Zellzyklus, Replikation und Chromosomen

Wiederholung: Größenverhältnisse im DNA-Molekül

3‘ 5‘ Das größte menschliche Chromosomenthält 247 Millionen Basenpaare

Moleküllänge: 8.4 cm

Die „Länge“ des gesamten diploidenGenoms des Menschen beträgt 2.18 m

Aufgrund der Wechselwirkung desDNA-Moleküls mit speziellen Proteinen,den Histonen, kann es soweit aufge-wickelt werden, daß es bequem in einenZellkern paßt.

Chromosom

Wie wird nun die DNA verpackt, daßsie in einen Zellkern paßt und trotzdemrepliziert werden kann?

Die Zellteilung und der Zellzyklus

Die Zellteilung ist notwendig

a) zur identischen Reproduktion von Einzellern – Vermehrungb) zur Realisierung von Differenzierung und Wachstum von mehrzelligen Lebewesenc) zur Ersetzung gealterter, verbrauchter Zellen

Dazu muß

1. die genetische Information vollständig und fehlerfrei verdoppelt werden2. das Zytoplasma und die Zellorganellen auf beide Tochterzellen verteilt werden

ZELLZYKLUS

G1 – WachstumsphaseS – Synthesephase (DNA-Repl.)G2 – WachstumsphaseM – Mitosephase (Zellteilung)

G0 – Zellen können sich nicht mehr teilen

Apoptose – programm. Zelltod

Zellzyklus

Der Zellzyklus wird durch spezielle Proteine – Cycline –kontrolliert. Sie werden bei Erreichenbestimmter Punkte des Zyklus verstärkt expremiert. Eine Maximalkonzentration definierteinen Kontrollpunkt im Zyklus.

Beispiele: KP für DNA-Schäden / KP zur Einleitung der Mitosespindelbildung

Prokaryotische Zellteilung

Verdopplung der DNA-Ringe

Delokalisierung der DNA

Expression des FtsZ-Gensund Produktion des ent-sprechenden Zellteilungs-Proteins

Abschnürung der Tochterzellen

„SPALTUNG“

Dauer zwischen Zellteilungen ~ 40 MinutenCytokinese ~ 20 Minuten nach Replikation

Eukaryotische Zellteilung - Mitose

Das Hauptmerkmal der Mitose ist die Aufspaltung eines diploiden Chromosomen-satzes in zwei identische Chromosomensätze und ihre Aufteilung auf zwei Tochterzellen.

G1 – WachstumsphaseS – Synthesephase (DNA-Repl.)G2 – WachstumsphaseM – Mitosephase (Zellteilung)

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 inlockerer Struktur im Kernplasma vor:

rot – Kernporengrün – Kernmembranblau - Chromatin

Zellkern eine Zelleaus einer Maus

Der Prozeß der DNA-Replikation

Findet während der S-Phase des Zellzyklus statt. Die DNA liegt als Chromatin inder Zelle vor (es sind keine Chromosomen sichtbar).

3‘5‘

Enzyme, die an der Replikation beteiligt sind:

HelikasePrimase

DNA-LigaseDNA-Polymerase

Auftrennung des DNA-Moleküls durch eine DNA-Helikase

Die Aufgabe der DNA-Helikasebesteht darin, von einem bestimmten,durch eine spezifische Basenpaarungcharakterisierten Startpunkt (Origin)die Wasserstoffbrückenbindungenzwischen den Purin- und Pyrimidin-basen zu trennen und die Doppelhelixin zwei Einzelstränge aufzulösen. Zuvorwerden die Bindungen durch eine Topoisomerase gelockert.

Vom Startpunkt laufen zwei Helikasenin jeweils entgegengesetzter Richtungdurch das DNA-Molekül

In einer menschlichen Zelle werden pro Sekunde~500 Basenpaare gelöst

Replikationsgabel

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 eineunterschiedliche Richtung (5‘ bzw. 3‘) haben

Problem:Eine DNA-Polymerase kann einen Einzelstrangnur nach Durchlaufen in 5‘ nach 3‘ –Richtung replizieren

unterschiedlichen Replikationsmechanismender beiden Einzelstränge

Elongationsphase

In dieser Phase findet die eigentliche Vervielfältigung statt. Die beiden Stränge werdenzeitgleich, aber nach unterschiedlichen Verfahren komplementär synthetisiert.

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 Einzel-strang komplimentär ergänzen

Vorgänge am Vorwärts- oder Leitstrang kontinuierliche Replikation möglich

Vorgänge am Folge- oder Rückwärtsstrang kontinuierliche Replikation nicht möglich

1. DNA-Polymerase muß in Gegenrichtung, d.h. von der Replikationsgabel weg, laufen2. damit ist nur eine diskontinuierliche , stückweise Replikation möglich

- Schleifenbildung ermöglicht einer RNA-Polymerase (Primase) die Synthetisierungeines kurzen DNA-Stückes scheinbar entgegengesetzt zur (3‘-5‘ ) Richtung – RNA-Primer

- Daran baut eine DNA-Polymerase ein sogenanntes Okazi-Fragment an und zwar solange, bissie 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

Verlauf der diskontinuierlichen Replikation

Einzelstrangbindende Proteine

RNA-Primer

DNA-LigaseDNA-Polymerase I

Reparatur-Enzym

Vorwärts-Strang (rot)Helikase

Rückwärtsstrang (blau)

DNA-Polymerase III

Primase

Okasaki-Fragment

Animation des Vorgangs der DNA-Replikation

Terminierungssphase

Die Terminierung (Beendigung) erfolgt wenn

a) zwei Replikationsgabel aufeinander laufenb) 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 jeweilsdoppelter 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.

Kondensation des DNA-Fadensin ein Chromosom

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 zusammengehaltenwerden.

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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