1.2 Replikation und Mitose
1.2.1 Zellzyklus, Mitose, Struktur des Metaphasenchromosoms

 

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. 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 Spindelfasern während der Mitose auf- und abgebaut werden (M)
  5. die Zellmembran ergänzt werden, um die Zellteilung zu vervollständigen

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 weitere Wachstumsphase 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)

Regulation

Der Zellzyklus wird durch verschiedene Protein-Faktoren der Nachbarzellen reguliert. Die Regulation ist komplex, bei Fehlregulation kann Krebs entstehen. Die wichtigsten sind:

Cdk = Cyclin-abhängige Kinase ein phosphorylierendes Enzym ist mit Cyclinen ein Hauptregulator des Zyklus. Ihre Aktivität führt vom G1 zum S-Stadium und dann weiter zur G2- und M-Phase.

Cycline sind Proteine, deren Konzentration während des Zellzyklus schwankt. Cycline aktivieren die Cyclin-abhängige Proteinkinasen (Cdk Proteine).

MPF = (Reifungs-fördernder Faktor) schließt CdK und Cycline mit ein und steuert den Fortschritt durch den Zyklus. p53 ist ein Protein, was nach einem DNA-Defekt den Zyklus blockiert. Bei schweren DNA-Defekten führt diese Protein zum Zelltod (Aptose) Bei verletzten Zellen blockiert p53 den Fortschritt des Zyklus, um die DNA zu reparieren. P53-Mutationen sind die häufigsten Ursachen für Krebs.

p27 ist ein Protein, das an Cyclin und CdK bindet und den Einstieg in die S-Phase verhindert. Es wird zur Krebsprognose bei Brustkrebs verwendet.

Mitose(M-Phase)

In der M-Phase entstehen aus einer diploiden Zelle (2n) zwei genetisch identische Kopien. Dabei können hauptsächlich im Zellkern höchst komplizierte Vorgänge beobachtet werden, die man in 4 Abschnitte einteilt:

Prophase, Metaphase, Anaphase Telophase.

In Abb. 29 ist die Anaphase der Mitose zu sehen. Chromosomen (orange) werden mit Hilfe von Spindelfasern getrennt (grün). Nachfolgend werden die einzelnen Phasen anhand des mikroskopischen Bildes einer typischen Zelle besprochen. Hierbei spielen Chromosomen, das Centrosom (= Centriol) und die Spindelfasern eine besondere Rolle. Das Centrosom (siehe Biokurs Klasse 11) ist ein Zellorganell nahe dem Zellkern, das in der Interphase und Mitose die Mikrotubuli organisiert.

Es unterscheidet sich von Art zu Art, typischerweise sieht es wie links abgebildet aus. Von ihm gehen Mikrotubuli in das Cytoplasma, die ein Zytoskelett bilden. Bei der Mitose werden die Spindelfasern gebildet.

Obwohl man von Chromosomen spricht, wenn man die Erbinformation der Zellen meint, treten diese nur während der Zellteilung (M) auf. In der G und S-Phase des Zellzyklus liegt die Erbinformation (DNA) als Chromatinfäden oder Chromatingerüst vor. Man bezeichnet einen Komplex von DNA und Protein, wie er in den Chromosomen vorliegt als Chromatin.

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. 31 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.

An dieser Spindelfaseransatzstelle bildet sich kurz vor der Chromosomenteilung eine spezielle Struktur mit Mikrotubuli aus (=Kinetochor), an die die Spindelfasern anheften.

Jedes Chromatid enthält mindestens einen sehr stark aufspiralisierten DNA-Faden. Weiteres zum Feinbau der Chromosomen findet man nach der Mitose.

Die Chromosomen und Spindelfasern sind in den nachfolgenden Abbildungen angefärbt. Zunächst noch einmal zum Vergleich die Interphase (S):

Interphase

Der Zellkern ist mit seiner Membran gut sichtbar. Die Chromosomen sind gerade verdoppelt worden und als lange Chromatinfäden sichtbar, jedoch kaum zu definieren. Tatsächlich existieren von jedem Chromatinfaden 2 Exemplare, die Zelle ist diploid. Die beiden identischen Fäden nennt man homolog.

