2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_25 - Biologie

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Lernziele im Zusammenhang mit 2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_25

Definieren und erklären Sie die verschiedenen Vokabularbegriffe, die verwendet werden, um Mutationen zu beschreiben (Punkt, Deletion, Insertion, Nonsense, Frameshift, Null, Funktionsverlust und Funktionsgewinn) und in der Lage sein, ihren Einfluss auf die Proteinfunktion vorherzusagen.
Verwenden Sie eine Codon-Tabelle und Ihr Wissen über Proteinstruktur und -funktion, um Vorhersagen zu treffen, wie spezifische Veränderungen auf DNA-Ebene die Proteinstruktur und -funktion beeinflussen könnten.
Erklären Sie die möglichen verschiedenen Mechanismen, durch die Mutationen Veränderungen des Phänotyps verursachen können. Beziehen Sie Mutationen sowohl in proteinkodierenden Regionen als auch in nicht-proteinkodierenden Regionen in Ihre Diskussion ein.
Erklären Sie den potenziellen Einfluss von Mutationen auf die Spezifität und Affinität von Protein-DNA-Interaktionen und den potenziellen Einfluss dieser Mutationen auf die Genexpression.
Nennen Sie die Anforderungen an die Zellteilung und wie sich diese auf die verschiedenen Phasen des Zellzyklus beziehen.
Identifizieren Sie die Signale, die für den Eintritt in die verschiedenen Phasen des Zellzyklus verantwortlich sind, was passiert, wenn diesesind gestört, undwie unterschiedliche Regulierungsformen genutzt werden könnten.
Vergleichen und kontrastieren Sie die Abfolge von Ereignissen, die während auftreten müssen Mitose versus Meiose und warum sie notwendig sind: umfassen die Rolle von Mikrotubuli, Motorproteinen, Zentrosomen und den Grad der DNA-Kondensation.
Vergleichen und kontrastieren Sie das Verhalten von Schwesterchromatiden, Chromosomen und homologen Chromosomen in der Mitose gegenüber der Meiose.

Mutationen

Fehler, die während der DNA-Replikation auftreten, sind nicht der einzige Weg, durch den Mutationen in der DNA entstehen können. Induzierte Mutationen sind solche, die aus der Exposition gegenüber Chemikalien, UV-Strahlen, Röntgenstrahlen oder anderen Umwelteinflüssen resultieren. Spontane Mutationen ohne Exposition gegenüber Umwelteinflüssen auftreten; sie resultieren aus spontanen biochemischen Reaktionen, die innerhalb der Zelle stattfinden.

Mutationen können vielfältige Auswirkungen haben.

Einige Mutationenkeine beobachtbaren Auswirkungen erzeugen; wir nennen diese

stille Mutationen. Punktmutationen sind die Mutationen, die ein einzelnes Basenpaar betreffen. Die häufigsten Nukleotidmutationen sind Substitutionen,

bei dem eine Base durch eine andere ersetzt wird

. Diese können von zwei Arten sein, entweder Übergänge oder Transversionen. Übergangssubstitution bezeichnet ein Purin oder Pyrimidin, das durch eine Base der gleichen Art ersetzt ist; zum Beispiel,

ein Purin wie Adenin kann durch das Purin Guanin ersetzt werden

. Transversionssubstitution bezieht sich auf ein Purin, das durch ein Pyrimidin ersetzt wird, oder umgekehrt; zum Beispiel Cytosin, ein Pyrimidin,

ist ersetzt

durch Adenin, ein Purin. Mutationen können auch

das Ergebnis sein

das Anfügen eines Nukleotids, bekannt als Insertion, oder das Entfernen einer Base, auch bekannt als Deletion. Manchmal kann ein DNA-Stück von einem Chromosom auf ein anderes Chromosom oder in eine andere Region desselben Chromosoms verlagert werden;

das ist bekannt

als Translokation.

Wie wir später sehen werden, kann eine Mutation in einer proteinkodierenden Region mehrere Auswirkungen haben. Transitions- oder Transversionsmutanten können zu keiner Veränderung der Proteinsequenz führen (bekannt als stille Mutationen), ändern Sie die Aminosäuresequenz (bekannt als Missense-Mutationen) oder erstellen

was ist bekannt als

ein Stoppcodon (bekannt als a Unsinn Mutation). Insertionen und Deletionen in proteinkodierenden Sequenzen führen zu Frameshift-Mutationen. Missense-Mutationen, die zu führen konservative Veränderungen führt zur Substitution ähnlicher, aber nicht identischer Aminosäuren. Zum Beispiel würde die saure Aminosäure Glutamat die saure Aminosäure Aspartat ersetzen

in Betracht gezogen werden

konservativ. Wir erwarten nicht, dass diese Arten von Missense-Mutationen so schwerwiegend sind wie a nicht konservativ Aminosäureänderung; wie ein Glutamat, das ein Valin ersetzt. Aus unserem Verständnis der Chemie funktioneller Gruppen können wir richtig folgern, dass dies

Art der

Substitution kann je nach Ort der Mutation zu schwerwiegenden funktionellen Konsequenzen führen.

Hinweis: Vokabular Watch

Beachten Sie, dass der vorherige Absatz viele potenziell neue Vokabeln enthielt – es wäre eine gute Idee, diese Begriffe zu lernen.

Abbildung 1. Mutationen können zu Veränderungen der von der DNA kodierten Proteinsequenz führen.

