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2 Allgemeine ZellbiologieZellzyklus, Zellteilung, Fortpflanzung, Embryonalentwicklung4444Erklären Sie, wie Membranen gebildet werden.Machen Sie sich klar, welche Funktionen ERund Golgi-Apparat haben.Rekonstruieren Sie die Verpackung der DNAbis hin zum Metaphasechromosom.Erklären Sie, wie Lampenbürsten- und Riesenchromosomen entstehen und wie an diesenChromosomen die Übergänge von Eu- und Heterochromatin sichtbar werden.2.4 Zellzyklus, Zellteilung, Fortpflanzung, EmbryonalentwicklungLerncoachMitose, Meiose und die Zellzyklusregulationsind wichtig für Wachstum und Entwicklung.In der ersten ärztlichen Prüfung werden Fragen zu diesen Themen regelmäßig gestellt.Auch in diesem Kapitel gibt es Überschneidungen mit der Biochemie und der Embryologie, es bietet sich daher zum fächerübergreifenden Lernen an.2.4.1 Überblick und FunktionWir haben in der DNA den Speicher der genetischenAbb. 2.37 (a) Struktur eines Lampenbürstenchromosoms, (b)Riesenchromosom.Information kennengelernt und wollen im Folgendendie Weitergabemechanismen dieser Erbinformationbesprechen. Das schließt die ungeschlechtliche Weitergabe von Erbinformation durch mitotische Zell-nen Chromomerenbanden erkennen. Diese Auflocke-teilung, den Zellzyklus und seine Kontrolle und dierungen heißen „Puffs“ oder „Balbiani-Ringe“ undgeschlechtliche Fortpflanzung von der Reifung dersind ein Zeichen für Entspiralisierung und Transkrip-Geschlechtszellen bis hin zur frühen Embryonalent-tion der DNA, wie man ebenfalls mit 3H-Uridin nach-wicklung ein.weisen konnte.Mitose ist das Vermögen der Zellen zur Selbstrepro-Durch die Induktion der Transkription lassen sichduktion. Voraussetzung für eine Mitose ist die Repli-Rückschlüsse auf die Genverteilung im Chromosomziehen, was man für die Anfertigung von Genkartenkation, die semikonservative Verdopplung des genetischen Materials und darauf folgend dessengenutzt hat.Verteilung auf die Tochterzellen. Mutter- und Tochterzellen sind damit genetisch identisch. Der eigentlichen Mitose (Chromatidentrennung) folgen die44Check-upKernteilung (Karyokinese) und die Zellteilung (Zyto-Verdeutlichen Sie sich den Aufbau und dieFunktion der Zellorganellen.Rekapitulieren Sie, von wie vielen Membranendie einzelnen Zellorganellen umgeben sind.kinese). Während der Mitose werden die Chromosomen aus der Funktionsform (Chromatingerüst) in dieTransportform (Metaphasechromosom) überführt.Nur in dieser Form können die Chromosomen ge-aus: Poeggel, Kurzlehrbuch Biologie (ISBN 9783131409829) 2009 Georg Thieme Verlag KG452
46Zellzyklus, Zellteilung, Fortpflanzung, Embryonalentwicklungzählt und morphologisch auf mögliche Chromoso-22 Allgemeine Zellbiologie2.4.2.2 Die G0-Phasemenschäden hin begutachtet werden. Bei sich teilen-Insbesondere hochdifferenzierte Zellen können inden Zellen kommt es also zu einem Wechsel vonder Interphase verharren, sie treten von der G1- inMitosephasen und so genannten Interphasen. Beidedie so genannte G0-Phase über. Die Zellzykluskon-Phasen können durch charakteristische Vorgängetrolle wird dann teilweise außer Kraft gesetzt. Dienoch unterteilt werden (Abb. 2.39).Zelle kann jetzt irreversibel postmitotisch sein (wei-Der Zellzyklus hat für verschiedene Zelltypen einetere Zellteilungen sind ausgeschlossen, z. B. bei Neu-unterschiedliche Dauer:Hefezellen: 1,5–3 Stunden,ronen) oder in einem