Replikation der DNA: Ablauf

Bevor sich eine Zelle teilt, muß sie ihre gesamte
DNA verdoppeln (= replizieren). In Eukaryonten geschieht das in der S-Phase
des Zellzyklus.

zellzy7 - Replikation der DNA: Ablauf

Der Replikation
genannte Vorgang vollzieht sich gleichzeitig an mehreren Stellen des Riesenmoleküls
DNA. Dabei entstehen durch das Aufschrauben sogenannte Replikationsblasen.
Dort arbeiten 2 enzymatische Replikationskomplexe
in entgegengesetzter Richtung.

Neben dem Enzym Helicase, das die
Doppelhelix entschraubt, enthält der Replikationskomplex Gyrase,
verschiedene Proteine, Primase und verschiedene DNA-Polymerasen.
Die Replikation verläuft in beiden Richtungen bis sich die Blasen
treffen.

 

 


Abb. 12

Zellzyklus

 


Abb. 13
 

Replikationsblasen

 

bubble1 - Replikation der DNA: Ablauf


Der sehr komplizierte und energieverbrauchende Vorgang läuft vereinfacht
in 3 Schritten ab:

  1. Entwindung und Stabilisierung der DNA
  2. Synthese eines komplementären DNA-Stückes
    in 5´-3´-Richtung am Führungsstrang
  3. Synthese von Okazaki-Fragmenten
    und deren Verbindung in 5´-3´-Richtung am anderen Strang

_replic6 - Replikation der DNA: Ablauf

AnDNAR - Replikation der DNA: Ablauf

Geschwindigkeit der Synthese

Prokaryonten:
Bei Prokaryonten ca. 1000 Nukleotide/Sekunde; d.h. bei E.Coli mit 4,7
x 106 Basenpaaren dauert die Replikation 40 Minuten.

Eukaryonten:
Das typisch menschliche Chromosom hat ca. 150 x106 Basenpaare.
Die Synthese schreitet mit ca. 50 Nukleotiden/Sekunde voran. Dies würde
einen Monat dauern, gäbe es nicht gleichzeitig mehrere Replikationsblasen.
So dauert es nur eine Stunde. Die gesamte DNA mit 6 x 109 Basenparen
wird in mehreren Stunden verdoppelt.

Die Arbeit der Enzyme kann man in der Abb.13
nachvollziehen.

Bei der Replikation der ringförmigen DNA in Prokaryonten findet
man nur eine Replikationsblase.

Semikonservative Replikation

Die oben beschriebene Art der Replikation
wird von allen Organismen durchgeführt. Dabei wird jeweils einer
der alten DNA-Stränge komplett belassen und ein komplett neuer komplementärer
Strang synthetisiert. Man nennt diese Methode semikonservative
Replikation
.

Matthew Meselson
and Franklin W. Stahl entwarfen
1958 ein Experiment, um zu entscheiden, wie die DNA sich repliziert. Schon
WATSON und Crick
hatten die semikonservative Replikation postuliert. Diese wurde dann auch
bewiesen.
Ein Shockwave-Animation der Replikation ist hier zu sehen:
http://www.ncc.gmu.edu/dna/repanim.htm

3.2 Mitosezyklus

Alle eukaryontischen Zellen
durchlaufen einen Zyklus von Wachstum, DNA-Verdopplung, Wachstum und Zellteilung.
Man nennt diesen
Zellzyklus.

Der zyklische Ablauf wird in verschiedene Abschnitte
unterteilt:


G1 – S – G2 – M.

G1 steht für Gap1 ,
S
für Synthese und G2 für
Gap2. Alle 3 genannten Phasen sind zusammen die Interphase
zwischen 2 Zellteilungen.

zellzyk1 - Replikation der DNA: Ablauf

Zellen werden meist in dieser Phase beobachtet.

Während des Zellzyklus müssen

  1. die Chromosomen repliziert (S), kondensiert (M), getrennt
    und dekondensiert werden
  2. die Centrosomen verdoppelt (S) und getrennt werden
    und zu den entgegengesetzten Zellpolen wandern
  3. die Kernmembran abgebaut und aufgebaut werden (M)
  4. die Spindlfasern während der Mitose auf- und
    abgebaut werden (M)
  5. die Zellmembran ergänzt werden, um die Zellteilung
    zu vervollständigen

_cellcdk - Replikation der DNA: Ablauf

Im eukaryontischen Organismus können findet man
2 Sorten Zellteilung: die Mitose in allen Körperzellen und die Meiose
die nur in den Geschlechtsorganen bei der Bildung der Gameten stattfindet.

