Zellbiologie, Zellzyklus
Zellbiologie 3
Zellbiologie 3
Kartei Details
| Karten | 19 |
|---|---|
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Biologie |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 23.12.2015 / 21.01.2022 |
| Weblink |
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die einzelnen Stadien der Mitose zu benennen und zu erklären was in diesen Stadien abläuft
INTERPHASE
Während der Interphase vergrössert sich die Zelle. Die DNA der Chromosomen und das Centrosom werden verdoppelt.
PROPHASE
In der Prophase kondensieren die replizierten Chromosomen, die jeweils aus zwei dicht aneinander gelagerten Schwesterchromatiden bestehen. Die Mitosespindel bildet sich ausserhalb des Kerns zwischen zwei Chromosomen, die sich geteilt haben und auseinandergerückt sind.
PROMETAPHASE
Die Prometaphase beginnt sehr plötzlich mit der Auflösung der Kernhülle. Die Chromosomen können sich nun über Kinetochor an die Mikrotubuli der Spindel anheften und eine aktive Bewegung durchführen.
METAPHASE
In der Metaphase haben sich die Chromosomen entlang der Äquatioralebene der Spindel in der Mitte zwischen den Spindelpolen angeordnet. Die Kinetochor-Mikrotubuli verbinden die Tochterchromatiden mit den entgegengesetzten Polen der Spindel.
ANAPHASE
Die Schwesterchromatide trennen sich in der Aaphase, um zwei Tochterchromosomen zu bilden, und jede wird langsam zum Spindelpol gezogen. Der Kinetochor-Mikrotubulus wird kürzer und auch die Spindelpole bewegen sich auseinander;beide Vorgänge tragen zur Chromosomen-Trennung bei.
TELOPHASE
In der Telophase sind die beiden getrennten Tochterchromosomen an den Polen angekommen und beginnt sich aufzulösen. Eine neue Kernhülle bildet sich um jeden Chromosomensatz und vollendet so die Bildung der zwei Kerne, was das Ende der Mitose kennzeichnet. Die Teilung des Cytoplasmas beginnt mit dem Aufbau des kontraktilen Rings.
CYTOKINESE
Während der Cytokinese wird das Cytoplasma durch den kontraktilen Ring aus Actin und Myosin in zwei geteilt, dabei zwei Tochterzellen mit eigenem Kern bildend.
die einzelnen Stadien des Zellzyklus zu benennen und zu erklären was in diesen Stadien abläuft
Die 4 Phasen des Zellzyklus
1. G1-Phase: (Gap 1= Lücke) Zellwachstum und Vorbereitung der Chromosomen für die Replikation
2. S-Phase: DNA-Synthese zur Verdopplung des Genoms
3. G2-Phase: Zellwachstum und Synthese von Proteinen für die Mitose
4. M-Phase: Mitose
G0-Phase: Interphase
Interphase (G0-Phase):
- nach Zellteilung (keine Teilung mehr)
- Differenzierte, metabolische Aufgaben (z.B. in Organen)
- 95% der Zellen sind in der Interphase
- Chromosomen sind dekondensiert und im Zellkern verteilt
- ruhende (quiscent) Zellen →externes Signal→ wieder G1-Phase
z.B. ruhende Fibroblasten→ Platelet-Derived-Growth-Factor (PDGF) von Blutplättchen bei der Koagulation bei der blutenden Wunde
die Kontrollmechanismen des Zellzyklus mit Restriktionspunkten, Checkpoints und Feedbackkontrolle zu erklären
Kontrolle des Zellzyklus
Das Eintreten der Zelle in den Zellzyklus ist reguliert durch
· Extrazelluläre Signale, v.a. Wachstumsfaktoren bei Säugerzellen,
· Zellinterne Substanzen, die die verschiedenen Prozesse koordinieren, sog. Kontrollpunkte (Checkpoints)
Zellzyklusstart: zu einem bestimmten Zeitpunkt in der späten G1-Phase, am Restriktionspunkt.
Restriktionspunkt: benötigt Wachstumsfaktoren als Signale für den Übergang von der
G1- in die S-Phase.
Stop beim Restriktionspunkt durch das Fehlen von Wachstumsfaktoren bedeutet eintritt in G0-Phase
Zusätzlich wird kontrolliert, dass keine DNA Schäden vorhanden sind.
Kontrollpunkte im Zellzyklus
Regulation des Zellzyklus:
Zellgrösse und extrazelluläre Signale wie Nährstoffe und Wachstumsfaktoren bestimmen über Eintritt in Zellzyklus am Restriktionspunkt.
Feedback-Kontrolle!
