Kern- und Zellteilung Arbeitsvideo / 3 Kurzfilme

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1 (FWU) / (Klett) - Kern- und Zellteilung Seite 1 Kern- und Zellteilung Arbeitsvideo / 3 Kurzfilme VHS (FWU) VHS (Klett) 18 min Kurzbeschreibung Damit Lebewesen sich entwickeln und wachsen können, müssen sich ihre Grundbausteine die Zellen fortlaufend vermehren. Dies geschieht durch die Vorgänge der Kernteilung (Mitose) und der anschließenden Zellteilung. Da die entstandenen Zellen alle die gleichen Erbanlagen besitzen, muss vor jeder Teilung die genetische Information verdoppelt werden. 1 Zellteilung 2 Kernteilung 3 Verdopplung der DNA (Replikation) Lernziele Film 1: Die Zellteilung kennen lernen; verstehen, dass sich im Wechsel von Teilung und Wachstum die vielzelligen Organismen entwickeln Film 2: Kern- und Zellteilung kennen lernen; den genauen Ablauf der Mitose verstehen Film 3: Die Verdopplung der DNA nachvollziehen können Zum Inhalt Film 1: Zellteilung Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Die Entwicklung von der befruchteten Eizelle über den Embryo zum erwachsenen Tier bzw. Menschen, vom Samenkorn über den Keimling zur Pflanze, erfordert die Produktion einer riesigen Zahl von Zellen, die der Organismus durch mitotische Teilungen hervorbringt. Die Gestalt dieser Zellen kann sehr unterschiedlich sein. Erythrozyten und Zellen der Mundschleimhaut des Menschen, bzw. von Küchenzwiebel und Wasserpest verdeutlichen die Unterschiede zwischen tierischen und pflanzlichen Zellen. Im Zeitraffer keimen Pflanzen, ein Froschembryo entwickelt sich. Eine sich teilende Amöbe illustriert den Zyklus von Wachstum und Teilung. Tierische und pflanzliche Zellen sehen wir im Trick als räumliche Gebilde dargestellt, mit Zellkern, Zellplasma und Zellmembran, im Fall der Pflanzenzelle zusätzlich mit Zellwand, Vakuole und Chloroplasten. Vor der Zellteilung verdoppelt sich zunächst der Zellkern. Dann wird das Zytoplasma durchgeschnürt und die neue Zellmembran bzw. Zellwand entsteht. Schließlich wachsen die neuen Zellen zu alter Größe heran. Die begrenzte Lebensdauer der allermeisten Zellen erfordert auch im reifen Alter fortwährende mitotische Teilungen. Beim Menschen kommt es von der ersten Teilung der befruchteten Eizelle bis zum Tod zu der gewaltigen Zahl von ca Zellteilungen. Unbegrenzt teilungsfähig bleiben nur kleine Populationen, sog. Stammzellen. Keimdrüsen, Haut, Knochenmark, Dünndarmepithel und Zentralnervensystem enthalten Stammzellen, möglicherweise kommen sie jedoch auch in weiteren Geweben und Organen vor.

2 (FWU) / (Klett) - Kern- und Zellteilung Seite 2 Frühe embryonale Teilungen (Furchungsteilungen), wie die des im Film im Zeitraffer gezeigten Froschembryos, unterscheiden sich von normalen mitotischen Teilungen. Die Tochterzellen wachsen nicht. Sie verdoppeln lediglich ihre DNS, um sich anschließend sofort erneut zu teilen. Furchungsteilung gehören zu den schnellsten bekannten Zellteilungen. Im Frosch dauert ein Zyklus nur 30 Minuten. Der Embryo wächst in dieser Entwicklungsphase nicht, sondern lebt von den im Ei gespeicherten Nährstoffen. Die Zellen werden dabei immer kleiner, bis ein kritisches Verhältnis