Bei der Mitose entsteht aus einer Zelle eine genetisch
identische Kopie.In einer sich nicht teilenden Zelle liegt die DNA in
Form langer Fäden vor (=Chromatingerüst). Beim Mensch sind das
insgesamt 36 einzelne Fäden pro Zelle. Beginnt die Mitose verürzen
und verdicken sich die DNA-Fäden und werden zu den stark färbbaren
Chromosomen, die dann X-förmig getielt in ihre Chromatiden vorliegen.
Diese werden dann bei der Meiose getrennt und landen in beiden neu entstehenden
Zellen. Der BAlauf der Mitose wird in Phasen unterteilt.

Das typische Bild der Chromosomen findet man in der Metaphase
der Mitose vor, man spricht von Metaphasen-Chromosomen. Ein solches
Chromosom ist allgemein wie in Abb. 19 abgebildet
aufgebaut. Es besteht aus 2 Hälften, Chromatiden
genannt. Diese werden am Centromer
zusammengehalten. So nennt man die Verengung, an der die Spindelfasern
ansetzen. Das Centromer muß nicht immer mittig im Chromosom liegen.
Während der Motose bilden sich Proteinröhren aus, die Spindelfasern.
Am Kinetochor werden die Chromatiden dann durch die Spindelfasern auseinandergezogen.

mCro1 - Replikation der DNA: Ablauf

Zusammenfassung der Mitose:

mitose9 - Replikation der DNA: Ablauf

  • Kernteilung und Zellteilung bei eukaryontischen Zellen,
    die 2 genetisch identische Produkte liefert
  • Dabei werden die Chromosomen in Chromatiden
    getrennt.
  • Die Verdopplung der Chromatiden zu Chromosomen findet
    in der Interphase statt.

Chromosomen bei Prokaryonten

Bakterien besitzen nur ein
ringförmiges Chromosom
. Es ist z. B. bei E. Coli nahzu 1 mm
lang aber nur 2 nm breit und besteht aus ca. 4.6 Millionen Basenpaaren.

Ca. 1700 Gene haben auf einem solchen DNA-Faden Platz
und es können somit 1700 Enzyme gebildet werden.

Daneben besitzen viele Bakterien noch ein oder mehrere
kleine DNA-Ringe: sogenannte Plasmide
(siehe Abb. 20) mit wenigen Genen..

Üblicherweise teilen sich Bakterienzellen
durch Zweiteilung, wobei wie bei der Mitose 2 genetisch identische
Zellen entstehen. Zunächst verdoppelt sich das Chromosom und die
beiden DNA-Kopien werden an unterschiedlichen Stellen der Membran angeheftet.

Meiose

In den Geschlechtsorganen der sich sexuell fortpflanzenden
Organismen werden die Gameten (= Geschlechtszellen) gebildet.

humank - Replikation der DNA: Ablauf

Diese verschmelzen bei der Befruchtung
zur Zygote, aus der sich dann durch milliardenfache Mitose der komplette
Organismus bildet. Beim Menschen findet man in jeder Körperzelle
46 Chromosomen.

Schon Mendel hatte aus seinen Kreuzungen die Tatsache
abgeleitet, daß bei der Gametenbildung jeweils nur eine Ausfertigung
der Erbanlage weitergegeben wird.

Dies bedeutet: Körperzellen enthalten die Erbfaktoren (Gene) 2 x,
man bezeichnet sie als diploid;
Gameten (Geschlechtszellen) 1 x, man nennt sie deshalb haploid.

Bei sexuell sich fortpflanzenden Organismen geschieht die Gametenbildung
in den Geschlechtsorganen. Bei Pflanzen werden die männlichen Spermas
in den Staubbeuteln , die Eizelle im Fruchtknoten gebildet. Bei Tieren
findet diese Geschlechtszellbildung in den Testes (Hoden ) und Eierstöcken
(Ovarien ) statt.

Würde bei der Gametenbildung die Anzahl der Erbeinheiten
nicht halbiert, so hätte jede Nachkommensgeneration die doppelte
Menge, was irgendwann zum Platzen der Zelle führen würde. (siehe
Abb. 21)
Bei der sexuellen Fortpflanzung wird demnach die Meiose
benutzt, um den Chromosomensatz zu reduzieren und die Befruchtung, um
ihn wieder zu verdoppeln. Man bezeichnet die Meiose deshalb auch als Reduktionsteilung.
Dabei entstehen keine 2 identische Tochterzellen wie bei der Mitose sondern
4 genetisch unterschiedliche Gameten mit
einfachem(= haploiden) Chromosomensatz
!

Die Meiose verläuft in den Geschlechtsorganen in
zwei Abschnitten ab:

  1. Reifeteilung (Meiose I: Paarung
    der homologen Chromosomen, Crossingover)
  2. Reifeteilung (Meiose II: wie
    Mitose).