Mutationen: Einige Nomenklaturen und Überlegungen

Mutation

Etymologisch bedeutet der Begriff Mutation eine Veränderung oder Veränderung. In der Genetik ist eine Mutation eine Veränderung des genetischen Materials – der DNA-Sequenz – eines Organismus. Im weiteren Sinne ist eine Mutante der Organismus, in dem eine Mutation aufgetreten ist. Aber was ist die Veränderung gegenüber? Die Antwort auf diese Frage ist, dass es darauf ankommt. Wir können den Vergleich mit dem direkten Vorläufer (Zelle oder Organismus) machen oderzuMuster, die in einer Population des fraglichen Organismus zu sehen sind. Das hängt vor allem vom konkreten Kontext der Diskussion ab. Da genetische Studien oft eine Population (oder wichtige Subpopulationen) von Individuen untersuchen, beschreiben wir zunächst den Begriff "Wildtyp".

Wildtyp vs Mutant

Was verstehen wir unter "Wildtyp"? Da die Definition kontextabhängig sein kann, ist dieses Konzept nicht ganz einfach. Hier sind ein paar Beispiele für Definitionen, auf die Sie stoßen könnten:

Mögliche Bedeutungenvom "Wildtyp"

Ein Organismus mit einem für die Art in einer natürlichen Brutpopulation charakteristischen Aussehen (d. h. Flecken eines Geparden und tränenähnliche dunkle Streifen, die sich von den Augen bis zum Mund erstrecken).
Die Form oder Formen eines Gens am häufigsten vorkommend in der Natur in agegebenSpezies.
Ein Phänotyp, Genotyp oder Gen das überwiegt in einer natürlichen Population von Organismen oder einem Stamm von Organismen im Gegensatz zu natürlichen oder im Labor mutierten Formen.
Das normale, im Gegensatz zum mutierten Gen oder Allel.

Der rote Faden aller oben aufgeführten Definitionen basiert auf

auf der "Norm" für eine Reihe von Merkmalen

in Gedenken an

ein spezifisches Merkmal im Vergleich zur Gesamtbevölkerung. Im "Pre-DNA-Sequenzierungszeitalter"

Arten wurden klassifiziert

basierend auf gemeinsamen Phänotypen (wie sie aussahen, wo sie lebten, wie sie sich verhielten usw.). Eine „Norm“

wurde gegründet

für die betreffende Sorte. Krähen haben zum Beispiel gemeinsame Merkmale, sie sind große, schwarze Vögel, die in bestimmten Regionen leben, bestimmte Arten von Nahrung fressen und sich auf eine bestimmte charakteristische Weise verhalten. Wenn wir einen sehen, wissen wir es

es ist

eine Krähe, die auf diesen Eigenschaften basiert. Wenn wir einen mit einem weißen Kopf sehen würden, würden wir denken

das

entweder ist es ein anderer Vogel (keine Krähe) oder eine Mutante, eine Krähe, die sich von der Norm oder vom Wildtyp unterscheidet.

In diesem Kurs nehmen wir das Gemeinsame an diesen unterschiedlichen Definitionen und übernehmen die Idee, dass "Wildtyp"

einfach

ein Referenzstandard, mit dem wir Mitglieder einer Population vergleichen können.

Mögliche NB-Diskussion Punkt

Wenn Sie einem Hund Wildtypmerkmale zuordnen würden, welche wären das? Was ist der Unterschied zwischen einem mutierten Merkmal und einer Variation eines Merkmals in einer Hundepopulation? Gibt es einen Wildtyp für einen Hund, den wir als Standard verwenden könnten? Wie würden wiranfangen zudenke über dieses Konzept nachin Gedenken anHunde?

Mutationen sindeinfachÄnderungen von der "Wildtyp-", Referenz- oder Elternsequenz für einen Organismus. Während der Begriff "Mutation" umgangssprachlich negativ besetzt ist, haben wirmussDenken Sie daran, dass Veränderung weder von Natur aus "schlecht" ist. Mutationen (Änderungen in Sequenzen) sollten nicht primärsei gedachtals "schlecht" oder "gut", aberehereinfachals Veränderungen und als Quelle genetischer und phänotypischer Vielfalt, auf der Evolution durch natürliche Selektion stattfinden kann. Natürliche Selektion bestimmt letztendlich die LangfristigkeitSchicksalvon Mutationen. Wenn die Mutation dem Organismus einen Selektionsvorteil verschafft, wird die Mutationausgewählt werdenund kann schließlich in der Bevölkerung sehr verbreitet werden. Umgekehrt, wenn die Mutation schädlich ist, stellt die natürliche Selektion sicher, dassdie Mutation geht verlorenaus der Bevölkerung. Wenn die Mutation neutral ist, also weder einen selektiven Vor- noch einen Nachteil bietet, kann sie in der Population bestehen bleiben. UnterschiedlichArten vonein Gen, einschließlich solcher, die mit "Wildtyp" und entsprechenden Mutanten in einer Population assoziiert sindwerden genanntAllele.

Folgen von Mutationen

Für ein Individuum kann die Folge von Mutationen wenig bedeuten oder Leben oder Tod bedeuten. Einige schädliche Mutationen sind Null oder schlagenMutationendie zu einem Funktionsverlust des Genprodukts führen. Diese Mutationen können durch eine Deletion von entstehendas entwederdas gesamte Gen, ein Teil des Gens oder durch eine Punktmutation in einer kritischen Region des Gens, die das Genprodukt funktionsunfähig macht. Diese Arten von Mutationen werden auch als bezeichnet Verlust der Funktion Mutationen. Alternativ können Mutationen zu einer Modifikation einer bestehenden Funktion führen (d. h. die Mutation kann die katalytische Effizienz eines Enzyms, eine Änderung der Substratspezifität oder eine Änderung der Struktur ändern). In seltenen Fällen kann eine Mutation eine neue oder verbesserte Funktion für ein Genprodukt schaffen;das wird oft erwähntzu als Funktionsgewinn Mutation.zuletzt, Mutationen können in nicht-kodierenden Regionen der DNA auftreten. Diese Mutationen können eine Vielzahl von Ergebnissen haben, einschließlich einer veränderten Regulation der Genexpression, Veränderungen der Replikationsraten oder strukturellen Eigenschaften der DNA und anderer nicht-proteinassoziierter Faktoren.

