Alkylierung

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 12. November 2016
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Eine Alkylierung kennzeichnet die Übertragung einer Alkylgruppe von einem Molekül auf ein anderes. Alkylierungen wirken mutagen und kanzerogen, denn häufig werden DNA und RNA durch alkylierende Agenzien angegriffen und verändert. Die sogenannten Alkylanzien werden in der Medizin einerseits zur Hemmung des Zellwachstums als Zytostatika eingesetzt und sind andererseits Auslöser von Krebserkrankungen oder führen zu Erbschäden bei den Nachkommen.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Alkylierung?

Bestimmte chemische Substanzen entwickeln mutagene und kanzerogene Wirkung durch ihre Fähigkeit, Alkylierungen zu veranlassen. Bei der Alkylierung werden Alkylgruppen übertragen. Ein Spezialfall der Alkylierungen ist die Methylierung. Auch die Methylgruppe gehört zu den Alkylen. Jedoch finden unter physiologischen Bedingungen im Körper immer Methylierungen statt, während Alkylgruppen mit mehr als einem Kohlenstoffatom meist von körperfremden Stoffen veranlasst werden.

Methylierungen der DNA sind verantwortlich für epigenetische Veränderungen. Außerdem finden im Organismus auch viele andere Methylierungsreaktionen statt. Dabei werden Methylgruppen auf bestimmte funktionelle Gruppen wie Hydroxy-, Amino- oder Sulfhydrylgruppen übertragen.

Bei der Übertragung von Ethyl-, Propyl- oder noch höherkettigen Alkylgruppen wird insbesondere die Erbsubstanz beeinträchtigt. Je mehr Alkylgruppen an die DNA binden, desto häufiger brechen die DNA-Stränge. Des Weiteren können sich auch unterschiedliche Stränge miteinander verbinden. Schließlich führen höherkettige Alkylierungen immer zur Veränderung der Nukleinsäuremoleküle. Als Folge der Nukleinsäureveränderungen wird unter anderem das Zellwachstum gehemmt.

Funktion & Aufgabe

Aufgrund der wachstumshemmenden Wirkung von Alkylierungen bieten sich Anwendungsmöglichkeiten bei der Krebsbekämpfung an. Obwohl alkylierende Verbindungen eine kanzerogene Wirkung besitzen, können sie gleichzeitig das ungehemmte Wachstum vorhandener Krebszellen stoppen. Durch die Zerstörung der DNA wird bei proliferierenden Zellen (sich teilenden Zellen) an sogenannten Checkpoints (Kontrollpunkt) des Zellzyklus das Wachstum unterbrochen. Die Zelle stirbt langsam ab. Das gilt sowohl für Krebszellen als auch für Zellen, die unter physiologischen Bedingungen einem starken Wachstum unterliegen, wie beispielsweise Immunzellen, Schleimhautzellen, Haarwurzelzellen und Keimzellen.

In jeder Zelle kommt es zwar zu Veränderungen in der DNA, aber die Wirkung und Intensität ist bei proliferierenden Zellen am größten. Die Zellen, die sich besonders schnell teilen, werden somit am stärksten betroffen. Darauf beruht die selektive Wirkung der Zytostatika auf die Krebszellen. Deshalb werden im Rahmen der Chemotherapie viele alkylierende Zytostatika zur Krebstherapie eingesetzt.

Eine Alkylierung kennzeichnet die Übertragung einer Alkylgruppe von einem Molekül auf ein anderes. Häufig werden DNA und RNA durch alkylierende Agenzien angegriffen und verändert.

Bei langfristigem Einsatz dieser Stoffe steigt ihrer Schädlichkeit, da in geringerem Maße auch langsamer wachsende Zellen genetisch verändert werden. Beim Sonderfall der Methylierung wird zwar auch die DNA in großem Maße methyliert. Dabei findet jedoch keine genetische Veränderung statt. Die Basenfolge bleibt erhalten. Nur am Cytidin werden Methylgruppen gebunden. Die methylierten Bereiche der DNA sind inaktiv, sodass hier der genetische Code nicht mehr abgelesen werden kann. Das führt zu epigenetischen Veränderungen der DNA. Die DNA wird also modifiziert, wobei der genetische Code erhalten bleibt.

