Zellzyklus, Replikation und Chromosomen

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1 Zellzyklus, Replikation und Chromosomen

2 Wiederholung: Größenverhältnisse im DNA-Molekül 3 5 Das größte menschliche Chromosom enthält 247 Millionen Basenpaare Moleküllänge: 8.4 cm Die Länge des gesamten diploiden Genoms des Menschen beträgt 2.18 m Aufgrund der Wechselwirkung des DNA-Moleküls mit speziellen Proteinen, den Histonen, kann es soweit aufgewickelt werden, daß es bequem in einen Zellkern paßt. Chromosom Wie wird nun die DNA verpackt, daß sie in einen Zellkern paßt und trotzdem repliziert werden kann?

3 Die Zellteilung und der Zellzyklus Die Zellteilung ist notwendig a) zur identischen Reproduktion von Einzellern Vermehrung b) zur Realisierung von Differenzierung und Wachstum von mehrzelligen Lebewesen c) zur Ersetzung gealterter, verbrauchter Zellen Dazu muß 1. die genetische Information vollständig und fehlerfrei verdoppelt werden 2. das Zytoplasma und die Zellorganellen auf beide Tochterzellen verteilt werden ZELLZYKLUS

4 Zellzyklus G1 Wachstumsphase S Synthesephase (DNA-Repl.) G2 Wachstumsphase M Mitosephase (Zellteilung) G0 Zellen können sich nicht mehr teilen Apoptose programm. Zelltod Der Zellzyklus wird durch spezielle Proteine Cycline kontrolliert. Sie werden bei Erreichen bestimmter Punkte des Zyklus verstärkt expremiert. Eine Maximalkonzentration definiert einen Kontrollpunkt im Zyklus. Beispiele: KP für DNA-Schäden / KP zur Einleitung der Mitosespindelbildung

5 Prokaryotische Zellteilung Verdopplung der DNA-Ringe Delokalisierung der DNA Expression des FtsZ-Gens und Produktion des entsprechenden Zellteilungs- Proteins Abschnürung der Tochterzellen SPALTUNG Dauer zwischen Zellteilungen ~ 40 Minuten Cytokinese ~ 20 Minuten nach Replikation

6 Eukaryotische Zellteilung - Mitose Das Hauptmerkmal der Mitose ist die Aufspaltung eines diploiden Chromosomensatzes in zwei identische Chromosomensätze und ihre Aufteilung auf zwei Tochterzellen. G1 Wachstumsphase S Synthesephase (DNA-Repl.) G2 Wachstumsphase M Mitosephase (Zellteilung)

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8 Damit Mitose funktionieren kann, muß zuvor a) die DNA verdoppelt werden (S-Phase im Zellzyklus, Replikation) b) die DNA in Chromosomen verpackt d.h. kondensiert, werden Während der Wachstums- und Synthesephasen liegt die DNA als Chromatin in lockerer Struktur im Kernplasma vor: rot Kernporen grün Kernmembran blau - Chromatin Zellkern eine Zelle aus einer Maus

9 Der Prozeß der DNA-Replikation Findet während der S-Phase des Zellzyklus statt. Die DNA liegt als Chromatin in der Zelle vor (es sind keine Chromosomen sichtbar). Enzyme, die an der Replikation beteiligt sind: 3 5 Helikase Primase DNA-Ligase DNA-Polymerase

10 Auftrennung des DNA-Moleküls durch eine DNA-Helikase Die Aufgabe der DNA-Helikase besteht darin, von einem bestimmten, durch eine spezifische Basenpaarung charakterisierten Startpunkt (Origin) die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Purin- und Pyrimidinbasen zu trennen und die Doppelhelix in zwei Einzelstränge aufzulösen. Zuvor werden die Bindungen durch eine Topoisomerase gelockert. Replikationsgabel Vom Startpunkt laufen zwei Helikasen in jeweils entgegengesetzter Richtung durch das DNA-Molekül In einer menschlichen Zelle werden pro Sekunde ~500 Basenpaare gelöst