Mutationen und Krebs

Mutationen können entweder Körperzellen oder Keimzellen betreffen. Manchmal treten Mutationen in DNA-Reparaturgenen auf, wodurch die Fähigkeit der Zelle beeinträchtigt wird, andere möglicherweise auftretende Mutationen zu reparieren. Wenn,als Ergebnisvon Mutationen in DNA-Reparaturgenen häufen sich viele Mutationen in einer Körperzelle an, können sie zu Problemen wie der bei Krebs beobachteten unkontrollierten Zellteilung führen. Krebserkrankungen, einschließlich Formen von Bauchspeicheldrüsenkrebs, Dickdarmkrebs und Dickdarmkrebs, habenverbunden gewesenmit Mutationen wie diesen in DNA-Reparaturgenen. Wenn, im Gegensatz,eine Mutation bei der DNA-Reparatur in Keimzellen (Geschlechtszellen) auftritt, wird die Mutationübergagen werdenan die nächste Generation, alsIm Falle desKrankheiten wie Hämophilie und Xeroderma pigmentosa.Inder Fall von XerodermiePigmentoasenPersonen mit beeinträchtigten DNA-Reparaturprozessen werden sehr empfindlich gegenüber UV-Strahlung. In schweren Fällen können diese Personen bereits nach wenigen Minuten der Sonne schwere Sonnenbrände erleiden. Fast die Hälfte aller Kinder mit dieser Erkrankung entwickelt im Alter von 10 Jahren ihren ersten Hautkrebs.

Folgen von Fehlern bei Replikation, Transkription und Übersetzung

Etwas Wichtiges zum Nachdenken:

Zellen haben eine Vielzahl von Möglichkeiten entwickelt, um sicherzustellen, dass DNA-Fehler sowohl erkannt als auch korrigiert werden.RomKorrekturlesen durch die verschiedenen DNA-abhängigen DNA-Polymerasen bis hin zu komplexeren Reparatursystemen. Warum haben sich so viele Mechanismen entwickelt, um Fehler in der DNA zu reparieren?Im Gegensatz dazu ähnlichKorrekturlesemechanismen wurden NICHT für Fehler bei der Transkription oder Übersetzung entwickelt. Warum könnte das sein? Was wären die Folgen eines Fehlers in Transkription? Würde sich ein solcher Fehler auf die Nachkommen auswirken? Wäre es tödlich für die Zelle? Wie wäre es mit Übersetzung? Stellen Sie die gleichen Fragen zum Übersetzungsprozess. Was würde passieren wenndie falsche Aminosäure wurde versehentlich eingefügtin das wachsende Polypeptid während der Translation eines Proteins? Vergleichen Sie dies mit der DNA-Replikation.

Mutationen als Instrumente der Veränderung

Durch Mutationen können sich Populationen an sich ändernde Umweltbelastungen anpassen

Mutationenwerden zufällig erstelltim Genom jedes Organismus, und dasim Gegenzugerzeugt genetische Vielfalt und eine Fülle verschiedener Allele pro Gen pro Organismus in jeder Population auf dem Planeten. Wenn keine Mutationen aufgetreten sind und Chromosomenwurden repliziertund 100% treu übertragen, wie würden sich Zellen und Organismen anpassen? Ob die Evolution Mutationen in einer Population hält, hängt davon ab, ob die Mutation einen Selektionsvorteil bietet, selektive Kosten verursacht oderistzumindest nicht schädlich.Tatsächlich, Mutationendie neutral erscheinen, können in der Population über viele Generationen verbleiben und nur dann sinnvoll sein, wenn eine Populationwird herausgefordertmit einer neuen ökologischen Herausforderung.An diesem Punkt,dasanscheinend können zuvor neutrale Mutationen einen selektiven Vorteil bieten.

Beispiel: Antibiotikaresistenz

Das Bakterium E coli ist empfindlich gegenüber einem Antibiotikum namens Streptomycin, das die Proteinsynthese durch Bindung an das Ribosom hemmt.Das ribosomale ProteinL12kann mutiert werdenso dass Streptomycin nicht mehr an das Ribosom bindet und die Proteinsynthese hemmt. Wildtyp- und L12-Mutanten wachsen gleichGutund die Mutation scheint im neutral zu seinFehlen des Antibiotikums. In demAnwesenheit des AntibiotikumsWildtypZellen sterben und L12-Mutanten überleben. Dieses Beispiel zeigt, wie wichtig die genetische Vielfalt für das Überleben der Bevölkerung ist. Wenn Mutationen nicht zufällig aufgetreten sind, wenn die Populationwird herausgefordertDurch ein Umweltereignis, wie die Exposition gegenüber Streptomycin, würde die gesamte Bevölkerung sterben. Für die meisten Bevölkerungen wird dies zu einem Zahlenspiel. Wenn die Mutationsrate 10 . beträgt^-6 dann eine Bevölkerung von 10⁷ Zellen hätten 10 Mutanten; eine Bevölkerung von 10⁸ hätte 100 Mutanten usw.

