirkung hervor. Die Strahlungsmenge und damit die Menge der Energie, die vom Gewebe absorbiert wird und eine biologische Wirkung entfalten kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab wie z.B. der Gewebeart, der Dauer der Bestrahlung, der Wellenlänge, der Bestrahlungsintensität etc.. Trifft die in das Gewebe eindringende Strahlung auf eine Zelle oder ein Zellbestandteil (z. B. die DNA) dass in der Lage ist, die Strahlung zu absorbieren, werden zunächst in einer physikalischen Reaktion die Moleküle der absorbierenden DNA angeregt. In Abhängigkeit von der Größe der absorbierten Energie ist diese Anregung irreversibel und führt zu einer chemischen Reaktion. Im Fall der DNA z.B. zu Strangbrüchen. Im Regelfall werden derartige chemische Veränderungen von der Zelle rasch erkannt und repariert. In besonderen Fällen kann es aber auch sein, dass diese Reparaturen nicht funktionieren, so dass das betroffene Molekül – hier als Beispiel die DNA- ihre normale Funktion nicht mehr ausüben kann. In diesen Fällen kommt es zu einer biologischen Reaktion, nämlich einer Fehlfunktion, die sich z.B. als Zelltod oder als Hautkrebs manifestieren kann.   Unter bestimmten Umständen, wie z. B. der Anreicherung von UV-Schäden in den Zellen, kann es für den Organismus sogar von Vorteil sein, eine Zelle nicht zu reparieren sondern zu töten. Dieser programmierte Zelltod wird als Apoptose bezeichnet. Höhere UV-Strahlungsdosen führen in der Haut zum Auftreten apoptotischer Zellen (abgetöteter Zellen), den sog. „sunburn cells“. Unter bestimmten, widrigen Umständen kann es jedoch auch passieren, dass geschädigte Zellen nicht absterben sondern in einen unkontrollierten Wachstumszyklus eintreten. Immer dann, wenn das Immunsystem dieses Wachstum nicht unterdrücken kann, kommt es in der Folge zur Hautkrebsentstehung.

 

Innerhalb der Zelle lassen sich die folgenden fünf Strukturen definieren, die im Wesentlichen von den biologischen Wirkungen der Strahlung betroffen sind:

 

Wirkung auf den Zellkern.

Innerhalb des Zellkerns befindet sich die Erbsubstanz, die DNA, in der alle Informationen, die zum Leben der Zelle benötigt werden, gespeichert sind.  Bei der Zerstörung dieser Informationen – Vergleichbar der Zerstörung der Festplatte eines Computers -  ist die Zelle im Regelfall nicht überlebensfähig. Diese DNA ist deshalb sehr empfindlich gegenüber UV-Strahlung, da sie in der Lage ist, UV-Strahlung zu absorbieren. Das Absorptionsmaximum der DNA liegt dabei bei 254 nm und somit exakt im UVC-Bereich. Aber auch UVA- und UVB-Strahlung sind in der Lage, die DNA zu schädigen.  Durch UV-Strahlung kann es an der DNA zu folgenden Schäden kommen: Einzelstrangbrüche, dabei wird in einem der zwei Stränge eine Unterbrechung erzeugt, Doppelstrangbrüche, dabei werden beide Stränge zerstört; Schädigung der Basen. Einzelne Basen lösen sich vom Strang; Zerstörung der Wasserstoffbindungen zwischen den Basen; Bildung von Brücken zwischen den Basen (Thymindimere). Wegen der Bedeutung der DNA für die Zelle existieren zahlreiche Reparaturmechanismen, die die entstandenen Schäden reparieren – sofern bis zur nächsten UV-Bestrahlung ein angemessener Zeitraum besteht und die Schäden insgesamt ein Ausmaß nicht überschritten haben, das die Reparatur unmöglich macht. Daraus leitet sich in Bezug auf die UV-Schutz-Verordnung ab, dass zwischen zwei Besonnungen zwingend eine Pause von 48 Stunden liegen muss, damit diese Reparaturmechanismen aufgetretene Schäden finden und reparieren können.

Neben der DNA kann aber auch die Kernmembran, die schützende Hülle des Kerns, durch die UV-Strahlung zerstört oder beschädigt werden, was zu einer Stoffwechselstörung innerhalb der Zelle führt.

Wirkung auf das Zytoplama.

Durch die Einwirkung von UV-Strahlen wird im Zytoplasma – der Flüssigkeit in der Zelle -  eine Denaturierung der im Plasma enthaltenen Eiweiße erzeugt, was zu einer Verdickung des Plasmas führt. Es kommt zur Bildung von „Luftbläschen“ in den Zellen und zu Fettablagerungen in der Zelle. Dadurch wird der Stoffwechsel der Zelle erheblich gestört und im Extremfall stirbt die Zelle.

 

Wirkung an den Membranen.

Durch die Einwirkung der UV-Strahlung kommt es in den Zellmembranen – insbesondere an der äußeren Zellhülle- zu Fetteinlagerungen, die in der Konsequenz dazu führen, dass die Durchlässigkeit der Membran für verschiedene Substanzen gestört wird. Dies führt dazu, dass die Organellen mit den geschädigten Membranen sich auflösen, was im Regelfall zum Zelltod führt.

 

Wirkung an den Mitochondrien.

In den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, wird die Energie für die Zellen hergestellt. An der Energiebereitstellung sind bestimmte Proteine beteiligt, die empfindlich sind gegenüber UV-Strahlung. Durch die Strahlung wird die Energiesynthese unterbrochen, in die Membranen der Mitochondrien  lagert sich Fett ein und die Mitochondrien zerfallen abschließend. Damit bricht die Energieversorgung der Zelle zusammen und die Zelle stirbt.

 

Wirkung am Zentriol.

Das Zentriol bildet in der Zelle eine Spindel, ein Skelett aus, an dem sich die Zellstrukturen bei der Zellteilung ausrichten können. Durch UV-Bestrahlung wird die Spindelausbildung gestört und in der Folge kommt es zu Vervielfältigungen der Chromosomensätze mit irreparablen Schäden, die im Regelfall zum Zelltod führen.