Die Mitose im einzelnen:

Prophase

Links ist die frühe Prophase dargestellt. Die replizierten Chromatinfäden erscheinen als längliche Gebilde, die aus 2 Chomatiden bestehen und am Centromer zusammenhaften. Die Chromatinfäden verkürzen und verdicken sich zu Chromosomen. Die Kernmembran und das Kernkörperchen (Nukleolus) verschwinden. Das Centriol hat sich geteilt und wandert zu den Zellpolen.

Metaphase

Die Spindelfasern haben sich ausgebildet. Die Chromosomen liegen maximal verkürzt in der Äqutorialebene der Zelle. Die Kernmembran ist aufgelöst. Jedes Chromosom ist am Kinetochor über zwei Spindelfasern mit beiden Centriolhälften verbunden, ein Chromatid eines Chromosoms mit dem einen Pol, das andere Chromatid mit dem anderen Pol.

Anaphase

Die Chromatiden jedes Chromosoms wandern auseinander, von den Spindelfasern zu den Polen gezogen.

Telophase

Die auseinandergewichenen Chromatiden haben die jeweiligen Zellpole erreicht. Sie verlängern sich. Die Spindelfasern verschwinden, neue Nukleoli werden sichtbar, die Kernmembranen bilden sich wieder. Die Zelle teilt sich.

Prophase
Metaphase
Anaphase
Hier nochmals alle Phasen als Zeichnung
 
 
Telophase
 

Die Zellteilung, also die Teilung des Cytoplasmas direkt nach der Mitose nennt man Cytokinese. Typischerweise läuft die Mitose der Zellen innerhalb ca. 80 Minuten ab.

Zusammenfassung der Mitose:

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

Feinbau des Metaphasenchromosoms

Die Chromosomen der Metaphase zeigen (angefärbt) ein typisches Bandenmuster, das die Variation des A-T-Gehalts und C-G-Gehalts wiederspiegelt. Dadurch können sie unterschieden werden. Die Banden entstehen, in dem sich die Farbstoffmoleküle in bestimmte Bereiche der extrem stark aufspiralisierten DNA einlagern. In Abb. 34 ist Chromosom 4 des Menschen in einer ELMI-Aufnahme zu sehen.

Würde man die DNA der menschlichen Chromosomen entspiralisieren, so wäre der DNA-Faden zwischen 1.7 and 8.5 cm lang. Da dies alle Zellmaße übersteigt, ist die DNA mit Hilfe von speziellen Proteinen kompakt organisiert. Ohne diese Struktur wäre die identische Verdopplung bei der Zellteilung kaum denkbar.

Ein Chromosom besteht nicht aus einer Hülle, die DNA beinhaltet, wie viele Abbildungen andeuten, sondern ist in etwa zu gleichen Teilen aus Protein und Nukleinsäure (DNA) aufgebaut. Die Proteine sind Histone, relativ basische Eiweiße, an die sich die negativ geladene DNA anlagert. Der genaue Feinbau ist aus der Abbildung links zu ersehen. Dabei ist das DNA-Molekül in regelmäßigem Abstand 2-fach um ein Histon-Komplex aus 8 Molekülen gewickelt, mit einem H1-Histon zur Befestigung.

Man nennt diese Proteinkomplexe Nukleosomen. Der so aufgewickelte Strang ist seinerseits extrem stark mehrfach spiralisiert, so daß eine dichte Packung an Nukleosomen in Form einer Superhelix entsteht. Zwei dieser Gebilde (Chromatiden) haften zusammen und bilden ein Chromosom. Dies stellt die Transportform der DNA während der Zellteilung dar.

Am Ende eines Chromosoms der Eukaryonten befinden sich die Telomere. Dies sind spezielle Nukleoprotein-Komplexe mit sich wiederholender Nukleotidsequenz (bei Wirbeltieren TTAGGG), die die Rekombination zwischen den Chromosomen verhindern, diese vor DNA-Verlust während der Verdopplung bewahren und eine Rolle beim Altern und Krebs spielen. Das Enzym Telomerase synthetisiert z.B. bei Eukaryonten anhand einer internen RNA-Matrize (AACCCC) die sich wiederholenden G-reichen Sequenzen.