Unkorrigierte Fehler bei der DNA-Replikation führen zu Mutationen. In diesem Beispiel,ein unkorrigierter Fehler wurde übergebenauf eine bakterielle Tochterzelle. Dieser Fehler liegt in einem Gen, das für einen Teil des Ribosoms kodiert. Die Mutation führt zu einer anderen endgültigen 3D-Struktur des Ribosomenproteins. WährendWildtypRibosom kann an Streptomycin (ein Antibiotikum, das die Bakterienzelle durch Hemmung der Ribosomenfunktion tötet) binden, das mutierte Ribosom kann nicht an Streptomycin binden.DiesBakterienistjetzt resistent gegen Streptomycin.
Quelle: Bis2A Team Originalbild

Ein Beispiel: Laktatdehydrogenase

Laktatdehydrogenase (LDH), das Enzym, das bei der Fermentation den Abbau von Pyruvat zu Milchsäure katalysiert, während praktisch jeder Organismus diese Aktivität besitzt, unterscheidet sich das entsprechende Enzym und damit Gen zwischen Mensch und Bakterie immens.Die Proteine sind eindeutigverbunden,sie erfüllen die gleiche Grundfunktion, weisen jedoch eine Vielzahl von Unterschieden auf, von Substratbindungsaffinitäten und Reaktionsgeschwindigkeiten bis hin zu optimalen Salz- und pH-Anforderungen. Jedes dieser Attribute hatevolutionär gestimmtfür jeden spezifischen Organismus durch mehrere Mutations- und Selektionsrunden.

Mögliche NB-Diskussion Punkt

Wir können vergleichende DNA-Sequenzanalysen verwenden, um Hypothesen über die evolutionären Beziehungen zwischen drei oder mehr Organismen aufzustellen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die DNA- oder Proteinsequenzen von Proteinen zu vergleichen, die in jedem der Organismen, die wir vergleichen möchten, gefunden werden. Stellen wir uns zum Beispiel vor, wir würden die Sequenzen der Laktatdehydrogenase (LDH) von drei verschiedenen Organismen vergleichen. Das folgende Schema zeigt die Primärstrukturen der LDH-Proteine der Organismen A, B und C. Die Buchstaben in der Mitte des Liniendiagramms der Proteine repräsentieren Aminosäuren an einer einzigartigen Position und die vorgeschlagenen Unterschiede in den einzelnen Sequenzen (Attribution:Marc T. Facciotti [Originalwerk]). Frage: Ist Organismus C näher mit Organismus A oder B verwandt? Die einfachste Erklärung ist, dass Organismus A die früheste Form ist, eine Mutation trat auf, die zu Organismus B führte. Im Laufe der Zeit entstand eine zweite Mutation in der B-Linie, die zu dem in Organismus C gefundenen Enzym führte andere Möglichkeiten nicht ausschließen. Können Sie sich andere Möglichkeiten vorstellen, die anders sind?Arten vondas LDH-Enzym in diesen drei Organismen entstanden ist?

Anwendung im wirklichen Leben:

Wie wir im Modul "Mutationen und Mutanten" gesehen haben, kann bereits die Änderung nur eines Nukleotids große Auswirkungen auf das translatierte Produkt haben. Lesen Sie hier mehr über die Arbeit eines Studenten zu Punktmutationen und GVO.

GLOSSAR

induzierte Mutation:: Mutationdie aus der Exposition gegenüber Chemikalien oder Umwelteinflüssen resultieren

Mutation:: Variation in der Nukleotidsequenz eines Genoms

Reparatur von Fehlanpassungen:: Art des Reparaturmechanismus, bei demnicht übereinstimmende Basen werden entferntnach der Replikation

Nukleotidexzisionsreparatur:: Art des DNA-Reparaturmechanismus, bei dem die falsche Base zusammen mit einigen Nukleotiden stromaufwärts oder stromabwärts,werden entfernt

Korrekturlesen:: Funktion der DNApolin dem es die neu hinzugefügte Basis liest, bevor die nächste hinzugefügt wird

Punktmutation:: Mutationdas betrifft eine einzelne basis

stille Mutation:: Mutationdaswird nicht ausgedrückt

spontane Mutation:: Mutationdas findet in den Zellen stattals Ergebnisvon chemischen Reaktionen, die auf natürliche Weise ohne Einwirkung von äußeren Einflüssen ablaufen

Übergangssubstitution:: wenn ein purinist ersetztmit einem Purin oder einem Pyrimidinist ersetztmit einem anderen Pyrimidin

Transversionsersatz:: wenn ein purinist ersetztdurch ein Pyrimidin oder ein Pyrimidinist ersetztdurch ein Purin

Eukaryontischer Zellzyklus und Mitose

Der Zellzyklus ist eine geordnete Abfolge von Ereignissen, die von biologischen Systemen verwendet wird, um die Zellteilung zu koordinieren. Bei Eukaryoten verläuft die asexuelle Zellteilung über einen Zellzyklus, der mehrere räumlich und zeitlich koordinierte Ereignisse umfasst. Dazu gehört eine lange Vorbereitungszeit, genannt Zwischenphase, und ein mitotisch Phase, die als M-Phase bezeichnet wird. Die Interphase wird oft weiter in unterscheidbare Subphasen unterteilt, die als bezeichnet werden g₁, S, und g₂ Phasen. Mitose istdas Stadium, in dem replizierte DNA verteilt wirdzu Tochterzellen und wird selbst oft in fünf unterscheidbare Stadien unterteilt: prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, und Telophase. Mitosewird oft begleitetdurch einen Prozess namens Zytokinese, bei der die zytoplasmatischen Komponenten der Tochterzellengetrennt seinentweder durch einehandelndRing (Tierzellen) oder pro ZelleTellerBildung (Pflanzenzellen). Der Durchgang durch diese Phasenwerden kontrolliertdurch Kontrollpunkte. Es gibt drei wichtige Kontrollpunkte im Zellzyklus: einen am Ende von G₁, eine Sekunde am G₂–M Übergang und der dritte während der Metaphase. Diese regulatorischen Prüfungen stellen sicher, dass die Prozesse, die für einen erfolgreichen Übergang in die nächste Phase des Zellzyklus erforderlich sindvollständig abgeschlossenund dass genügend Ressourcen vorhanden sind, um zur nächsten Phase der Zellteilung überzugehen.