Kontrolle des Zellzyklus:
Feedback-Kontrolle während dem Ablauf des Zellzyklus in verschiedenen Phasen, damit das komplette Genom fehlerfrei an die Tochterzelle übertragen wird.
Fehlerüberwachung!
Es gibt DNA-Damage-Checkpoints in der späten G1- bzw. G2-Phase und
Spindle Checkpoints in der späten M-Phase.
zu erklären warum meist negative Signale zur Kontrolle verwendet werden
Würde in der Zelle mit vielen Chromosomen jedes einzelne Chromosom nach seiner Befestigung ein positives Signal an das Zellzyklus-Kontrollsystem senden, könnte die Befestigung des letzten Chromosoms kaum noch wahrgenommen werden, da es nur einen kleinen relativen Zuwachs des schon vorhandenen positiven Signals ausmachen würde. Dagegen kann die Befestigung des letzten Chromosoms weil leichter entdeckt werden, wenn jedes noch unbefestigte Chromosom ein negatives Signal aussendet.
den Mechanismus der Regulation via Cycline und CDKs zu erklären
Zellzyklus Regulation:
1. Regulation des Zellzyklusablaufs durch Proteine im Zytoplasma
2. 2 Schlüsselsubstanzen an den Checkpoints
- CDKs (Cyclin-dependent kinase)= Hauptregulation, Proteinkinase, stabile, katalytische Kinase-Untereinheit
- Cycline = regulatorische Untereinheit unstabil
3. Spezifität und Timing des Zellzyklus über den CDK-Cyklin-Komplex werden durch die Art des gebundenen Cyklins bestimmt
Cyclin-abhängige Kinasen:
je 3 Gruppen Cyclin-abhängiger Kinasen:
1. G1-Phase-CDKs:
CDK4+5 mit Cyclin D→Passage durch Restriktionspunkt
CDK2 mit Cyclin E→ Übergang G1 zu S-Phase
2. S-Phase CDKs:
CDK2 mit Cyclin A→ Regulation DNA Synthese
3. M-Phase CDKs:
CDK1 mit Cyclin B→ Reguliert in später G2 den M-Phase Start
- Aktivität der CDKs wird über die Synthese oder den Abbau der Cykline bestimmt.
- CDK-Cyclin-Komplex muss durch Anhängen einer Phosphatgruppe aktiviert werden
die wichtigsten Cykline und CDKs der einzelnen Phasen zu benennen
Cycline:
Name kommt vom Cyclischen Ab-&Aufbau der Cycline. Sie werden rasch hergestellt und nach dem Erfüllen der zugewiesenen Funktion sofort wieder abgebaut!
3 Gruppen von Cyclinen:
1. G1-Cycline:
D&E Cycline aktivieren CDK-Komplex zur Produktion von G1 spezifischen Substraten
D-Cycline →Passage durch Restriktionspunkt
E-Cyclin → Start der DNA-Synthese in der späten G1-Phase
2. S-Phasen-Cycline:
v.a. Cyclin A wirken während der DNA-Synthese
3. M-Phasen-Cycline:
v.a. Cyclin B → Startsinal für Mitose
Zellzyklusinhibitoren = CDK-Inhibitoren oder CDIs
2 Familien von CDK-Inhibitoren:
1. Universale CDIs:
Mitglieder der Cip/Kip – Familie steuern den Zellzyklusablauf beim Übergang von G1 zu S-Phase (p21, p27, p57)
2. spezifische CDIs:
Ink4-Familie wirken auf den CDK4+6 mit Cyclin D und somit nur auf den Restriktionspunkt beim Übergang von G1 in die S-Phase (p15, p18, p19)
Kombination der Wirkungsweisen der verschiedenen CDK-Kontrollen sind verantwortlich für richtigen Ablauf an den Checkpoints.
zu erklären wie die CDIs wirken
CDK-Regulation
Erfolgt über 4 Mechanismen:
1. Association mit Cyclinen
2. Activierende Phosphorylierung am Threonin auf Position 160
3. Inhibierende Phosphorylierung am Threonin 14 und Tyrosin 15
4. Inhibierung durch Association mit CDIs
Regualation des Zellzyklus:
- Verschiedene Ereignisse des Zellzyklus werden von einem Kontrollsystem ausgelöst welches sicherstellt, dass die Ereignisse zum richtigen Zeitpunkt, in der richtigen Reihenfolge und nur einmal während des Zellzyklus ablaufen
- Das Kontrollsystem reagiert auf verschiedene intrazelluläre und extrazelluläre Signale so, dass der Fortlauf des Zellzyklus angehalten werden kann wenn die Zelle mit wichtigen Schritten noch nicht fertig ist oder ungünstige Umweltbedingungen herrschen
zu erklären wie p53 in der Regulation des Zellzyklus wirkt
DNA-Damage-Checkpoints
3 Checkpoints:
1. am G1-Checkpoint: DNA-Schäden werden repariert
2. während der S-Phase: Okazaki-Fragment auf lagging DNA-Strang während Replikation stoppt Zellzyklus (solange Fragment vorhanden Zellzyklus gestoppt)
3. am G2-Checkpoint: Mitose wird erst gestartet wenn die DNA-Replikation komplett ist
Rolle von p53 beim G1-Checkpoint bei DNA-Schaden:
Durch Bestrahlung beschädigte DNA induziert eine schnelle Produktion von p53, das den Zellzyklus im G1-Checkpoint stoppt!
