Zytolyse Definition
Zytolyse, auch osmotische Lyse genannt, tritt auf, wenn eine Zelle platzt und ihren Inhalt in die extrazelluläre Umgebung entlässt, weil viel Wasser in die Zelle eindringt, das die Kapazität der Zellmembran, das zusätzliche Volumen aufzunehmen, weit übersteigt. Dies ist vor allem bei Zellen bedenklich, die keine widerstandsfähige Zellwand haben, um dem inneren Wasserdruck zu widerstehen.
Wasser kann langsam durch die Lipiddoppelschicht der Zellmembran diffundieren, aber ein schneller Transport erfordert das Vorhandensein von selektiven Transmembrankanälen, den Aquaporinen. Diese integralen Membranproteine ermöglichen die Bewegung von Wasser, während sie den Zugang zu vielen gelösten Stoffen und Ionen verhindern.
Zellen haben in der Regel eine höhere Salz- und Ionenkonzentration als ihre unmittelbare Umgebung, vor allem bei einzelligen Organismen, die in Süßwasserkörpern leben, und dies kann zum Einströmen von Wasser führen. Die meisten Zellen verfügen über interne Mechanismen, um mit der konstitutiven Bewegung von Wasser umzugehen. Kommt es jedoch zu einer plötzlichen Veränderung des Tonus der extrazellulären Umgebung oder zu einer Veränderung der Membranstruktur, kann Wasser die Zelle überfluten und sie zum Platzen bringen.
Das Bild zeigt die Auswirkungen der extrazellulären Ionenkonzentration auf die Zellstruktur. Die Zytolyse ist eine Ursache für den Zelltod in mehrzelligen Organismen, wenn ihre Körperflüssigkeiten hypoton werden. Die osmotische Lyse wird auch von einigen replizierten Viruspartikeln genutzt, um ihre Wirtszelle zu verlassen und den Infektionsprozess fortzusetzen.
Die Zytolyse hat jedoch auch eine funktionelle Rolle und wird vom Immunsystem zur selektiven Zerstörung von Tumorzellen oder von Zellen, die mit bestimmten Krankheitserregern infiziert sind, genutzt.
Arten der Zytolyse
Die Zytolyse kann durch viele Faktoren verursacht werden, von der Tonizität der extrazellulären Flüssigkeit bis hin zur Aktivität anderer Zellen, die die Struktur der Zellmembran beeinflussen.
Zytolyse durch hypotone Umgebung
Wenn Zellen in eine Umgebung mit reinem Wasser gebracht werden, überflutet Wasser die Zelle und bringt sie zum Platzen. Zum Beispiel durchlaufen rote Blutkörperchen eine Hämolyse, wenn sie in destilliertes Wasser gelegt werden, und dies kann anhand des Auftretens von Hämoglobin in der Lösung gemessen werden. Eine Lösung mit 0,9 g Natriumchlorid (NaCl oder Kochsalz) in 100 ml Wasser gilt als isotonisch, d. h. sie enthält die gleiche Salzkonzentration wie das Innere der roten Blutkörperchen. Lösungen mit geringerer Salzkonzentration lassen die Zellen platzen. Daher kann die intravenöse Injektion von reinem destilliertem Wasser äußerst schädlich sein, insbesondere für die zerbrechlichen Zellmembranen von Erythrozyten oder roten Blutkörperchen.
Zytolyse durch Krankheitserreger
Viren sind sehr spezifisch in ihrer Wahl des Wirtes. Darüber hinaus sind die meisten von ihnen so angepasst, dass sie nicht nur einen bestimmten Organismus, sondern auch einen bestimmten Zelltyp innerhalb des Wirts infizieren. Viren können außerhalb ihres Wirts nicht funktionieren und müssen die zelluläre Maschinerie kapern, um den Stoffwechsel zu durchlaufen und die Vermehrung einzuleiten. Nach mehreren Vervielfältigungsrunden kann die Anwesenheit von Virionpartikeln die Wirtszelle jedoch überfordern. An diesem Punkt können die Viren die Zellmembran in einer Weise beschädigen, die zum Eindringen von Wasser und schließlich zur Zytolyse führt. Sobald die Zelle lysiert ist, werden die Viren freigesetzt und können den Infektionszyklus mit neuen Wirtszellen im selben Gewebe wiederholen.