Zellzyklus

Bei sich asexuell vermehrenden eukaryotischen Zellen ist eine „Umdrehung“ des Zellzyklusbesteht auszwei allgemeine Phasen: Zwischenphase, gefolgt von Mitose und Zytokinese. Interphase ist die Periode des Zellzyklus, während der die Zelle entweder lebt und sich nicht teilt oder sich auf die Teilung vorbereitet. Die meisten Zellen in avoll entwickeltVielzellige Organismen leben typischerweise in der Interphase. Mitose ist der Punkt im Zellzyklus, der mit der Teilung oder Verteilung von repliziertem genetischem Material an zwei Tochterzellen verbunden ist. Während der Mitose zerfällt der Zellkern und es bilden sich zwei neue, voll funktionsfähige Kerne. Zytokinese ist der Prozess, der das Zytoplasma in zwei unterschiedliche Zellen teilt.

Zwischenphase

G1-Phase

Die erste Phase der Interphasewird genanntdas G1-Phase, oder erste Lücke, weil wenig Veränderung sichtbar ist. Während der G₁ Stufe, die Zelle istganzauf biochemischer Ebene aktiv. Die Zelle akkumuliert die Bausteine der chromosomalen DNA und der damit verbundenenProteine,und das Ansammeln von genügend Energiereserven, um die Replikation jedes Chromosoms im Zellkern abzuschließen.

Eine Zelle durchläuft geordnet eine Reihe von Phasen. Während der Zwischenphase ist G₁ umfasst das Zellwachstum und die Proteinsynthese, die S-Phase umfasst die DNA-Replikation und die Replikation des Zentrosoms, und G₂ beinhaltet weiteres Wachstum und Proteinsynthese. Die mitotische Phase folgt der Interphase. Mitose ist eine Kernteilung, bei der duplizierte Chromosomensind getrenntund in Tochterkerne verteilt. Normalerweise teilt sich die Zelle nach der Mitose in einem Prozess namens Zytokinese, bei demdas Zytoplasma ist geteiltundzwei Tochterzellen werden gebildet.

S-Phase

Während der Interphase verbleibt die Kern-DNA in einer halbkondensierten Chromatin-Konfiguration. In S-Phase (Synthesephase) führt die DNA-Replikation zur Bildung von zwei identischen Kopien jedes Chromosoms –Schwesterchromatiden-das

sind fest verbunden

in der Zentromerregion. Am Ende dieser Phase,

jedes Chromosom wurde repliziert

In Zellen mit den Organellen namens Zentrosomen,

diese Strukturen werden oft dupliziert

während der S-Phase. Zentrosomen

besteht aus

ein paar stabförmige Zentriolen bestehend aus Tubulin und anderen Proteinen, die im rechten Winkel zueinander sitzen. Die beiden resultierenden Zentrosomen führen zu dem mitotische Spindel, der Apparat, der die Bewegung der Chromosomen später während der Mitose orchestriert.

G2-Phase

Während der G2-Phase, oder zweite Lücke, füllt die Zelle ihre Energiespeicher auf und synthetisiert die für die Chromosomenmanipulation notwendigen Proteine. Einige Zellorganellenwerden dupliziert, unddasZytoskelettwird demontiertum Ressourcen für die mitotische Spindel bereitzustellen. Während G . kann es zu zusätzlichem Zellwachstum kommen₂.Die letzten Vorbereitungen für die mitotische Phase müssen abgeschlossen seinvor der Zelleist in der Lage ... zu tunin die erste Phase der Mitose eintreten.

G0-Phase

Nicht alle Zellen halten sich an das klassische Zellzyklusmuster, bei dem eine neu gebildete Tochterzelle sofort in die Interphase eintritt, dicht gefolgt von der mitotischen Phase. Zellen im G0-Phase bereiten sich nicht aktiv auf eine Teilung vor. Die Zelle befindet sich in einem ruhenden (inaktiven) Stadium, nachdem sie den Zellzyklus verlassen hat. Einige Zellen geben G . ein₀ vorübergehend, bis ein externes Signal das Einsetzen von G . auslöst₁. Andere Zellen, die sich nie oder selten teilen, wie reife Herzmuskel- und Nervenzellen, verbleiben in G₀ permanent.

Kurz beiseite: Struktur der Chromosomen während des Zellzyklus

Wenn wir die DNA von allen 46 Chromosomen Ende an Ende anordnen, würde sie ungefähr zwei Meter messen; sein Durchmesser wäre jedoch nur 2nm. Wenn man bedenkt, dass die Größe einer typischen menschlichen Zelle etwa 10 . beträgtµm(100.000 Zellen, die auf einen Meter aufgereiht sind), muss die DNA eng gepackt werden, damit sie in den Zellkern passt.Gleichzeitig ist esmüssen auch für die Gene leicht zugänglich seinausgedrückt werden. Während einiger Stadien des Zellzyklus werden die langen DNA-Stränge zu kompakten Chromosomen kondensiert. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Chromosomensind verdichtet.

Doppelsträngige DNA wickelt sich um Histonproteine, um Nukleosomen zu bilden, die wie „Perlen an einer Schnur“ erscheinen.DieNukleosomensind aufgerolltin eine 30-nmChromatinfasern. Wenn eine Zelle eine Mitose durchmacht, kondensieren die Chromosomen noch weiter.

Mitose und Zytokinese

Während der mitotische Phase, durchläuft eine Zelle zwei Hauptprozesse. Zuerst vervollständigt es die Mitose, während der der Inhalt des Kernssind gleichmäßig gezogenauseinander und auf seine beiden Hälften verteilt. Zytokinese dann erfolgt die Aufteilung des Zytoplasmas und des Zellkörpers in zwei neue Zellen.