Aufgrund epigenetischer Veränderungen verändert sich auch der Körper in Form von Modifikationen des Phänotyps. Gerade diese Prozesse sind für den Einfluss der Umwelt auf die Ausbildung und Ausprägung von charakteristischen Eigenschaften verantwortlich, die nicht vollständig durch den Genotypus festgelegt sind. Auch die Differenzierung der einzelnen Zellen in unterschiedliche Organe und Gewebe hat mit epigenetischen Veränderungen zu tun. Die Differenzierung wird durch die unterschiedliche Aktivität von Genen in unterschiedlichen Zelltypen hervorgerufen.

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Krankheiten & Beschwerden

Die Grundlage der Chemotherapie beruht auf der zytostatischen Wirkung von alkylierenden Substanzen. Gleichzeitig sind jedoch auch die starken Nebenwirkungen der Chemotherapeutika auf ihre alkylierende Wirkung zurückzuführen. Diese Wirkstoffe entfalten ihre therapeutische Wirkung gegen Krebs aufgrund ihres wachstumshemmenden Einflusses auf die Zellen. Die Krebszellen wachsen am schnellsten. Deshalb werden sie am stärksten beeinflusst.

Jedoch auch die Immunzellen, die Schleimhautzellen oder die Keimzellen werden im Wachstum beeinträchtigt. In der Folge kommt es zu den bekannten Nebenwirkungen bei der Chemotherapie, die sich in Infektanfälligkeit, Übelkeit, Erbrechen, Blutarmut, Haarausfall, trockenen Schleimhäuten und anderen unangenehmen Symptomen äußern.

Wichtige Zytostatika für die Chemotherapie stellen Derivate von Stickstoff-Lost-Verbindungen, Alkylsulfonate, Nitrosoharnstoffe und verschiedene andere Stoffgruppen dar. Allen gemeinsam ist eine alkylierende Wirkung auf die DNA, welche dabei zerstört wird. Alle Wirkstoffe können zur Krebstherapie eingesetzt werden, besitzen jedoch die entsprechenden unangenehmen Nebenwirkungen. Wenn ein gesunder Mensch mit diesen Stoffen in Kontakt kommt, steigert sich wiederum sein Risiko, an Krebs zu erkranken.

Die kurzfristige Wirkung dieser Stoffe ist der Stopp der Zellteilungen und das Absterben der Zellen. Die allmählichen Veränderungen der DNA in langsam wachsenden Zellen können längerfristig auch zu deren Umwandlung in Krebszellen führen.

Auch alkylierende chemische Verbindungen in Industrie und Lebensmittelindustrie entfalten teils kanzerogene und mutagene Wirkungen. Dazu zählen unter anderem Dimethylsulfat in der chemischen Industrie und die Kaltentkeimungsmittel Dimethyldikarbonat und Diethyldikarbonat in der Nahrungsmitteindustrie.

Auch die körpereigenen Methylierungen können zu Erkrankungen führen, wenn sie fehlerhaft ablaufen. So basiert erhöhte oder erniedrigte Genaktivität auf der Methylierung von DNA. Wenn die Methylierung jedoch fehlerhaft ist, kommt es zur Ausbildung von Erkrankungen. Durch falsche Genaktivierung können beispielsweise Tumore entstehen. Das trifft zu, wenn ein Regulatorgen für die Zellteilung inaktiv ist. Aber auch die Aktivierung von Genen, die normalerweise inaktiv sein sollten, kann zur Entartung von Zellen führen. In verschiedenen Tumoren wurden abweichende Methylierungsmuster zu den entsprechenden gesunden Geweben gefunden. Dabei ist es egal, ob der Methylierungsgrad zu stark oder zu schwach ausgebildet ist.

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