Ruhezustand verharren, bisentsprechende Signale (z. B. Verletzung) die Fortfüh-früher Froschembryo: 30 min,rung des Zellzyklus initiieren.Leberzellen des Menschen: 1 Jahr.Die Meiose ist die Grundlage der geschlechtlichen2.4.2.3 Die späte G1- und S-PhaseVermehrung. Während der Meiose bilden sich ausAndere Zellen teilen sich ständig, sie bilden Zellgrup-den Urgeschlechtszellen, die mitotisch entstehen,pen aus undifferenzierten Stammzellen, die noch tei-die reifen Geschlechtszellen. Der ursprünglich dip-lungs- und entwicklungsfähig sind. Diese sorgen inloide Chromosomensatz wird haploid und durchverschiedene Prozesse wird das ursprünglich vonhochregenerativen Geweben für den Zellnachschub(z. B. das Stratum germinativum der Epidermis).Vater und Mutter geerbte genetische Material durch-Überschreitet das Zellwachstum ein bestimmtesmischt. So entsteht eine Vielzahl genetisch unter-Kern/Plasma-Verhältnis, bereitet sich die Zelle aufschiedlicher Geschlechtszellen. Die Anzahl derdie DNA-Synthesephase (S-Phase) vor. Die S-PhaseGeschlechtszellen variiert von Organismus zu Orga-dauert ca. 6–8 Stunden. Durch Replikation der DNAnismus. Beim Menschen spielt sie für die genetischebildet sich das zweite Chromatid der ChromosomenVariabilität der Nachkommen eine untergeordnete(die Chromosomenzahl bleibt damit unverändert!)Rolle, da nur ein sehr geringer Anteil (geringe Stichprobe) von Spermien und Eizellen tatsächlich zurund die DNA wird mit Ausnahme der Zentromerregion verdoppelt (die Zentromerregion hält die Chro-Befruchtung gelangt.matiden zusammen und wird erst während der Mi-Generell ist also die große Vielzahl an Geschlechts-tose repliziert). Während der späten G1/S-Phasezellen die Ursache für die hohe genetische Variabili-werden neben der DNA auch viele Proteine wie z. B.tät zwischen den Nachkommen.Histone zur Verpackung der entstehenden DNA pro-Nach der Vereinigung der Geschlechtszellen beginntduziert. Das Diplosom teilt sich in zwei Zentriolen;die Embryonalentwicklung, während der die Diffe-diese weichen auseinander, wodurch sich zwei Zent-renzierung der Gewebe erfolgt. Sie spiegelt auchwichtige Entwicklungsschritte der Evolution desrosomenregionen bilden innerhalb derer jedes Zentriol durch Verdopplung wieder zu einem DiplosomMenschen wider (s. S. 166, Evolution des Kreislauf-wird.systems).2.4.2.4 Die G2-Phase2.4.2 Die Interphase des Zellzyklus2.4.2.1 Die G1-PhaseAnschließend beginnt die relativ kurze (3–5 Stun-Nach der Mitose liegen diploide Zellen vor (2n Chro-Zellteilung. Es erfolgen notwendige Reparaturen anmosomen mit jeweils einem Chromatid). Diese gehen in die G1-Phase oder Wachstumsphase (Arbeits-der DNA, z. B. die Beseitigung von Replikationsfeh-phase) über, die in ihrer Dauer stark variieren kann.siert, vor allem regulatorische Proteine für die Mi-Während dieser Phase werden viele für das Zell-tose, wie z. B. Proteinkinasen zur Phosphorylierungwachstum nötige Proteine und Lipide gebildet, die(Übertragung von Phosphatgruppen) von H1 (s. S. 43,Zelle wächst, erreicht ihr typisches Kern-Plasma-Ver-notwendig zur Verpackung der DNA) und zur Phos-hältnis und übt ihre spezifische Funktion aus.phorylierung der Kernlamine, s. S. 28 (führt durchden) G2-Phase. Sie dient der Vorbereitung auf dielern. Auch in dieser Phase werden Proteine syntheti-Disaggregation zur Destabilisierung der Kernmembran).aus: Poeggel, Kurzlehrbuch Biologie (ISBN 9783131409829) 2009 Georg Thieme Verlag KG