Die Länge der Telomersequenzen sind artspezifisch, wobei der Proteinkomplex Rap1 eine Art Zählfunktion hat. Verschiedene andere Proteine bilden eine schützende Hülle.

Die Telomere verkürzen sich bei jeder Zellteilung. Gealterte Zellen besitzen wesentlich kürzere Telomere als Chromosomen-Endstücke wie junge Zellen. In Keim-und Krebszellen bewirkt das Enzym Telomerase die Verlängerung der Telomere, so daß diese potentiell unsterblich werden.

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 Abbildung links) 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.

Bei der anschließenden Zellteilung (Cytokinese), werden dann die beiden DNA-Kopien auf die beiden Zellen verteilt.

Vegetative Vermehrung, Klone

Wie oben erwähnt, entstehen durch Mitose 2 genetisch identische Zellen. Im Generationswechsel der Organismen wechseln immer sexuelle (Meiose) und asexuelle Vermehrungen (Mitose):

Ein Klon ist eine Gruppe genetisch identischer, also erbgleicher Organismen. Klone entstehen auf einfachste Weise durch Zweiteilung, auch vegetative Vermehrung genannt. Es ist der Vermehrungsmechanismus aller Bakterien, aber auch höherer Mikroorganismen, wie Hefen und Pilzen und sogar vieler Arten mehrzelliger Tiere. Viele höhere Pflanzen vermehren sich durch Knospen oder Sprossung, indem auf der Stamm- oder Blattoberfläche eine Knospe entsteht, durch Zellteilung wächst, schließlich abfällt und zu einem neuen Individuum (einem Klon) wird.

Unter Klonierung versteht man die Produktion genetisch identischer Tiere oder Pflanzen oder die Produktion identischer Partikel und Moleküle wie Antikörper oder DNA.

Die meisten Wirbeltiere pflanzen sich ausschließlich durch bisexuelle Vermehrung fort, wobei keine Klone entstehen. Vielmehr ist das Erbgut der Nachkommen in der Regel genetisch verschieden, weil es ein Gemisch aus mütterlichen und väterlichen Genen darstellt. Genetisch identische Individuen (= Klone) können bei ihnen auf natürliche Weise dadurch entstehen, daß sich Embryonen in frühen Teilungsstadien spontan aufspalten und sich die Teile getrennt in unabhängigen Individuen weiterentwickeln (= z.B. Zwillinge)

Bei den Pflanzen ist die vegetative Vermehrung genauso verbreitet ( besonders bei Angiospermen und Farnen) wie die sexuelle. Blätter und Sprossteile von Pflanzen besitzen meist die Fähigkeit, durch vegetative Vermehrung einen kompletten Pflanzenkörper hervorzubringen. Dies wird ausgiebig bei Zier-, Zucht- und Nutzpflanzen ausgenützt, um diese zu kultivieren

Oft werden auch spezielle Ausläufer gebildet, die der Fortpflanzung dienen, wie z.B. bei der Erdbeere, die sich hauptsächlich vegetativ fortpflanzt. In diesem Sinne sind auch alle Kartoffeln eines Ackers Klone. Bei anderen Pflanzen wie der z. B. dem Löwenzahn (Taraxacum), der sich ebenfalls fast ausschließlich vegetativ vermehrt, bilden sich keimfähige Samen aus den unbefruchteten Fruchtknoten. Zu bemerken ist, daß hier die vegetative Vermehrung offenbar an Polyploidie gekoppelt (2n = 24 bis 2n = 80) ist, eine Vervielfachung des Chromosomensatzes.

