Die Vermehrung der Zellen
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Biozusammenfassung: Kapitel 12 (deutsches Buch 11) Die Vermehrung der Zellen Vermehrung, Wachstum und Wundheilung von Organismen erfolgen durch Zellteilung Eine Zelle kann man nicht wie ein Käse einfach in zwei Hälften teilen ➝ zu komplex DNA muss in beide Tocherzellen gelangen Genom = gesamte erbliche DNA-Ausstattung einer Zelle (bei Bakterien DNA und Plasmide) Zelle, die sich teilt, kopiert alle ihre Gene. Bakterien vermehren sich durch Zellteilung Gene liegen auf nur einem Chromosom, welches aus einem ringförmigen DNA-Molekül besteht Bei Teilung muss aber gesamtes Genom kopiert werden (DNA und Plasmide) Bakterienchromosom ist an die Plasmamembran angemacht. Nach Kopiervorgang: zwei Chromosomen an Membran, zwischen ihnen wächst die Menbran. Wenn genug lang: Plasmamembran schnürt sich nach innen, zwei Tochterzellen entstehen. (siehe Buch) Das Genom einer Eukaryotenzelle ist auf mehreren Chromosomen Jede Eukary.Art besitzt in jedem Zellkern eine charakteristische Zahl von Chromosomen. Somatische Zellen: alle Körperzellen ausser Geschlechtszellen (Mensch: 46 Chromosomen) Gameten: Ei und Samenzelle (Mensch: 23 Chromosomen) Verdoppelung und Aufteilung der Chromosomen in der Mitose ➝ siehe Buch Mensch: Erbt 46 Chromosomen (von jedem Elternteil 23) ➝ Eizelle und Samenzelle verinigen sich zur Zygote ➝ viele Mitosen ➝➝➝ Billionen von Körperzellen Gameten entstehen durch Meiose (nur in Keimdrüsen oder Gonaden ➝ Hoden und Eierstöcke). Meiose = Reduktionsteilung Im Zellzyklus wechseln Mitose und Interphase ab Schema des Zellzyklus ➝ siehe Buch Mitosephase oder M-Phase, in der der Zellkern und das Cytoplasma geteilt wird (Mitose und Cytokinese), ist der kürzeste Teil des Zellzyklus! Interphase = Wachstumsperiode -Interphase ist lang: G1, S, G2 ➝ Wachstum der Zelle durch Proteinsynthese und Produktion cytoplasmatischer Organellen. Chromosomen werden nur in S verdoppelt (DNA-Synthese) -S-Phase = Synthese. Chromosomen werden verdoppelt -G = Gap (Lücke) Mitose wird unterteilt in: Pro-, Prometa-, Meta-, Ana- und Telophase Die Mitosespindel verteilt die Chromosomen auf die Tochterzellen 1 Biozusammenfassung: Kapitel 12 (deutsches Buch 11) Mitosespindel wird in Cytoplasma während der Prophase gebildet. Sie besteht aus Mikrotubuli und Proteinen. Mehrere parallele Mikrotubuli bilden eine Spindel. Der Zusammenbau der Mikrotubuli beginnt im Centrosom (➝ Organisationszentrum). Während der Interphase ➝ Verdoppelung des Centrosoms: beide Centrosome befinden sich angangs dicht beienander, erst in der Prometaphase stehen sie sich gegenüber (Zellpole). Kinetochor (Proteinkomplex) wird in der Prophase gebildet. Dieser lagert sich um das Centromer Am Kinet. werden die Kinetochorfasern gebildet ➝ verbinden sich mit Centrosom ➝Chromosome werden hin- und hergezogen bis sie geordnet (Prometaphase) auf einer Linie (Metaphaseplatte oder Äquatorialplatte) liegen. Anaphase: Teilung des Chromosoms an Centromer (Schwesterchromatide getrennt). Kinetochormikrotubuli verkürzen sich (depolymerisieren)➝ Chromatide wandern zu den Polen. Ende der Anaphase: 2 Chromosomensätze an entgegengesetzten Polen. Telophase: neue Zellkernhülle wird gebildet und Cytokinese (Teilung des Cytoplasmas) Cytokinese - Teilungsfurche entsteht leichte Vertiefung der Zelloberfläche in der Nähe der früheren Metaphaseplatte Vertiefung wegen kontraktilem Ring aus Actinfasern (an der Furche) ➝ zieht sich zusammen Bei Pflanzen: Cyotkinese völlig anders - keine Teilungsfurche, dafür entsteht eine Zellplatte (in Telophase), wo früher Metaphaseplatte war - Vesikel, welche vom Golgi-Apparat stammen, wandern zu dieser Metaphaseplatte, vereinigen sich, es entsteht eine Doppelmembran (Zellplatte) Innere und äussere Signale steuern die Zellteilung Geschwindigkeit unterschiedlich: Hautzellen teilen sich häufig, Nervenzellen überhaupt nicht mehr (beim Erwachsenen). Zellteilungsexperimente • Teilen sich nicht, wenn dem Kulturmedium ein wichtiger Nährstoff fehlt. Säugetierzellen teilen sich nur, wenn die Nährlösung Wachstumsfaktoren (Regulationssubstanzen) enthält. Bsp: Fibroblasten (Zellen des Bindegewebes) brauchen für Teilung PDGF (plated-derived growth factor), den von Blutplättchen abgeleiteten