Notiz

Die Hauptphasen der Mitose unterscheiden sich optisch voneinander undwurden ursprünglich charakterisiertdurch was könntegesehen werdenindem man sich teilende Zellen unter einem Mikroskop betrachtet. Einige Lehrer fragen Sie möglicherweise, ob Sie in der Lage sind, jeden zu unterscheidenPhaseBetrachten Sie Bilder von Zellen oder häufiger durch die Betrachtung von Cartoon-Darstellungen der Mitose. Wenn Ihr Lehrer diesen Punkt nicht explizit erwähnt, denken Sie daran, zu fragen, obdas wird erwartetvon dir.

Die Stadien der Zellteilung überwachen die Trennung von identischem genetischem Material in zwei neue Kerne, gefolgt von der Teilung des Zytoplasmas.Die Mitose tierischer Zellen ist geteiltin fünf Stadien – Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase und Telophase – hier durch Lichtmikroskopie mit Fluoreszenz visualisiert. Mitosewird normalerweise begleitetdurch Zytokinese, hier durch ein Transmissionselektronenmikroskop gezeigt. (Kredit "Diagramme": Änderung der Arbeit durchMariana RuizVillareal; Kredit "Mitose-Mikrographien": Änderung der Arbeit von Roy vanHeesbeen; Kredit "Zytokinese-Mikrographie": Änderung der Arbeit des Wadsworth Center, NY State Department of Health; gespendet an dieWikimediaStiftung; Maßstabsbalkendaten von Matt Russell)

Prophase

Prophase ist die erste Phase der Mitose, in der sich das lose gepackte Chromatin zusammenrollt und zu sichtbaren Chromosomen kondensiert. Während der Prophase wird jedes Chromosom mit seinem identischen Partner sichtbar (Schwesterchromatid) befestigt und bildet die bekannte X-Form der Schwesterchromatiden. Der Nukleolus verschwindet in dieser Phase früh und auch die Kernhülle zerfällt.

Ein wichtiges Vorkommen während der Prophase betrifft eine sehr wichtige Struktur, die die Ursprungsstelle für das Mikrotubuli-Wachstum enthält. Zelluläre Strukturen, die als Zentriolen bezeichnet werden und als Ausgangspunkte dienen, von denen Mikrotubuli ausgehen. Diese winzigen Strukturen spielen auch während der Mitose eine sehr wichtige Rolle. EIN Zentrosom ist ein Paar Zentriolen zusammen. Die Zelle enthält zwei Zentrosomen nebeneinander, dieanfangen zubewegen sich während der Prophase auseinander. Wenn die Zentrosomen zu zwei verschiedenen Seiten der Zelle wandern, werden Mikrotubulianfangen zustrecken sich von jedem aus wie lange Finger von zwei Händen, die sich aufeinander zu strecken. Die mitotische Spindel ist die Struktur, die aus den Zentrosomen und ihren entstehenden Mikrotubuli besteht.

Gegen Ende der Prophase kommt es zu einer Invasion des Kernbereichs durch Mikrotubuli aus der mitotischen Spindel. Die Kernmembran ist zerfallen und die Mikrotubuli heften sich an die Zentromere, die an Paare von Schwesterchromatiden angrenzen. Die Kinetochor ist eine Proteinstruktur auf dem Zentromer, die die Bindungsstelle zwischen der mitotischen Spindel und den Schwesterchromatiden darstellt.Diese Phase wird bezeichnetals späte Prophase oder „Prometaphase“ zuangebenÜbergang zwischen Prophase und Metaphase.

Metaphase

Die Metaphase ist die zweite Phase der Mitose. Während dieser Phase reihen sich die Schwesterchromatiden mit ihren daran befestigten Mikrotubuli entlang einer linearen Ebene in der Mitte der Zelle auf. Zwischen den Zentrosomen bildet sich eine Metaphasenplatte, diebefinden sich jetztan beiden Enden der Zelle. Die Metaphaseplatte ist die Bezeichnung für die Ebene durch die Mitte der Spindel, auf derdie SchwesterChromatidensind positioniert. Die Mikrotubulisind jetzt bereitdie Schwesterchromatiden auseinander zu ziehen und eines von jedem Paar auf jede Seite der Zelle zu bringen.

Anaphase

Anaphase ist das dritte Stadium der Mitose. Anaphase findet über einige Minuten statt, wenn die Paare der Schwesterchromatidengetrennt seinvoneinander und bilden wieder einzelne Chromosomen.Diese Chromosomen werden gezogendurch ihre Kinetochore zu den gegenüberliegenden Enden der Zelle, da sich die Mikrotubuli verkürzen. Jedes Ende der Zelle erhält einen Partner von jedem Schwesterchromatidpaar, wodurch sichergestellt wird, dass die beiden neuen Tochterzellen identisches genetisches Material enthalten.

Telophase

Die Telophase ist das letzte Stadium der Mitose.Telophaseist charakterisiertdurch die Bildung von zwei neuen Tochterkernen an beiden Enden der sich teilenden Zelle. Diese neu gebildeten Kerne umgeben das genetische Material, das sich so entfaltet, dass die Chromosomen zu locker gepacktem Chromatin zurückkehren. Nukleolen tauchen auch innerhalb der neuen Kerne wieder auf, und die mitotische Spindel bricht auseinander, wobei jede neue Zelle ihr eigenes Komplement an DNA, Organellen, Membranen und Zentriolen erhält.An dieser Stelle ist dieDie Zelle beginnt sich bereits zu teilen, wenn die Zytokinese beginnt.

Zytokinese

Die Zytokinese ist der zweite Teil der mitotischen Phase, in der die Zellteilungabgeschlossendurch die physikalische Trennung der zytoplasmatischen Komponenten in zwei Tochterzellen. Obwohl die Stadien der Mitose bei den meisten Eukaryoten ähnlich sind, ist der Prozess der Zytokineseganzbei Eukaryoten mit Zellwänden, wie Pflanzenzellen, anders.