Die Spezifität von Viren für ihren Wirt kann möglicherweise für die Krebstherapie genutzt werden. Das Phänomen, dass Viren eine Remission von Krebs auslösen, wird seit dem 19. Jahrhundert beobachtet. Viele Viren infizieren bevorzugt Krebszellen, während sie normale Zellen unversehrt lassen, weil die Bösartigkeit die antivirale Reaktion einer Zelle dämpft. Diese Viren können eine Zytolyse in Tumorzellen auslösen und so zur Behandlung beitragen. Im Jahr 2011 wurde berichtet, dass ein Viruspartikel die Zytolyse in Tumorzelllinien, tumorauslösenden Zellen und primärem Tumorgewebe von Patienten auslöst. Im Jahr 2015 genehmigte die US-amerikanische FDA die erste virale Melanomtherapie.
Bakterielle Zytolyse wurde aufgrund einer Überwucherung von Laktobazillen in der Vagina beobachtet. Die Vagina erwachsener Frauen ist normalerweise mit Laktobazillen besiedelt, und diese Bakterien schützen in geringer Zahl vor Pilzinfektionen. Bei manchen Frauen treten jedoch Symptome einer Pilzinfektion auf, die auf die Behandlung mit Antimykotika nicht ansprechen. In diesen Fällen weisen Frauen mit starkem Ausfluss, Juckreiz und ohne pathogene Bakterien oder Pilze im Nassabstrich auch eine erhöhte Anzahl von Laktobazillen auf. Der Ausfluss wird durch eine Zytolyse der vaginalen Epithelzellen aufgrund einer bakteriellen Infektion durch Laktobazillen verursacht.
Zytolyse durch das Immunsystem
Das Immunsystem nutzt eine Vielzahl von Methoden, um eine Zytolyse auszulösen – sowohl bei Krankheitserregern als auch bei infizierten oder krebsartigen Zellen im Körper. Zu den wirksamsten Vermittlern der Zytolyse im Immunsystem gehören die T-Zellen und die natürlichen Killerzellen (NK). Diese beiden Zellen können entweder eine Zelle zur Apoptose veranlassen oder Proteine, so genannte Perforine, freisetzen, die Kanäle auf der Zellmembran bilden. Wenn Wasser durch diese Kanäle in die Zelle eindringt, wird sie osmotisch lysiert. Darüber hinaus können NK-Zellen auch über das adaptive Immunsystem wirken, indem sie mit T-Zellen und den von B-Zellen freigesetzten Antikörpern interagieren. Durch das Antikörper- und Komplementsystem können pathogene Zellen durch die Bildung einer ringförmigen Transmembranstruktur auf der Zellmembran durch Komplementproteine lysiert werden.
Diese Methode der Zytolyse kann zu einer großen Komplikation führen, wenn eine Histoinkompatibilität zwischen Mutter und Fötus besteht. Wenn ein bestimmter Antikörpertyp (IgG) die Plazenta passiert und Antigene im Blut des Fötus erkennt, kann er das Komplementsystem und die angeborene Immunität aktivieren und eine Hämolyse der roten Blutkörperchen auslösen. Das Kind wird mit gelbsuchtähnlichen Symptomen geboren.
Natürliche Killerzellen sind auch für den Abwehrmechanismus des Körpers gegen die Tumorbildung von entscheidender Bedeutung. Wenn Krebszellen die Expression von Oberflächenantigenen herunterregulieren, können leistungsfähige Zellen des adaptiven Immunsystems diese Zellen nicht erkennen oder eine Immunantwort gegen sie auslösen. NK-Zellen können eine Entzündungsreaktion auslösen, andere zytotoxische Zellen anlocken und gemeinsam entweder eine osmotische Lyse oder Apoptose bei Tumorvorläuferzellen auslösen.
Funktionen der Zytolyse
Die Zytolyse wird von verschiedenen Zellen häufig als Überlebensmittel eingesetzt. Während Einzeller und Krankheitserreger sie nutzen, um Angriffe abzuwehren oder sich Zugang zu neuen Wirten zu verschaffen, verwenden mehrzellige Organismen die Zytolyse während einer Immunreaktion oder um geschädigte und gefährliche Zellen aus ihrem Körper zu entfernen.
Verhinderung der Zytolyse
Trotz ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ist es für einen Organismus wichtig zu kontrollieren, wann und wie die Zytolyse stattfindet. Pflanzen verfügen über einen natürlichen Schutzmechanismus gegen Zytolyse, da sie eine widerstandsfähige Zellwand besitzen. Wenn eine Pflanzenzelle in eine hypotone Umgebung kommt und Wasser eindringt, übt die Zellwand einen Gegendruck auf die Zellmembran aus und verhindert, dass sie sich ausdehnt oder reißt. In einer hypertonen Umgebung verliert die Zelle Wasser, was auch als Plasmolyse bezeichnet wird. In einer isotonischen Lösung fließt gleich viel Wasser in die Zelle ein und aus ihr heraus, so dass ihr Gesamtvolumen intakt bleibt. In hypotonen Lösungen nimmt die Vakuole beim Eindringen von Wasser in die Zelle einen Großteil des überschüssigen Wassers auf und schützt so das Zytoplasma vor Verdünnung.
