3.1 Bau und Funktion der DNA
3.1.2 Replikation

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

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


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

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.

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

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.

Zusammenfassung der Mitose:

  • 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.

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

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 15

semikonservative Replikation

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

 

Abb. 19

Metaphasenchromosom

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 20

Plasmide

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 21

diploid - haploid

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

 

 

 

 

Abb. 22

Ablauf der Meiose

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.

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

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