von Zellkern zu Zytoplasma erreicht ist. Dann beginnt der Embryo mit der Transkription und Translation des zygotischen Genoms. Die frühe Embryonalentwicklung bis zu dieser so genannten Midblastula-Transition steht daher unter der genetischen Kontrolle der Mutter. Nicht immer entstehen durch mitotische Teilungen identische Tochterzellen. Bildet sich die Spindel asymmetrisch aus, so entstehen verschieden große Tochterzellen. Ein Beispiel dafür ist die Entwicklung des Seeigels, wo die vierte Furchungsteilung asymmetrisch verläuft. Dadurch entstehen große Makromeren und kleine Mikromeren, aus denen sich das Skelett der Larve entwickelt. Ein anderer Mechanismus, durch den nicht-identische Tochterzellen entstehen können, besteht in der unterschiedlichen Verteilung zytoplasmatischer Determinanten (Proteine, RNAs), die in der Mutterzelle nicht homogen verteilt vorliegen, sondern an bestimmten Stellen lokalisiert sind. Solche Teilungen kommen ebenfalls in der frühen Embryonalentwicklung von z. B. Tunikaten vor. Auch die Zahl der Chromosomen kann sich in bestimmten Zelltypen verändern. In Extremfällen, wie den roten Blutkörperchen und den Blutplättchen, fehlt der Zellkern ganz. Dagegen besitzen die polyploiden Megakaryozyten des Knochenmarks, aus denen die Blutplättchen entstehen, das 8-, 16- oder gar 32-fache des haploiden Chromosomensatzes. Sie entstehen durch Endomitose, d. h. mehrere aufeinander folgende Replikationszyklen ohne Zellteilung (Zytokinese). Muskelfasern dagegen bilden sich durch die Fusion von Einzelzellen und besitzen eine Vielzahl von Zellkernen. Film 2: Kernteilung Das Prinzip der mitotischen Zellteilung wird in drei Stufen dargestellt. Mikroskopische Aufnahmen zeigen Mitosen von pflanzlichen und tierischen Zellen. Im Trick werden die Grundprinzipien der Kernteilung herausgearbeitet. Eine abschließende filmische Sequenz benennt und charakterisiert die einzelnen Phasen. Ein Sagittalschnitt durch die Wurzelspitze einer Küchenzwiebel stellt Zellen in verschiedenen Phasen der Teilung vor. Er zeigt Interphase-Zellen ohne strukturierten Zellkern, kondensierte Chromosomen in Zellen, in denen sich die Kernmembran aufgelöst hat, Metaphase-Stadien und Zellen, die sich bereits durchgeschnürt haben. Zeitrafferaufnahmen pflanzlicher und tierischer Zellen verdeutlichen, dass die Chromosomen vor der Teilung aus zwei Chromatiden bestehen, die sich während der Teilung trennen, sodass in den Tochterzellen Ein-Chromatid-Chromosomen vorliegen. In der Tricksequenz sieht man, wie die Chromatiden sich verdoppeln, spiralig aufwinden und verkürzen. Das Zentriol teilt sich und wandert zu den Polen. Kernmembran und Nukleolus lösen sich auf, die Spindelfasern bilden sich und ziehen die Chromosomen am Zentromer zu den entgegengesetzten Polen. Kernmembranen und Nukleolus werden neu gebildet, die Zelle schnürt sich durch und wächst in der Interphase zu alter Größe heran. Die Begriffe Chromatin, Chromosom, Zentriol und Zentromer werden erläutert. In der abschließenden Zeitrafferaufnahme werden die Begriffe Pro-, Meta-, Ana- und Telophase anhand einer Mitose bei lebenden Endospermzellen eingeführt (Endosperm = Nährgewebe von Samen).

