Biologie 6 /Zellen und Zellzyklus

1. G1-Phase: (Gap 1= Lücke): Zellwachstum und Vorbereiten der Chromosomen für die Replikation

2. S-Phase: DNA- Synthese zur Verdoppelung des Genoms

3. G2-Phase: Zellwachstum und Synthese von proteinen für Miitose.

4. M-Phase: Mitose

In den Chromosomen ist der DNA-Doppelstrang um Proteine, den so genannten Histonen gewickelt. Die so entstandene Kette ist wiederrum in sich selbst verdreht und ist zu dem für Chromosome typische x-förmige Packet zusammengewickelt. Folglich ist eine hohe Verpackungsdichte der DNA erreich:

Der zuvor etwa 5cm lange DNS-Strang ist somit auf eine Länge von weniger als 5*10^-4  cm verkürzt.

Die M-Phase(Mitose) dauert nur etwa eine Stunde!

Mitose (M) = Kernteilung. Nur während der Mitose sind die Chromosomen sichtbar.Damit eine Aufteilung erfolgen kann, werden die Chromosomen durch Kondensation stark verkürzt.

Mitosestadien:

Prophase: 

• Kondensation der Chromosomen
• Aufbau der Mitosespinder
• noch haben die Spindelmikrottubuli keinen Zugang zu den kondensierten Chromosomen, da die Kernhülle noch intakt ist

Promethaphase:

• Auflösung der Kernhülle
• Anheftung der Chromosomen an die Mitosespindel

Metaphase:

• Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle an
• Die Chromosomen sind deutlich in ihre beiden Chromatiden gespalten, welche jedoch immer noch durch das Centromerr zusammengehalten werden
• Die Spindelfaser des Spindelappaates nehmen mit den Chromosomen Kontakt auf. Am Schluss ist jedes Chromosom mit einer Faser des einen und des anderen Spindelpols verbunden

Anaphase:

• Durch Zertrennung des Centromers weden die Chromosomen geteilt(zerfällt in die beiden Chrromatiden)
• Die jeweiligen Chromatiden rücken auseinander. Die Chromatiden werden durch die Spindelfasern je an einen Spindelpol gezogen.

Telophase:

• Rückbildung des Spindelapparates
• Umwandlung der Chomatiden in Chromatinfäden, es entsteht in beiden Zellpolen ein chromatingerüst.
• Es bildet sich ein Kern um jedes Chromatingerüst.
• Durch die Neubildung von Zellmembranen teilt sich die Zelle in der Region der Äquatorrialebene.

Überblick: siehe Bild

Zytokinese einer tierischen Zelle:

Im Bereich der Furche liegt ein kontraktiler Ring aus Mikrofilamenten (Aktin- Myosin-Ring) welcher sich zusammenzieht, bis die Furche so gross ist, dass die Zellen voneinander abgeschnürt haben. siehe Bild links

Zytokinese einer pflanzlichen Zelle:

Es gibt keine Teilungsfurche, dafür wird im Innern eine Zellplatte aus Zellwandmaterial (vereinigte Vesikel die vom Golgi- Apparat stammen) gebildet, welche das Zellplasma für die zwei Tochterrzellen trennt. Später wird daraus dann eine neue Zellwand gebaut und so werden die Tochterzellen endgültig getrennt. siehe Bild rechts

Das Zellzykluskontrollsystem ist notwendig:

• Um zu gewährleisten, dass alle Prozesse in der richtigen Reihenfolge ablaufen und die externen (z.B. Nährstoffe oder Wachstumsfaktoren fehlen) und internen (DNA verdoppelte, Grösse verdoppelt) Bedingungen für die Teilung erfüllt sind.
• Fehler im Kontrollsytem des Zellzyklus (Mutationen) führen häufig zu Tumoren!!

Kontrolle wird durch spezifische Proteine, wie Zykline und Zyklinabhängige Kinasen (Cdk's) und Wachstumsfaktoren reguliert.

Kontrollpunkte werden als "Checkpoints" bezeichnet.

Checkpoints:

1.  M-G1-Phase: Chromosomen komplett getrennt?
2. G1-S-Phase: Zellgrösse? Umweltbedingungen in Ordnung? DNA beschädigt?
3. S-G2-Phase: Übergang
4. G2-M-Phase: Zellgrösse? DNA repliziert?

Bei der Keimzellbildung kommt es in der Meiose zu einer Reduktion der Chromosomensätze.
Die Meiose besteht aus einer Reduktionsteilung (Meiose I) und einer anschließenden Mitose (Meiose II). 

 In der Meiose wird der diploide Chromosomensatz zum haploiden Status reduziert, um Verdoppelung des Chromosomensatzes bei der Befruchtung zu kompensieren. Die Meiose setzt sich aus zwei Zellteilungen  zusammen (Meiose I +II). Es entstehen 4 Tochterzellen, von denen jede den halben Chromosomensatz der  Ursprungszelle enthält.