2 Allgemeine ZellbiologieZellzyklus, Zellteilung, Fortpflanzung, Embryonalentwicklung2.4.3 Die MitoseAchten Sie auf die jeweilige Anzahl der Chromosomen und der Chromatiden während derMitose. Dabei gilt im Folgenden:n Anzahl der Chromosomen pro einfachemChromosomensatzC Anzahl der Chromatiden pro Chromosomdiploider (doppelter) Chromosomensatz 2nhaploider (einfacher) Chromosomensatz 1n47sche Tochterzellen. Die genetische Information wirddabei in der Regel nicht verändert.2.4.3.1 Die ProphaseNach Verdopplung der DNA und Abschluss aller „Vorbereitungen“ geht die Zelle (2 n 2C) in die Prophaseder Mitose über (Abb. 2.38). Sie beginnt mit dem Aufbau des Spindelapparates: Die polaren Spindelfasern– sie ziehen von einer Zentrosomenregion zur anderen – treffen aufeinander und schieben die Zentrosomenregionen zu den Zellpolen. Damit wird dieZelle polarisiert, die Teilungsebene wird festgelegtDie Mitose ist die Grundlage der somatischen Zell-und der Spindelapparat beginnt sich aufzubauen.vermehrung, der ungeschlechtlichen FortpflanzungIm Zellkern beginnt die Spiralisierung der DNS zuund der Vermehrung der Urgeschlechtszellen. Sielangen fädigen Strukturen, wobei die Schwesterchro-dient der identischen Reproduktion von Zellen. Auseiner Mutterzelle entstehen zwei genetisch identi-matiden auf ihrer gesamten Länge zusammengehalten werden. Der Nukleolus löst sich auf.Abb. 2.38 Mitosephasen. Lichtmikroskopischwerden die Chromatiden erst in der Metaphasesichtbar.aus: Poeggel, Kurzlehrbuch Biologie (ISBN 9783131409829) 2009 Georg Thieme Verlag KG2
482Zellzyklus, Zellteilung, Fortpflanzung, Embryonalentwicklung2 Allgemeine Zellbiologie2.4.3.2 Die Metaphaselophase beendet die Zytokinese (Zellteilung) die Mi-In der Prometaphase wird die Kernhülle abgebaut.tose. Durch kontraktile Actinfilamente schnürt sichDie kinetochoren Fasern des Spindelapparates wach-die Zelle in Höhe der Äquatorialebene durch (nur beisen aus, treffen auf die Chromosomen, verbindentierischen Zellen!) und verteilt dabei die Zellorganel-sich von beiden Polen ausgehend mit den Kineto-len auf die beiden Tochterzellen. Die Zellen tretenchoren der Chromosomen (das sind die Spindelfaser-wieder in die G1-Phase ein.ansatzstelle in der Zentromerregion) und bewegenDas Ergebnis der Mitose sind zwei identische Toch-diese aktiv in die Teilungsebene der Zelle (Abb. 2.38).terzellen, die qualitativ und quantitativ genetischSind sie dort angekommen, befindet sich die Zelle ingleichwertig sind (2n1C), d. h. alle Somazellen habender Metaphase. Die Chromosomen sind jetzt maxi-die gleiche genetische Potenz (Abb. 2.38). Das Verhält-mal verkürzt (Metaphasechromosom) und werdennis von väterlicher zu mütterlicher Erbinformationdurch die Spindelfasern beider Zentriolen in derbleibt gleich. Es wurden nur die identischen Chroma-Äquatorialebene fixiert. Der Chromatidenspalt wirdtiden eines jeden Chromosoms getrennt.sichtbar. Homologe Chromosomen paaren sich nicht,sie sind unabhängig voneinander.Klinischer BezugDurch den Einsatz von Spindelgiften, welche die Bildung des Spindelapparates hemmen (Colchizin) bzw.den Abbau verhindern (Taxol), können Zellen in derMetaphase der Mitose arretiert werden. Man kannsolche Zellen dadurch gezielt anreichern, und auf einem Objektträger zum Platzen bringen. Die maximalverkürzten Chromosomen sind jetzt mit dem Lichtmikroskop gut