Die Zellwand erzeugt auch einen umgekehrten Druck, der bewirkt, dass Wasser aus der Zelle austritt, während die optimale Turgidität erhalten bleibt. Diese Turgidität ermöglicht es den Pflanzen, aufrecht zu bleiben, obwohl sie kein internes Skelettsystem haben.
Einzellige Protisten wie Amöben und Paramecium enthalten eine Organelle, die kontraktile Vakuole, die an der Verhinderung der Zytolyse beteiligt ist. Es handelt sich um eine pulsierende Struktur, die wiederholte Zyklen von Diastole (Wasser tritt in die Vakuole ein) und Systole (Wasser wird aus der Zelle gepumpt) durchläuft. Der genaue Mechanismus dieser Kontraktionen ist nicht bekannt, aber diese Organellen scheinen auch dann zu funktionieren, wenn die Zellen in eine Lösung mit hoher Salzkonzentration gelegt werden.
Mehrzellige Organismen verfügen in der Regel über einen ausgeklügelten Mechanismus, um sicherzustellen, dass alle ihre Zellen in einer isotonischen Lösung gebadet werden. Beim Menschen und anderen Säugetieren ist dies das Ausscheidungsorgansystem, das aus den Funktionseinheiten der Nephrone in der Niere besteht. Bei der Blutfilterung in der Niere werden Salze, Ionen, Abfallprodukte, Ammoniak und überschüssiges Wasser entfernt und in regelmäßigen Abständen ausgeschieden, so dass der Organismus seine Homöostase aufrechterhalten kann. Steigt die Wasseraufnahme, so steigt auch die Wasserausscheidung über das Ausscheidungssystem. Dieses System wird durch ein ausgeklügeltes Netz von Hormonen und anderen physiologischen Reaktionen gesteuert und sorgt dafür, dass alle Zellen im Körper hauptsächlich einer isotonischen extrazellulären Flüssigkeit ausgesetzt sind. Zellen, die sich an der Schnittstelle zur Außenwelt befinden – sei es auf der Haut oder in der Auskleidung des Verdauungssystems – sind durch eine hydrophobe Schicht aus Ölen oder Wachsen vor der Zytolyse geschützt.
Gelegentlich ist das Ausscheidungssystem überfordert, wenn ein Organismus plötzlich eine große Menge Wasser im Verhältnis zu den Salzreserven des Körpers aufnimmt. Dies wird als Wasserintoxikation bezeichnet, und die Symptome entstehen durch die Wirkung der Zytolyse in den Zellen des Gehirns.
- Adaptives Immunsystem – Eine Untergruppe des Immunsystems bei Wirbeltieren, die zu einem immunologischen Gedächtnis fähig ist. Zweite und weitere Expositionen gegenüber einem bestimmten Krankheitserreger rufen schnelle, spezialisierte Reaktionen hervor.
- Crenation – Kontraktion einer Zelle nach Exposition gegenüber einer hypertonischen Lösung.
- Tonizität – Ein Maß für die relative Konzentration von gelösten Stoffen in zwei Lösungen, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind. Die Tonizität bestimmt die Richtung und das Ausmaß der Diffusion durch die Membran.
- Turgordruck – Druck des Wassers, das die Zellmembran gegen die Zellwand einer Pflanzenzelle drückt.
Quiz
1. Welche dieser Lösungen verursacht eine Zytolyse in roten Blutkörperchen?
A. 0,9% NaCl
B. 1,5% NaCl
C. 0,4% NaCl
D. Meerwasser
2. Welche dieser Maßnahmen führt NICHT zur Zytolyse?
A. Die Zellen in eine hypertone Umgebung bringen
B. Wirkung von Perforinen auf Zellmembranen
C. Aktivität des Membranangriffskomplexes durch Komplementproteine
D. Störung der Membranstruktur durch Viren
3. Welche dieser Methoden wird von Amöben verwendet, um eine Zytolyse zu verhindern?
A. Zellwand
B. Ausscheidungsorgansystem
C. Kontraktile Vakuole
D. Alle oben genannten