3 (FWU) / (Klett) - Kern- und Zellteilung Seite 3 Das Chromatin, die Grundsubstanz eukaryotischer Chromosomen, besteht aus DNA und Proteinen, die das fädige DNA-Molekül im Zellkern verpacken. Die Doppelhelix hat einen Durchmesser von 2 nm, das menschliche Genom eine Länge von ca. 1 m pro Chromosomensatz. Der DNA-Strang wickelt sich um sog. Nukleosomen, flache Zylinder, die aus je 8 basischen Histonproteinen zusammengesetzt sind (Komprimierungsfaktor 1:6). Der Durchmesser der Nukleosomenfaser beträgt 10 nm. Spiralige Aufwindung führt zur 30 nm Chromatinfaser, die einen Komprimierungsfaktor von 1:36 aufweist. In Metaphase-Chromosomen wird eine noch stärkere Komprimierung erreicht ( fach). Jedes Chromatid besteht aus einem in Schleifen gelegten Chromatinfaden, wobei eine Schleife ca Basenpaare enthält. Die einzelnen Schleifen sind an Enzyme gekoppelt, die für die Aufwindung des DNA-Strangs bei der Replikation wichtig sind (Topoisomerase II). Die im Lichtmikroskop sichtbare Chromatinfaser von Metaphasechromosomen entsteht durch weitere Aufwindung und hat einen Durchmesser von ca. 600 nm. Der im Zellkern lokalisierte, lichtmikroskopisch sichtbare Nukleolus, das Kernkörperchen, ist die Ribosomenfabrik der Zelle. Proliferierende Zellen haben einen hohen Bedarf an Ribosomen. Um diesen zu decken, gibt es eine große Zahl von geclusterten rrna-genen, die von einer spezialisierten RNA-Polymerase (RNA-Polymerase III) mit hoher Effizienz zeitgleich transkribiert werden. Der Nukleolus bildet sich an diesem Cluster aus. In manchen Spezies kommen mehrere Nukleoli vor, abhängig von der Zahl der rrna-gencluster. Bereits im Nukleolus werden die Grundstrukturen der Ribosomen zusammengebaut, indem die rrna-vorläufer in die einzelnen rrna-moleküle aufgespalten werden, und mit ribosomalen Proteinen assoziieren, die im Zytoplasma ständig neu synthetisiert werden. Der Spindelapparat besteht aus Mikrotubuli, die ihrerseits aus Tubulin zusammengesetzt sind, sowie assoziierten Proteinen. Man unterscheidet zwei Arten von Spindelfasern. Polfasern erstrecken sich vom Pol bis zur Äquatorialebene. Kinetochorfasern verlaufen in Richtung der Pole. Sie sind mit dem Kinetochor verbunden, einem Proteinkomplex, der sich an jedem Chromosom am Zentromer bildet. Das Zentromer verbindet die Schwesterchromatiden und ist als Einschnürung im Lichtmikroskop zu erkennen. Während der späten Prometaphase bilden sich an jedem Zentromer zwei Kinetochore, für jedes Chromatid eines. An jedem Kinetochor inserieren eine Vielzahl von Kinetochorfasern. Die Spindelfasern ordnen die Chromosomen unabhängig voneinander in der Metaphasenplatte an. Nach der Teilung des Zentromers in der Anaphase werden die Chromatiden von den Kinetochor-Mikrotubuli zu den Polen gezogen. Den Kinetochoren kommt dabei die entscheidende Rolle zu. Sie steuern den Auf- und Abbau der angedockten Mikrotubuli und vermitteln über Motorproteine die Bewegung der Chromosomen. Das Zentromer ist damit für die Segregation der Chromosomen von fundamentaler Bedeutung. Fehlt es, dann können die Kinetochorfasern nicht am Chromosom andocken und diese werden nicht verteilt. Film 3: Verdopplung der DNA (Replikation) Der Trick zeigt die Replikation der DNA während der Interphase. Die Verpackung der DNA in Chromosomen wird sichtbar und die Bestandteile und die Struktur der DNA-Doppelhelix werden erklärt. Man sieht die spezifischen Basenpaarungen zwischen Adenin und Thymin und zwischen Guanin und Cytosin mit ihren zwei bzw. drei Wasserstoffbrücken. In einem Standbild wird die Antiparallelität der Stränge verdeutlicht. Das Enzym Helikase trennt die Doppelhelix in die beiden Einzelstränge. Der im Bild oben dargestellte Leitstrang (leading strand) wird von der DNA-Polymerase kontinuierlich zum Doppelstrang ergänzt. Die Polymerase folgt der Replikationsgabel. Die Syntheserichtung der Polymerase (vom 5 -