p53
- 53kDa, wichtiges Protein bei den G1-G2-Kontrollpunkten
- Synthese wir schnell durch beschädigte DNA induziert
- Induziert Apoptose wenn zu viele Schäden vorhanden
- mehr als 50% aller menschlichen Krebsfälle durch Fehlfunktion von p53
zu erklären wie die Zelle sicherstellt, dass die DNA repliziert ist und keine Fehler vorhanden sind bevor sie aus der S-Phase in die G2 Phase übertritt
Übergang von später G1 in S-Phase
Es darf nur 1 DNA-Kopie pro Zellzyklus geben!
Positive Kontrolle der DNA Replikation am Ende der G1-Phase:
Die DNA-Replikation ist beschränkt zur Synthese einer einzigen Kopie pro Zellzyklus durch die MCM-Proteine (Minichromosome maintenance), die zusammen mit dem ORC (Origin replication complex) an den Replikationsursprung binden.
Negative Kontrolle der Replikation am Ende der G2-Phase:
Die Zellkerne haben mindestens 1 Protein, genannt Geminin, das verhindert, dass sich MCM-Proteine an frisch synthetisierte DNA anlagern. Geminin wird von der Zelle wieder abgebaut, sobald die Mitose vollzogen ist.
die Wirkung von Tumorsupressor Genen anhand von Rb als Beispiel zu erklären
Onkogene
=Mutierte Gene, die für die Umwandlung einer normalen Zelle in eine Krebszelle verantwortlich sind; es sind oftmals Fehler in Checkpointprotein- Genen.
Mutationsbeispiele: p53 und Mutation von MAD
Turmorsuppressorgene =Anti Onkogene
Diese Genprodukte unterdrücken die Tumorbildung, hemmen die Mitose und verhalten sich rezessiv
Bsp.: unmutiertes p53 oder Rb (Retinoblsatom)
Familiäres Rb: Vielfältige Tumore auf der Netzhaut beider Augen in den ersten Wochen von Neugeborenen. Rb-Lokus auf Chromosom 13 ist mutiert oder fehlt durch Vererbung.
Sporadisches Retinoblastom: Ein einzelner Tumor in einem Auge in früher Kindheit, bevor die Netzhaut vollständig entwickelt ist. Spontane somatische Mutation. Selten.
Rb= Hauptregulator des Zellzyklus von G1- zu S-Phase
1. Nukleäres Phosphoprotein praktisch in allen Zellen
2. In der unphosphorylierten Form bindet es an eine Komponente der EsF-Familie und reprimiert (unterdrücken der Transkription) in diesem Komplex die DNA-Transkription. (E2Fs sind sog. Transkriptionsfaktoren)
3. Wird der Komplex Rb/E2F vom Komplex CDK4,6/Cyclin D phosphoryliert, wird in der späten G1-Phase E2F abgelöst, das die Trankriptio der zuständigen Gene für den Übergang in die S-Phase einleitet.
Zusammenfassung Zellzyklus
Siehe Bild
Spindel-oder M-Checkpoints:
- Am M-Checkpoint werden Fehler an der Spindelfaser aufgedeckt, die am Kinetochor angeheftet sind. Beschädigte Zellen bleiben in der Metaphase
- Unsaubere Anordnung der Spindel blockiert die Cytokinese.