Man unterscheidet bei Pflanzen zwischen

  1. vegetativer Vermehrung
  2. Agamospermie (asexuelle Bildung von Samen) und
  3. Apomixis (asexuelle Reproduktion unter Beteiligung der Blüte); verschiedene Formen wie Viviparie, Parthenogenese usw.)
Apomixis ist die natürliche Fähigkeit von einigen Blütenpflanzen (ca. 400; z.B. Citruspflanzen, Brombeere), sich asexuell durch Samen fortzupflanzen. Dies geschieht durch einen veränderten Ablauf in der Meiose. Die Embryonen der Samen gehen normalerweise aus der Befruchtung von Ei- und Samenzelle hervor. Bei der Apomixis entwickeln sich Embyonen nur aus der mütterlichen Zellen ohne Beteiligung männlicher Gameten. Als Ergebnis sind die Pflanzen aus diesen Samen identisch mit den mütterlichen Pflanzen.

Beispiele für vegetative Fortpflanzung bei Pflanzen

Blätter können Sproßknospen bilden, die an ihrer Unterseite Wurzeln bilden. Fallen die Blätter auf den Boden, treten die Wurzeln in die Erde ein und es entsteht ein neuer Pflanzenkörper.

Bei Pflanzen wie Zwiebel, Knoblauch, Osterglocke und Hyazinthe ist die Zwiebel der Ort der vegetativen Vermehrung. Der Sproß ist zu einer Scheibe verkürzt, aus dem die Wurzeln am Rand austreten. Die Blätter sind an die Oberfläche des Sprosses angeheftet. Die axialen Knospen können dort beim Einpflanzen in folgenden Jahren zu neuen Zwiebeln werden. Der unterirdische, vegetative Vorgang kann Jahre anhalten.

Kartoffeln (Solanum tuberosum) und Artischoken (Helianthus tuberosus) haben beide Knollen. Im Spätsommer durchdringen unterirdische, blattlose Sprosse (Rhizome) die oberen Bodenschichten. Im Herbst vergrößern sich die Enden zu Sproßknollen. Da es sich um einen Sproßteil handelt, sind überall Knospen verteilt, die zu neuen Pflanzen werden können.

Erdbeeren produzieren überirdisch Zweige mit winzigen Blättern: Stolone. An der Spitze entwickelt sich eine Knospe, aus der eine neue Krone mit Wurzeln entsteht.

Himbeeren und viele anderen Strauchgewächse können Wurzelsprosse bilden, aus denen eine große Zahl an neuen Pflanzenkörpern wachsen. Dadurch kann ein Dickicht enstehen.

Auch bei niederen Pflanzen wie den Algen, Farnen und Moosen findet man die typische Abwechslung sexueller und asexueller Zellteilung.

Bei Pilzen ist die vegetative Vermehrung ebenfalls weit verbreitet.

Vegetative Fortpflanzung bei Tieren

Lebenszyklus von Blattläusen ( siehe Biokurs Klasse 11)

Der Lebenszyklus der Blattläuse ist ungewöhnlich und kann komplex sein. Die meisten Blattläuse vermehren sich sowohl sexuell und entwickeln sich durch einen Metamorphose (Eier, Nymphen, geflügelte und ungeflügelte Erwachsene) als auch asexuell durch Parthenogenese ( = Jungfernzeugung)

Der Lebenszyklus der meisten Blattläuse beträgt 5 bis 6 Tage. Dabei wechseln sich sexuelle und asexuelle Zyklen ab. (holozyklisch) Weibchen der grünen Blattlaus (Myzus persicae) können durch Jungfernzeugung pro Tag 3- 6 voll ausgebildete weibliche Junge gebären und dies mehrere Wochen lang.  

Die sexuellen und asexuellen Formen werden in verschiedenen Jahreszeiten ausgebildet. Männchen existieren nur in einer bestimmte Jahreszeit und entstehen de nuovo (spontan per Meiose) aus parthenogenetischen Weibchen im Herbst. Die Ursache ist der XO-Geschlechtsbestimmung der Blattläuse.

Individuen mit 2 X-Chromosomen entwickeln sich zu Weibchen, solche mit XO ( also keinem 2. X-Chromosom) zu Männchen. Um ein Männchen zu produziern, läuft eine spezielle Meiose (Geschlechtsteilung) ab, die nur die X-Chromosomen betrifft. Während der Eizellbildung wird ein X-Chromosom eliminiert. (Blackman (1974,1987)

Parthenogenese bei Reptilien

Bei verschiedenen Reptiliengruppen wurde Vermehrung durch die Parthenogenese festgestellt (vor allem bei den Neuweltechesen Cnemidophorus und den Altweltechsen der Art Lacerta). In allen Fällen bestand die Population ausschließlich aus weiblichen Tieren. oder Klonen.