Wachstumsfaktor. An Zelloberfläche PDGFRezeptoren, falls PDGF bindet ➝ Teilung In vivo: Blutplättchen zerfallen in Nähe der Verletzung und setzen PDFG frei ➝ Vermehrung der Fibroblasten ➝ Heilung • Zelldichte: teilen sich bis eine Enzellschicht den Nährboden bedeckt (Monolayer). Überfüllung hemmt Zellteilung ➝ Dichteabhängige Zellteilungshemmung. Krebszellen haben dieses Phänomen nicht. Korrekter Ablauf des Zellzyklus ist entscheidend für das gesunde Überleben des Organismus. Daher gibt es bei Phasenübergänge Kontrollpunkte ➝ Qualitätskontrolle 2 Biozusammenfassung: Kapitel 12 (deutsches Buch 11) G1-Kontrollpunkt (Restriktionspunkt): vor DNA-Synthese (S-Phase) ➝ alles oder nichts Entscheidung; wenn okay ➝ Zellteilung wird eingeleitet. Zelle kann am Restriktionspunkt den Zellzyklus verlassen, Zelle tretet dann in G0-Phase ein. ➝ Zelle ist dann arretiert, im Ruhezustand, teilt sich nicht mehr. Z.B. Nervenzellen beim Menschen. Andere können wieder zurückgeholt werden z.B. Leberzellen. Bevor DNA-Synthese eingeleitet ➝ Zellen müssen gewisse Grösse haben, respektive Verhältnis von Volumengrösse der Zelle zu ihrer Genomgrösse muss Schwellwert übersteigen (Regulationsmechanismus). Als Zeitgeber der Mytose dienen zyklische Veränderungen von Regulatorproteinen Nach dem Restriktionspunkt ➝ kein Abbruch mehr möglich Heisst aber nicht, dass nun alles unkontrolliert abläuft: das eine beginnt erst, wenn das andere abgeschlossen ist. Regulatorproteine = molekulare Zeitgeber Diese gehören zu den Proteinkinasen ➝ Enzyme, welche Aktivität anderer Proteine kontrolliert ➝ phosphorylieren andere Proteine und können diese so regulieren ➝ das Zielprotein wird eingeschaltet. Ausschaltung durch Dephosphorylierung der Zielproteine mit Hilfe von Phosphatasen (Enzyme). Dritte Gruppe von Regulatorproteinen, die Cycline: ihre Konzentration wechselt zyklisch. Eine Proteinkinase, die zur Steuerung des Zellzyklus beiträgt, wird nur dann aktiv, wenn sie an ein bestimmtes Cyclin gekoppelt ist ➝ cyclineabhängige Proteinkinasen (CdK). Bsp: Mitose-Promotor-Faktor (MPF) ➝ Cyklin-CdK und Cyclin bilden Komplex. Dieser ist der Hauptschalter für Übergang Interphase ➝ Mitose (siehe Buch) Falls Cyklinkonzentration in G2-Phase hoch und sich mit Proteinkinasemolekülen verbunden, entsteht MPF-Komplex, welcher Prophase aktiviert. Am Ende der Mitose aktiviert MPF ein Enzym, welches Cykline abbaut. CdK verbleibt inaktiviert in der Zelle, kann sich später erneut mit Cyclin zusammenlagern, welches in der nächsten Interphase gebildet wird. G1-Phase ist die variabelste: hinsichtlich der Dauer, der Vielfalt äusserer und innerer Einflüsse auf die Zellteilung, Ernährungszustand, Wachstumsfaktoren u.a. ➝ all diese Faktoren bestimmen wiederum ob Restriktionspunkt zu überschreiten ist. Krebszellen haben sich von der Kontrolle des Zellzyklus befreit Teilen sich übermässig, wandern in andere Gewebe Krebs: bei Pflanzen, Mensch und Tier Reagieren nicht auf Signale, die das Wachstum und die Proliferation (= Vermehrung durch mitotische Teilung) von Zellen normalerweise zum Stillstand bringen, haben keine dichteabhängige Teilungshemmung. Stoppen erst, wenn keine Nährstoffe mehr vorhanden. Falls sie Teilung einstellen, dann an verschiedenen Stellen des Zellzyklus (nicht nur am Restriktionspunkt) Transformation: Umwandlung einer normalen zelle in eine Krebszelle 3 Biozusammenfassung: Kapitel 12 (deutsches Buch 11) Normalerweise werden entartete Zellen vom Immunsystem bekämpft, gelingt dies nicht, entsteht ein Tumor. • • benigner (gutartiger) Tumor: Zellen bleiben am Ursprungsort ➝ kein Problem, lassen sich entfernen maligner (bösartiger) Tumor: dringt in andere Gewebe, schädigt andere Organe ➝ Krebs Entartete Zellen: - keine Kontrolle über Teilung - können ungewöhliche Zahl von Chromosomen besitzen - gestörter Stoffwechsel - keine nützlichen Funktionen - können sich von Nachbarzellen lösen (➝ Veränderung der Zelloberfläche) ➝ Verteilung durch Blut- und Lymphkreislauf - Primärtumor kann so Metastasen (Tochtergeschwulste) bilden Bekämpfung: - energiereiche Strahlung - giftige chemische Wirkstoffe ➝ beide Methoden schädigen aber auch gesunde Zellen Krebs kann viele Ursachen haben, vor allem aber Veränderung von Genen. Problem: es gibt hunderte verschiedener Krebsarten. 4