MAD: bindet an Kinetochor bis er von einer Spindelfaser befestigt wird -> bei Fehler wird Eintritt in Anaphase blockiert, Mutation führt zu Aneuploidie
DNA-Damage-Checkpoint in später G2-Phase:
Kontrolle des G2-Checkpoints:
- Komplex von Checkpointproteinen erkennt nicht replizierte oder beschädigte DNA
- diese aktivieren die Kinase Chk1
- diese phosphoryliert und inhibiert die Cdc25-Phosphatase
- Ist Cdc25 inaktiv, ist der Zellzyklus gestoppt
p53
- Beschädigte DNA erhöht den Gehalt an intrazellurärem p53
- p53 aktiviert die Transkription des Genes für den CDK-Inhibitor p21
- p21bindet an CDK/Cyclin-Komplex, kann aber auch direkt die DNA-Syntehese hemmen, indem es auf PCNA (Untereinheit der DNA-Polymerase δ) einwirkt
- -> negative Regulation: wenig p53 Zyklus geht weiter
Onkogene: mutierte Gene die zu falscher Kontrolle und dadurch zu kontinuierlichem vermehren führen
- DNA-Replikation DNA komplett aber nur 1 mal repliziert
Positive Kontrolle der DNA Replikation am Ende der G1-Phase:
- MCM-Proteine (Minichromosome maintenance) binden zusammen mit dem ORC (Origin replication complex) am Origin of Replication nur MCM gecoatete DNA wird repliziert
Negative Kontrolle der Replikation am Ende der G2-Phase:
- Die Zellkerne haben mindestens 1 Protein, genannt Geminin, das verhindert, dass sich MCM-Proteine an frisch synthetisierte DNA anlagern. Geminin wird von der Zelle wieder abgebaut, sobald die Mitose vollzogen ist.
DNA-Damage-Checkpoints Allgemein
3 Checkpoints:
- am G1-Checkpoint: DNA-Schäden werden repariert
- während der S-Phase: Okazaki-Fragment auf lagging DNA-Strang während Replikation stoppt Zellzyklus (solange Fragment vorhanden Zellzyklus gestoppt)
- am G2-Checkpoint: Mitose wird erst gestartet wenn die DNA-Replikation komplett ist
Rolle von p53 beim G1-Checkpoint bei DNA-Schaden: Durch Bestrahlung beschädigte DNA induziert eine schnelle Produktion von p53, das den Zellzyklus im G1-Checkpoint stoppt!
Zellzyklusinhibitoren = CDK-Inhibitoren oder CDIs
2 Familien von CDK-Inhibitoren:
- Universale CDIs: Mitglieder der Cip/Kip – Familie steuern den Zellzyklusablauf beim Übergang von G1 zu S-Phase (Inhibitoren: p21, p27, p57)
- spezifische CDIs: Ink4-Familie wirken auf den CDK4+6 mit Cyclin D und somit nur auf den Restriktionspunkt beim Übergang von G1 in die S-Phase (Inhibitoren: p15, p18, p19)
Kombination der Wirkungsweisen der verschiedenen CDK-Kontrollen sind verantwortlich für richtigen Ablauf an den Checkpoints.
Cyclin-abhängige Kinasen:
je 3 Gruppen Cyclin-abhängiger Kinasen:
- Aktivität der CDKs wird über die Synthese oder den Abbau der Cykline bestimmt.
- CDK-Cyclin-Komplex muss durch Anhängen einer Phosphatgruppe aktiviert werden
- Durch D & E: Produktion von G1 spezifischen Substragen
Phase CDK Cycline Funktion
G1-Phase 4,6 D Passage durch Restriktionspunkt
G1-Phase 2 E Übergang von späte G1 S-Phase, Start DNA-Synthese
S-Phase 2 A Reguliert DNA-Synthese
M-Phase 1 B Startsignal Mitose in später G2
Regulation des Zellzyklus
- extrazelluläre Signale : v.a. Wachstumsfaktoren
- Intrazellulär über Checkpoints
Zellzyklus Start: in der späten G1-Phase am Restriktionspunkt Extrazelluläre Wachstumsfaktoren als Signal für G1→ S Point of no return
- Kontrolle DNA-Schäden, und auch Umgebung, Zellgrösse
- Keine Wachstumsfaktoren→Stop→G0
- G0-Zellen oft terminal differenziert, keine G1-Phase mehr
- quiescent Zellen: durch externe Signale wieder in G1
Checkpoints
- Umgebung (Temperatur, Nährstoffe, Zellgrösse)
- Feedback-Kontrolle Feedback-Kontrolle in verschiedenen Phasen (Fehlerüberwachung) sonst kein Übergang in nächste Phase
- DNA-Damage-Checkpoints in der späten G1-bzw G2-Phase, in der S-Phase nimmt Zelle Okazaki-Fragment war Zellzyklus gestoppt
- Spindel Checkpoints in der späten M-Phase, sind alle Chromosomen mit Spindeln verknüpft?
Dauer eines Zellzyklus:
24h bei rasch teilenden Zellen
- G1-Phase: 11h
- G2-Phase: 4h
- S-Phase: 8h
- M-Phase: 1h
Enbryonale Zellen nach der Befruchtung haben keine G1&G2Phase → Zellzyklus = 30min
- nur DNA-Replikation, aber kein Zellwachstum
Adulte Zellen (Haut, Leber, Nieren) hören auf mit wachsen: in Ruhezustand G0 -> aber sind metabolisch aktiv
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