Auch bei der Klapperschlange konnte dies festgestellt werden. (Crotalus horridus) Aalle Nachkommen waren männlich. Dies liegt auch an der Tatsache, daß bei Vögeln und Reptilien die Weibchen ZW-Chromosomen haben (entsprechend den Männchen bei den Säugetieren), während Männchen ZZ besitzen. In der apomiktischen Parthenogenese entsteht ein männlicher Nachkomme, wenn das Ei und der 2. Richtungskörper beide ein Z-Chromosom enthalten.

 

 

Abb. 17

Zellzyklus

 

Abb. 28

zeitl. Ablauf des Zellzyklus

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 29

Anaphase der Mitose

 

Abb. 30

Centrosom

 

Abb. 31

Chromosom in der Metaphase

 

 

 

Abb. 32

Phasen der Mitose + Interphase

Interphase

Prophase

Metaphase

Anaphase

Telophase

 

Abb. 33

Zeitrahmen der Mitose

 

 

 

 

Abb. 34

Feinbau des Metaphasenchromosoms

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 35

Telomere

Telomere Wiederholungssequenzen

Arabidopsis
TTTAGGG
Mensch
TTAGGG
Schleimpilz
TAGGG
Oxytricha
TTTTGGGG
Tetrahymena
TTGGGG
Trypanosoma
TAGGG
Hefe
(TG)1-3TG2-3
   
Arabidopsis
Ackerschmalwand (Pflanze)
Oxytricha
Borstentierchen
Tetrahymena
Ciliat (Wimpertierchen)
Trypanosoma
Geißeltierchen
Hefe
Pilz
 


Telomere an Chromosomen aus Stammzellen mit fluoreszierenden Farbstoffen sichtbar gemacht.

 

 

 

 

 

Abb. 36

DNA Bakterien

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 37

Klonierung eines Froschs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 38

Sproßknospen

 

Abb. 39

Zwiebel

 

Abb. 40

verschiedene Knollen
und Zwiebeln

 

1Sprossknolle
2 Rhizom
3 Zwiebel
4 Wurzelknolle
5 Sprossknolle
6 Rhizom

 

 

 

 

 

Abb. 41

Stolone

 

 

 

 

 

Abb. 41

Wurzelsprosse

 

 

 

 

 

Abb. 431

Vermehrung von Volvox

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 44

Lebenszyklus von Blattläusen

 

 

 

 

 

 

Abb. 45

Parthenogenese bei Eidechsen

links eine trächtige Rennechse, die Embryonen sind ohne Befruchtung entstanden

 

Weiterführende Quellen:

Mitose und Zellzyklus

http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookTOC.html

Versch. Quellen zu Mitose

http://bioscience.org/news/scientis/mitosis.htm

Zweiteilung

http://sciences.aum.edu/bi/BI2033/thomson/binaryfission.html

Aufbau der Chromosomen

http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookTOC.html

DNA-Aufbau

http://www.accessexcellence.org/AB/WYW/index.html

Centrosom

http://www.med.uni-muenchen.de/phychem/zellbio/homepage.html

Centromer

http://opbs.okstate.edu/~melcher/MG/MGW1/MG1364.html

Telomere
Telomerase

http://www.uni-stuttgart.de/bio/zoologie/teloweb.htm
http://www.ibp.cz/labs/LDMC/23KF.pdf
http://www.biol.lu.se/cellorgbiol/telomere/proj_descr.html
http://www.bccrc.ca/tfl/people_plansdor.html

Vegetative Fortpflanzung

http://www.rrz.uni-hamburg.de/biologie/b_online/d38/38d.htm#apo

Vermehrung der Blattläuse

http://www.chu.cam.ac.uk/aphids/aphidomorpha.html

Klonierung

http://lena.jax.org:80/~jcs/techniques/techniques.html