In Zellen wie tierischen Zellen, dieMangelZellwände, Zytokinesebeginnt nachder Beginn der Anaphase. Ein kontraktiler Ring aus Aktinfilamenten bildet sich direkt innerhalb der Plasmamembran an der ehemaligen Metaphasenplatte. Die Aktinfilamente ziehen den Äquator der Zelle nach innen und bilden eine Fissur. Dieser Riss oder „Riss“wird genanntdas Spaltfurche. Die Furche vertieft sich, während diehandelndRing kontrahiert und schließlich Membran und Zellesind gespaltenin zwei (siehe Abbildung unten).

In Pflanzenzellen ist eine Spaltfurche wegen der die Plasmamembran umgebenden starren Zellwände nicht möglich. Zwischen den Tochterzellen muss sich eine neue Zellwand bilden. Während der Interphase sammelt der Golgi-Apparat Enzyme, Strukturproteine und Glukosemoleküle, bevor er in Vesikel zerfällt und sich in der sich teilenden Zelle verteilt. Während der Telophase bewegen sich diese Golgi-Vesikel auf Mikrotubuli, um sich an der Metaphase-Platte zu sammeln. Dort verschmelzen die Vesikel von der Mitte zu den Zellwänden; diese Strukturwird genanntein Zellplatte. Wenn mehr Vesikel verschmelzen, vergrößert sich die Zellplatte, bis sie mit der Zellwand an der Peripherie der Zelle verschmilzt. Enzyme verwenden die Glukose, die sich zwischen den Membranschichten angesammelt hat, um eine neue Zellwand aus Zellulose aufzubauen. Die Golgi-Membranen werden auf beiden Seiten der neuen Zellwand zur Plasmamembran (siehe PanelBin der Abbildung unten).

In Teil (a) bildet sich an der ehemaligen Metaphasenplatte in der Tierzelle eine Spaltfurche.Die Plasmamembran wird gezeichnetin durch einen Ring vonhandelndFasern, die sich gerade innerhalb der Membran zusammenziehen. Die Spaltfurche vertieft sich bisdie Zellen sind eingeklemmtin zwei. Teilweise (B) verschmelzen Golgi-Bläschen an der ehemaligen Metaphasenplatte einer Pflanzenzelle. Die Vesikel verschmelzen und bilden die Zellplatte. Die Zellplatte wächst von der Mitte zu den Zellwänden.Neue Zellwände werden gemachtaus dem Bläscheninhalt.

ZellzyklusKontrollpunkte

Es ist wichtig, dass Tochterzellen nahezu exakte Duplikate der Elternzelle sind. Fehler bei der Vervielfältigung oder Verteilung der Chromosomen führen zu Mutationen, die an jede neue Zelle weitergegeben werden können, die aus der abnormalen Zelle hervorgegangen ist. Um zu verhindern, dass sich eine kompromittierte Zelle weiter teilt, gibt es interne Kontrollmechanismen, die auf drei Zellzyklus-Checkpoints bei welchemder Zellzyklus kann gestoppt werdenbis die Bedingungen günstig sind. Diese Kontrollpunkte treten gegen Ende von G . auf₁, am G₂–M-Übergang und während der Metaphase (siehe Abbildung unten).

Der Zellzyklus wird kontrolliertan drei Kontrollpunkten.Integrität der DNA wird bewertetam G₁ Kontrollpunkt.Die korrekte Chromosomenduplikation wird beurteiltam G₂ Kontrollpunkt.Befestigung von jedemKinetochorzu einer Spindelfaser wird bewertetam M-Checkpoint.

G1 Kontrollpunkt

Das G₁ Checkpoint bestimmt, ob alle Bedingungen günstig sind, damit die Zellteilung in die S-Phase übergeht, in der die DNA-Replikation stattfindet. Das G₁ Checkpoint, auch Restriktionspunkt genannt, ist der Punkt, an dem sich die Zelle irreversibel auf den Zellteilungsprozess einlässt. Neben ausreichenden Reserven und Zellgröße wird am G . auf Schäden an der genomischen DNA geprüft₁ Kontrollpunkt.Eine Zelle, die nicht alle Anforderungen erfüllt, wird nicht freigegebenin die S-Phase.

G2-Checkpoint

Das G₂ Checkpoint-Barsder Eintritt in die mitotische Phase, wenn bestimmte Bedingungen nicht erfüllt sind. Wie im G₁ Checkpoint, Zellgröße und ProteinReserven werden bewertet. Die wichtigste Rolle der G₂ Checkpoint soll sicherstellen, dassalle derChromosomen habenwurde repliziertund dass die replizierte DNAist nicht beschädigt.

M Kontrollpunkt

Der M-Checkpoint tritt gegen Ende des Metaphase-Stadiums der Mitose auf.Der M-Checkpoint ist auch bekanntals Spindel-Checkpoint, weil er bestimmt, ob alle Schwesterchromatidensind richtig befestigtzu den Spindelmikrotubuli. Da die Trennung der Schwesterchromatiden während der Anaphase ein irreversibler Schritt ist, wird der Zyklus nicht fortgesetzt, bis die Kinetochore jedes Paares von Schwesterchromatidensind fest verankertzu Spindelfasern, die von entgegengesetzten Polen der Zelle ausgehen.

Notiz

Beobachten Sie, was beim G . passiert₁, G₂, und M Checkpoints, indem Sie diese Animation des Zellzyklus besuchen.