11 Initiationsphase Helikase bricht am Startpunkt die DNA auf Die aufgebrochene Stelle wird durch eine Primase markiert An der Markierung lagert sich eine DNA-Polymerase an Jetzt beginnt die eigentliche Vervielfältigung... Es bilden sich zwei Einzelstränge, die eine unterschiedliche Richtung (5 bzw. 3 ) haben Problem: Eine DNA-Polymerase kann einen Einzelstrang nur nach Durchlaufen in 5 nach 3 Richtung replizieren unterschiedlichen Replikationsmechanismen der beiden Einzelstränge

12 Elongationsphase In dieser Phase findet die eigentliche Vervielfältigung statt. Die beiden Stränge werden zeitgleich, aber nach unterschiedlichen Verfahren komplementär synthetisiert. Vorgänge am Vorwärts- oder Leitstrang kontinuierliche Replikation möglich 1. An die die Helikase verlassenen Einzelstränge werden Bindungsproteine geheftet, die eine spontane Anlagerung komplementärer Basen verhindern 2. Die DNA-Polymerase kann jetzt hintereinander weg, in 5 3 Richtung, den Einzelstrang komplimentär ergänzen Vorgänge am Folge- oder Rückwärtsstrang kontinuierliche Replikation nicht möglich 1. DNA-Polymerase muß in Gegenrichtung, d.h. von der Replikationsgabel weg, laufen 2. damit ist nur eine diskontinuierliche, stückweise Replikation möglich - Schleifenbildung ermöglicht einer RNA-Polymerase (Primase) die Synthetisierung eines kurzen DNA-Stückes scheinbar entgegengesetzt zur (3-5 ) Richtung RNA-Primer - Daran baut eine DNA-Polymerase ein sogenanntes Okazi-Fragment an und zwar solange, bis sie auf den Primer des vorhergehenden Okazi-Fragments trifft - Jetzt wird die RNA des Primers durch DNA ersetzt. - Die Lücke wird durch eine DNA-Ligase geschlossen

13 Verlauf der diskontinuierlichen Replikation Vorwärts-Strang (rot) DNA-Polymerase III Helikase Primase Okasaki-Fragment RNA-Primer DNA- Polymerase I Reparatur-Enzym DNA-Ligase Einzelstrangbindende Proteine Rückwärtsstrang (blau) Animation des Vorgangs der DNA-Replikation

14 Terminierungssphase Die Terminierung (Beendigung) erfolgt wenn a) zwei Replikationsgabel aufeinander laufen b) eine Terminationssequenz erreicht wird Anschließend erfolgt quasi ein Reparaturlesen, bei dem Replikationsfehler eliminiert werden. Am Ende der Replikation (S-Phase des Zellzyklus) liegen die DNA-Moleküle in jeweils doppelter Form im Zellkern vor. In der folgenden Wartephase G2 werden vermehrt Histone sowie Tubuline synthetisiert, um die Mitose vorzubereiten. Die Mitose beginnt mit der Verpackung (Kondensation) der DNA-Moleküle in Chromosomen.

15 Kondensation des DNA-Fadens in ein Chromosom

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17 Chromosomen Chromosomen bestehen chemisch aus Eiweißen und Nucleinsäuren. Sie enthalten in der DNA die Gene für die Ausbildung von Merkmalen. Chromosomen unterliegen einem typischen Formenwechsel. während der Zellteilung existieren sie als mikroskopisch sichtbare "Transportform" während der Ruhephase des Zellkerns (Interphase) lösen sie ihre Struktur auf, die DNA liegt wieder als nicht sichtbare "Funktionsform" vor In ihrer "Transportform" bestehen die Chromosomen morphologisch aus jeweils zwei Längsstrukturen, den Chromatiden, die am Centromer zusammengehalten werden. Der Chromosomensatz ist die Gesamtheit aller Chromosomen in der Zelle. Anzahl und Form der Chromosomen in jeder Zelle eines Organismus sind artspezifisch.

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20 Nächstes Mal: Proteinbiosynthese

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