Da zwischen den beiden Abschnitten keine DNA-Synthese stattfindet, entstehen
als Ergebnis 4 haploide Zellen. Auch die Meiose wird wie die Mitose in
einzelne Phasen eingeteilt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 14

Animation Replikation

_replexp - Replikation der DNA: Ablauf

 

 

 

 

 

 


Abb. 15
 

semikonservative Replikation

 

semicons - Replikation der DNA: Ablauf

Nachweis der semikonservativen Replikation siehe
Klasse 13

 

 

 

 

 


Abb. 16
 

Zellzyklus bei Eukaryonten

 

 

 

 

 


Abb. 17
 

Zellzyklus bezüglich DNA

 

Die G1-Phase
ist die Wachstumsphase
, wo sich die Zelle unter ATP-Verbrauch
vergrößert und sich die Zellorganellen vervielfachen.
Nach einer bestimmten Zeit beginnt die DNA-Verdopplung.
Man nennt die Phase
S-Phase.
Dies sorgt für einen erhöhten Energieverbrauch, weshalb
sich eine weitereWachstumsphase anschließt,
die
G2-Phase.Bei den eukaryontischen Zellen folgt nun die
M-Phase, also die mitotische Zellteilung oder
Mitose,
bei der die Chromosomen
(Kernteilung)
und das Cytoplasma samt Organellen (
Plasmateilung)
aufgeteilt werden.
Der zeitliche Ablauf ist je nach Zelltyp unterschiedlich
kürzer oder länger, im Mittel ca. 16 Std. (siehe links)

 


Abb. 18
 

Mitose

 

mitose4 - Replikation der DNA: Ablauf

 


Abb. 19
 

Metaphasenchromosom

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 20
 

Plasmide

 

plasm5 - Replikation der DNA: Ablauf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 21
 

diploid – haploid

 

meios01 - Replikation der DNA: Ablauf

2n, 4n, 8n … soll jeweils den doppelten Satz an Genen (Erbfaktoren)
bedeuten; n ist je nach Art verschieden

 

 

 

 


Abb. 22
 

Ablauf der Meiose

 

meiose2 - Replikation der DNA: Ablauf

In der ersten Reifeteilung paaren sich im Gegensatz zur
Mitose die homologen Chromosomen
in der Äquatorialebene. Es werden so Tetraden gebildet (4 Chromatiden
liegen parallel nebeneinander. In diesem Stadium überkreuzen sich
zufällig die Nichtschwesterchromatiden. (ein väterliches und
ein mütterliches) Dies nennt man Crossingover.
Danach brechen die Chromatiden wieder auseinander. Damit wurde das väterliche
und mütterliche Erbgut zufällig gemischt.xover2 - Replikation der DNA: Ablauf

Die Meiose ist eine der natürlichen Ursachen für
die genetische Vielfalt der Organismen. Danach weichen die homologen Chromosomen
auseinander, die Zelle teilt sich. In der 2. Reifeteilung teilen sich
dann die Chromosomen nochmals in ihre Chromatiden, mit anschließender
Zellteilung, sodaß 4 Zellen mit haploidem Chromosomensatz entstanden
sind. Diese werden dann zu Gameten.

Bedeutung der Meiose

Die Meiose sorgt also neben haploiden
Gameten
auch für eine Durchmischung
des Erbgutes
. Die 4 Meioseprodukte sind alle durch das zufällige
Crossingover genetisch unterschiedlich. Dies ist der Grund, daß
alle Nachkommen aus eineiigen Zwillingen unterschiedliche Erbanlagen haben.


Abb. 23

Crossingover

xover - Replikation der DNA: Ablauf

Mehrfachcrossingover in Zellen der Heuschrecke Chorthippus parallelus

 

 

 

 

 

Weiterführende
Quellen:

Mitose und Zellzyklus http://www.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookmito.html

http://www.biology.arizona.edu/cell_bio/tutorials/cell_cycle/cells2.html

http://www.genetik.uni-koeln.de/institute/5th_floor/sprenger.html

Versch. Quellen zu Mitose http://bioscience.org/news/scientis/mitosis.htm
Zweiteilung
http://library.advanced.org/11375/classroom/binary_fission.html
Aufbau der Chromosomen
http://gened.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookGENCTRL.html
Centrosom
http://www.med.uni-muenchen.de/phychem/zellbio/homepage.html
Telomere
Telomerase-Demo
http://www.uni-stuttgart.de/bio/zoologie/teloweb.htm
http://www.plattsburgh.edu/faculty/slishdf/Telomerase.html
Centromer http://opbs.okstate.edu/~melcher/MG/MGW1/MG1364.html
Hat dir dieser Artikel geholfen?

Comments on this entry are closed.