Wenn der Zellzyklus außer Kontrolle gerät

Die meisten Menschen verstehen, dass Krebs oder Tumorewerden verursachtdurch abnorme Zellen, die sich ständig vermehren. Wenn sich die abnormalen Zellen unaufhaltsam teilen, können sie das umliegende Gewebe schädigen, sich auf andere Körperteile ausbreiten und schließlich zum Tod führen. In gesunden Zellen verhindern die strengen Regulationsmechanismen des Zellzyklus dies, während Ausfälle der Zellzykluskontrolle eine unerwünschte und übermäßige Zellteilung verursachen können.Kontrollversagen können durch vererbte genetische Anomalien verursacht werden, die die Funktion bestimmter „Stopps“ beeinträchtigen“ und “go”-Signale. Umwelteinflüsse, die die DNA schädigen, können auch zu einer Fehlfunktion dieser Signale führen. Häufig führt eine Kombination aus genetischer Veranlagung und Umweltfaktoren zu Krebs.

Der Prozess, bei dem eine Zelle ihrem normalen Kontrollsystem entkommt und krebsartig wird, kannGenau genommenpassiert im ganzen Körperganzhäufig. Glücklicherweise können bestimmte Zellen des Immunsystems krebserregende Zellen erkennen und zerstören. In bestimmten Fällen bleiben die Krebszellen jedoch unentdeckt und vermehren sich weiter. Wenn der resultierende Tumor keine Gefahr für das umliegende Gewebe darstellt, ist erIch sagtegutartig sein und kann normalerweiseleicht entfernt werden. Falls schadensfähig, kann der Tumorgilt alsmaligneundder Patient wird diagnostiziertmit Krebs.

Homöostatische Ungleichgewichte: Krebs entsteht aus homöostatischen Ungleichgewichten

Krebs istEin extremkomplexer Zustand, der aus einer Vielzahl von genetischen und umweltbedingten Ursachen entstehen kann. Typischerweise führen Mutationen oder Aberrationen in der DNA einer Zelle, die normale Kontrollsysteme des Zellzyklus beeinträchtigen, zu Krebstumoren. Die Zellzykluskontrolle ist ein Beispiel für einen homöostatischen Mechanismus, der die richtige Zellfunktion und Gesundheit aufrechterhält. Während des Fortschreitens durch die Phasen des Zellzyklus liefern eine Vielzahl intrazellulärer Moleküle Stop-and-Go-Signale, um die Bewegung in die nächste Phase zu regulieren.Diese Signale bleiben erhaltenin einem komplizierten Gleichgewicht, so dass die Zelle erst dann in die nächste Phase übergeht, wenn sie bereit ist.Diese homöostatische Kontrolle des Zellzyklus kann man sich vorstellenwie der Tempomat eines Autos. Der Tempomat wird kontinuierlich genau das richtige Maß an Beschleunigung anwenden, um eine gewünschte Geschwindigkeit beizubehalten, es sei denn, der Fahrer tritt auf die Bremse. In diesem Fall wird das Auto langsamer. Ebenso enthält die Zelle molekulare Botenstoffe, wie zZyklen, die die Zelle in ihrem Zyklus vorantreiben.

Zusätzlich zuZyklen, eine Klasse von Proteinen, diesind verschlüsseltvon Genen, die Proto-Onkogene genannt werden, liefern wichtige Signale, die den Zellzyklus regulieren und vorantreiben. Beispiele für proto-onkogene Produkte umfassen Zelloberflächenrezeptoren für Wachstumsfaktoren oder Zellsignalmoleküle, zwei Klassen von Molekülen, die die DNA-Replikation und Zellteilung fördern können. Im Gegensatz dazu sendet eine zweite Klasse von Genen, die als Tumorsuppressorgene bekannt sind, während eines Zellzyklus Stoppsignale. So signalisieren bestimmte Proteinprodukte von Tumorsuppressorgenen potenzielle Probleme mit der DNA und verhindern so die Zellteilung, während andere Proteine signalisierendie Zelle stirbt, wenn sie beschädigt istnicht mehr zu reparieren. Einige Tumorsuppressorproteine signalisieren auch eine ausreichende umgebende Zelldichte, diezeigt andass die Zelle nicht brauchtgegenwärtigTeilen. Letztere Funktion ist bei der Verhinderung des Tumorwachstums von einzigartiger Bedeutung: normale Zellen zeigen ein Phänomen, das als „Kontakthemmung“ bezeichnet wird;“ So verursacht ein ausgedehnter Zellkontakt mit benachbarten Zellen ein Signal, das die weitere Zellteilung stoppt.

Diese beiden gegensätzlichen Klassen von Genen, Proto-Onkogene und Tumorsuppressorgene, sind wie das Gas- bzw. Bremspedal des zelleigenen „Cruise Control Systems“. Unter normalen Bedingungen halten diese an und gehenSignale werden gehaltenim homöostatischen Gleichgewicht. AllgemeinApropos, gibt es zwei Möglichkeiten, wie der Tempomat der Zelle die Kontrolle verlieren kann: ein defektes (überaktives) Gaspedal oder eine defekte (unteraktive) Bremse. Wenn durch eine Mutation kompromittiert oder anderweitig verändert, können Proto-Onkogeneumgewandelt werdenzu Onkogenen, dieOnkoproteinedie eine Zelle in ihrem Zyklus vorantreiben und die Zellteilung anregen, auch wenn dies unerwünscht ist. Zum Beispiel eine Zelle, dieprogrammiert werdensich selbst zerstören (ein Prozess namens Apoptose)wegenumfangreiche DNA-Schäden könnten stattdessenausgelöst werdendurch ein Onkoprotein zu vermehren.Auf der anderen Seite aDysfunktionales Tumorsuppressorgen kannScheitern beiliefern der Zelle ein notwendiges Stoppsignal, was auch zu einer ungewollten Zellteilung und -proliferation führt.

Ein feines homöostatisches Gleichgewicht zwischen den vielen Proto-Onkogenen und Tumorsuppressorgenen steuert den Zellzyklus feinfühlig und sorgt dafür, dass sich nur gesunde Zellen vermehren. Daher kann eine Störung dieses homöostatischen Gleichgewichts eine abnormale Zellteilung und krebsartige Wucherungen verursachen.