Meiose I:

Prophase I:
• Chromosomen verdichten sich.
• Die homologen Chromosomen (jede besteht aus 2 Schwesterchromatiden)
paaren sich und tauschen Stücke aus.
Metaphase I
• Die Chromatiden sind auf der Metaphasenplatte angeordnet.
• Fasern von beiden Polen nehmen Kontakt mit den Chromosomen auf.
Anaphase I
• Der Spindelapparat transportiert die Chromosomen zu den Polen. Die
Schwesterchromatiden bleiben jedoch durch das Centromer miteinander
verbunden.
Telophase I
• An den Polen sammeln sich je die haploiden Sätze, jedes Chromosom
besteht aber immer noch aus zwei Chromatiden.
• Zelle wird geteilt.

Meiose II:

Prophase II
• Es bildet sich ein neuer Spindelapparat
• Die Chromosomen bewegen sich zur Metaphaseplatte
Metaphase II
• Chromosomen ordnen sich wie bei der Mitose an, wobei die Schwesterchromatiden der Chromosomen zu den
entgegengesetzten Polen zeigen.
Anaphase II
• Schwesterchromatiden trennen sich am Centromer und bewegen sich zu den entgegengesetzten Polen. Sie sind jetzt individuelle
Chromosomen geworden.
Telophase II
• An den beiden Zellpolen bilden sich die Kerne
• Es existieren nun 4 Tochterzellen mit je einem haploiden
Chromosomensatz.

siehe Bild

Freie Rekombination der Chromosomen
Bei der Metaphase I ist es zufällig, welches Chromosom des homologen Paares gegen welchen Pol ausgerichtet ist. Dadurch erfolgt eine zufällige Verteilung der mütterlichen und väterlichen Chromosomen. Es gibt dabei 2n
Möglichkeiten (n = haploide Chromosomenzahl des Organismus)
Crossing-over
Durch Crossing-over entstehen Chromosomen, die ein einzigartiges Gemisch aus väterlichem und mütterlichem Material darstellen. (geschieht während Prophase I)

• Im synaptonemalen Komplex kommt es zu Chromosomenbrüchen, die zur Ausbildung von Crossing verStrukturen (Chiasmata) führen
• In jedem Chromosomenpaar des Menschen etwa 2-3 Crossing over

Zufällige Befruchtung
Wenn jeder Elternteil 2n verschiedene Gameten erzeugen kann, so produzieren die Eltern zusammen eine Zygote, die eine unter 2n x 2n möglichen Rekombinationen darstellt.

Bedeutung der Rekombination:

• Inter- und intrachromosomale Rekombination in der Meiose:  neue Mischung, neue Eigenschaften
• Sexuelle Fortpflanzung: Variabilität
• Variabilität und Selektion als Grundlage der Evolution neuer Arten
• Forschung genetischer Manipulation

Nondisjunction:
Bei der Meiose I trennt sich ein homologes Chromosomenpaar oder in der Meiose II ein Schwesterchromatidenpaar nicht.
– Eines der vier Gameten erhält zwei Chromosomen desselben
Typs -> Nach Befruchtung wird dies als Aneuploidie
bezeichnet
– Ein anderer Gamet geht leer aus -> Monosomie

Trisomien und Monosomien führen in den meisten Fällen nicht zu überlebensfähigen Individuen, da die bei der Trisomie die Balance der Genprodukte gestört ist und bei der Monosomie die Auswirkung letaler Gene nicht kompensiert werden kann.

Down-Syndrom (Trisomie 21)
– 3 Kopien des Chromosoms 21,
Häufigkeit 1:700
– körperliche Anomalien, geistige
Retardierung

Polyploidie
Organismen welche mehr als zwei vollständige Chromosomensätze besitzen, z.B. die Viscacha-Ratte aus Agentinien. Polyploide sind allgemein vom Aussehen her „normaler“ als Aneuploide. Offensichtlich stört ein zusätzliches (oder fehlendes) Chromosom die genetische Balance weit mehr als ein zusätzlicher
vollständiger Chomosomensatz.

Chromosom: langes, aufgerolltes DNA – Molekül, trägt 100e-1000e von Genen
Somatische Zellen: alle ausser Sperma- und Eizellen; 23 Chromosomenpaare (mit Lichtmikroskop sichtbar)
Autosomen: alle „Nicht - Geschlechtschromosomen“, also alle ausser X und Y
Homologe Chromosomen: die beiden Chromosomen, die ein Paar bilden; tragen die Informationen für dasselbe (Ausnahme dabei sind die Geschlechtschromosomen)
Gameten: Sperma- und Eizellen, haben 22 Autosomen +1Geschlechtschromosom haploide Zellen
Syngamie: Befruchtung; Verschmelzen von Eizelle und Sperma, führt zur Zygote (diploid) 

Genom: Ausstattung der Zelle mit DNA, der genetischen Information
Chromatin: DNA-Protein-Komplex, kontrolliert die Aktivitat der Gene
Mitose: Kernteilung
Cytokinese: Teilung des Cytoplasma
Meiose: Variation der Mitose, bei der die Tochterzellen nur die Halfte der elterlichen Chromosomen erhalten;  geschieht nur in den Geschlechtsorganen