sichtbar und können durch verschiedeneMethoden angefärbt und klassifiziert werden (Abb. 2.36S. 44). Dadurch können sowohl numerische als auchstrukturelle Chromosomenaberrationen in der präund postnatalen Diagnostik identifiziert werden.MERKEDie genetische Identität von Mutterzelle und Tochterzellen (Klon, jeweils 2n 1C) ergibt sich aus derAufteilung der jeweils zwei identischen Chromatiden auf zwei Tochterzellen.2.4.4 Sonderformen mitotischer ZellteilungenEs gibt Zellen, insbesondere hochaktive, hochdifferenzierte Zellen in Leber, Niere und Pankreas, die beider Zellteilung weder den Zellkern auflösen noch dieDNA kondensieren. Der Zellkern wird hantelförmigdurchgeschnürt, die Chromosomen bleiben euchromatisch. Oft folgt dieser Kernteilung keine Zellteilung, was zu mehrkernigen Zellen führt. Diese Formder Teilung heißt Amitose.Bei der Endomitose erfolgt die Chromatidentrennung2.4.3.3 Die Anaphaseinnerhalb des Zellkerns einer Zelle, eine Karyokineseund Zytokinese gibt es nicht, was zu einer ErhöhungDanach geht die Zelle in die Anaphase über, d. h. siedes Chromosomensatzes (Polyploidie) führt; beimsynthetisiert die fehlende DNA der ZentromerregionMenschen z. B. in einigen Leberzellen, in Osteoklas-(Beendigung der Replikation mit vollständiger Tren-ten und Megakaryozyten.nung der Chromatiden) und verschiebt je eines derWenn nach der S-Phase auch eine Chromatidentren-beiden Chromatiden pro Chromosom zu den Zellpo-nung unterbleibt, dann entstehen polytaene Riesen-len (2 2n 1C). Dies geschieht durch Verkürzung derchromosomen (s. S. 44).kinetochoren Spindelfasern und Verlängerung derpolaren Fasern (Abb. 2.38).2.4.5 Die ZelldifferenzierungDie Unterschiede im Zellphänotyp entstehen durch2.4.3.4 Die Telophasedie Zelldifferenzierung, meistens durch differenzielleHaben die Chromatiden die Zellpole erreicht, beginntGenaktivität.die Telophase. Durch Dephosphorylierung der Kern-Wie bereits weiter oben festgestellt wurde, verlierenlamine aggregieren diese und die Kernhülle baut sichdie meisten Zellen nach ihrer Differenzierung dieaus Fragmenten wieder auf. Die Chromosomen ent-Fähigkeit, sich zu teilen. Durch differenzielle Genak-spiralisieren sich, die RNA-Synthese beginnt, in denZellkernen bildet sich der Nukleolus. Parallel zur Te-tivität (es werden nur ganz bestimmte Gene abgelesen und in Proteine übersetzt) wird ein bestimmteraus: Poeggel, Kurzlehrbuch Biologie (ISBN 9783131409829) 2009 Georg Thieme Verlag KG
2 Allgemeine ZellbiologieZellzyklus, Zellteilung, Fortpflanzung, Embryonalentwicklungfunktioneller Zellphänotyp erzielt, welcher der Funk-Der Metaphase-Kontrollpunkttion der Zelle entspricht. Die Abschaltung der nichtIn der Metaphase wird der Zellzyklus erneut ange-benötigten Gene durch Methylierung ist meist irre-halten und die ordnungsgemäße Anordnung derversibel, Entdifferenzierungen sind kaum möglich. InChromosomen kontrolliert. Ist alles korrekt verlau-den meisten Geweben gibt es daher eine Gruppe vonfen, induziert der MPF durch den proteolytischenZellen, die undifferenziert bleiben und für den Zell-Abbau des Zyklins B seine eigene Inaktivierung, dienachschub sorgen, so genannte Stammzellen, die sichMitose läuft weiter, die Zelle tritt in die G1-Phase ein.zu Zellschichten, den Blastemen zusammenlagernkönnen. Diese Stammzellen sind zum Teil pluripo-Der G1-Kontrollpunkttent, d. h. sie können sich zu verschiedenen Zellphä-Jetzt werden G1-Zykline produziert, die in Zusam-notypen hin entwickeln (Knochenmarkstammzellenmenarbeit mit der zugehörigen CdK den Übergangkönnen sich z. B. zu den verschiedenen Zelltypen desin die S-Phase kontrollieren. Die Produktion der G1-Blutes differenzieren), oder aber sie sind bereits aufZykline inaktiviert die Proteolyse des Zyklin B. Dereinen Zellphänotyp festgelegt.