4 (FWU) / (Klett) - Kern- und Zellteilung Seite 4 zum 3 -Ende; verknüpft neue Nukleotide über Phosphodiesterbindungen mit der 3 -OH- Gruppe der Desoxyribose) stimmt mit der Richtung der Auftrennung der Stränge überein. Am unteren, dem Folgestrang (lagging strand), erfolgt die Neusynthese diskontinuierlich. Der Folgestrang wird in Gegenrichtung zum Fortschreiten der Replikationsgabel synthetisiert. Kurze RNA-Ketten dienen der Polymerase als Starter (Primer). Die Polymerase synthetisiert den neuen Strang bis zum vorangegangenen RNA-Starter, der dann entfernt wird. Das Enzym Ligase schließt die Lücke. Nach Abschluss der Replikation kondensieren die Chromatiden und die typische Chromosomenstruktur, bestehend aus zwei Chromatiden, wird sichtbar. In der folgenden Zeitrafferaufnahme ist ein einzelnes Zwei-Chromatid-Chromosom farblich hervorgehoben. Damit lassen sich die einzelnen Phasen der Mitose deutlich nachvollziehen. Die Durchschnürung der Zelle vollendet die Mitose. Die DNA kann verschiedene Konformationen annehmen. Die häufigste Form ist die ß-Konformation. Die beiden Stränge sind in einer plektonemischen Spirale umeinander gewunden, d. h. sie sind in jeder Windung miteinander verzahnt und müssen für die Replikation vollständig entwunden werden. In einer Umdrehung sind 10 Nukleotide angeordnet, mit einer Steigung von 3,4 nm pro Umgang. DNA-Gehalt und Anzahl der Chromosomen variieren von Spezies zu Spezies. In der Regel spiegelt sich die Komplexität eines Organismus in seiner Genomgröße wider. Diese Korrelation gilt jedoch nicht strikt. So hat z. B. die Küchenzwiebel ein fünfmal größeres Genom als der Mensch. Das menschliche Genom besteht aus 3 x 10 9 Basenpaaren pro Chromosomensatz. Aneinandergereiht hat die DNA einer diploiden Zelle damit eine Länge von 2,2 m bei einem Durchmesser von 2 nm. Rechnet man diese Zahlen auf die leichter vorstellbare Dimension eines Spaghetti von 2 mm Durchmesser hoch, dann würde die DNA einer einzelnen menschlichen Zelle einen Fußballplatz etwa 20 cm, hoch bedecken. Ein durchschnittliches Gen hätte eine Länge von ca. 20 cm bis 1 m. Die Replikation beginnt an festgelegten Orten in der DNA, die als Replikationsursprünge (origins of replication; ori) bezeichnet werden. Wenn die Replikation beginnt, bildet sich dort eine Replikationsgabel, in der sich der alte zu zwei neuen Doppelsträngen verzweigt. Die Antiparallelität der DNA bedingt, dass das Wachstum der neuen Stränge in jeweils entgegengesetzter Richtung verläuft, im Leitstrang in 5-3 Richtung, im Folgestrang in 3-5 Richtung. Die DNA-Polymerase arbeitet allerdings nur in 5-3 Richtung, sodass sie den Folgestrang diskontinuierlich entgegen der Wanderungsrichtung der Helikase (auch von 5 nach 3 ) aufbaut. Der Folgestrang wird also als Reihe kleiner Fragmente (Okazaki-Fragmente) von Nukleotiden synthetisiert, wobei kurze RNA-Oligonukleotide als Primer dienen. Bei Bakterien gibt es nur eine, bei Säugern fünf Klassen von DNA-Polymerasen. Eine repliziert das Mitochondriengenom, je eine den Leit- und den Folgestrang und zwei weitere haben Reparaturfunktion und merzen Synthesefehler aus. Auf diese Weise kommt es zu nur einer Basenaustauschmutation pro replizierter Nukleotide. Das Bakteriengenom hat einen einzigen Replikationsursprung. Bei Säugern gibt es auf jedem Chromosom eine Vielzahl von oris, an denen die Replikation zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der S-Phase des Zellzyklus gestartet wird. Die Replikation verläuft bidirektional, wodurch sich Replikationsblasen bilden, die sich zum Ende der S-Phase vereinigen. In Zellkultur dauert die Replikation des menschlichen Genoms ca. 8 Stunden. Die Syntheserate eines einzelnen Polymerasemoleküls beträgt bei Säugern ca Nukleotide pro Minute, bei Bakterien bis zu Nukleotide pro Minute.

5 (FWU) / (Klett) - Kern- und Zellteilung Seite 5 Weitere Medien Reifeteilung: Arbeitsvideo/2 Kurzfilme. VHS 16 min, f Mendelsche Regeln: Arbeitsvideo/4 Kurzfilme. VHS 12 min, f Einzeller: Arbeitsvideo/4 Kurzfilme. VHS 23 min, f Die Zelle. VHS 16 min, f Produktion und Herausgabe FWU Institut für Film und Bild, Grünwald und Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart, 2000 Buch und Regie Ulrich Berner Trick Peter Jacobi, Film & Graphic Design Fachberatung und Begleitkarte Dr. Martin Blum Bildnachweis Peter Jacobi Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2000 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de Internet Ernst Klett Verlag GmbH Rotebühlstrasse 77 D Stuttgart Telefon (0711) Telefax (0711) kundenservice@klett.de Internet