Übergang in die S-Phase wird sehr strikt kontrolliert.Er erfolgt nur, wenn die Kern-Plasma-Relation der2.4.6 Die Kontrolle des ZellzyklusDer Wechsel von Mitosephasen und Interphasen imZelle stimmt, genug Nährstoffe vorhanden sind unddie DNA auf Schäden (Mutationen) kontrolliertZellzyklus erfolgt nicht zufällig, sondern wird von derwurde (Abb. 2.39). Dabei spielt das Protein p53 (s.Zelle kontrolliert. Zyklisch aktivierte ProteinkinasenS. 57) eine Schlüsselrolle. Eine Inaktivierung diesesbilden die Grundlage des Zellzykluskontrollsystems.Proteins (z. B. durch Mutation) setzt den G1-Kontroll-Sie sind in der Zelle ständig vorhanden, jedoch in-punkt außer Kraft, der Zellzyklus kann hier nichtaktiv. Aktiviert werden sie durch eine zweite Gruppemehr angehalten werden, es kommt zur ungehemm-von Proteinen, den Zyklinen. Diese Zykline werdenten Zellproliferation mit Tumorbildung.von der Zelle zyklisch produziert und durch eineReihe von Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsreaktionen aktiviert. Sie binden dann an einevon ihnen abhängige Proteinkinase (CdK, cyclin dependent kinase) und kontrollieren die verschiedenenAbschnitte des Zellzyklus. Es gibt drei Kontrollpunkteim Zellzyklus, an denen der Zyklus angehalten undder bisherige ordnungsgemäße Verlauf kontrolliertwird (Abb. 2.39). An diesen Kontrollpunkten werdenjeweils drei unterschiedliche Cyclin/CdK-KomplexeMERKEEs gibt drei Zellzyklus-Kontrollpunkte:– G1-Kontrollpunkt: Übergang von der G1- in die SPhase,– G2-Kontrollpunkt: Übergang von der G2-Phase indie Mitose,– Metaphase-Kontrollpunkt: Übergang von derMeta- in die Anaphase.wirksam. Sie regeln den Übertritt in die jeweilsnächste Phase des Zyklus.Der G2-KontrollpunktAm G2-Kontrollpunkt wird der Übertritt in die Mitose kontrolliert. Dieser Übertritt erfolgt nur nachvorangegangener korrekter Replikation. Das entsprechende Zyklin (Zyklin B) lagert sich mit der zugehörigen Cdk zum MPF-Faktor (Mitose-promotingFaktor) zusammen. Die Aktivität dieses Komplexesinduziert den Zerfall der Kernhülle und reguliert diePolymerisation der Mikrotubuli bis hin zur Metaphase.49Klinischer BezugHyperplasie. Der reizabhängige Wiedereintritt vonZellen in den Mitosezyklus unter dem Einfluss vonWachstumsfaktoren, Zytokinen und Hormonen kannzur kompensatorischen, aber reversiblen Größenzunahme eines Organs oder Gewebes durch Vermehrungder spezifischen Zellen führen. Dieser Vorgang heißtHyperplasie.Beispiel: Schilddrüsenhyperplasie bei Jodmangel zurKompensation der Schilddrüsenunterfunktion.Metaplasie. Metaplasie ist die reversible Umwandlungeines voll ausdifferenzierten Gewebes in ein embryologisch verwandtes Gewebe. Sie wird ausgelöst durchchronische Reize, Ernährungs- oder Funktionsmangel.aus: Poeggel, Kurzlehrbuch Biologie (ISBN 9783131409829) 2009 Georg Thieme Verlag KG2
Histonezur Verpackung der entstehenden DNA pro-duziert. Das Diplosom teilt sich in zwei Zentriolen; diese weichen auseinander,wodurch sich zwei Zent-rosomenregionen bilden innerhalb derer jedes Zent-rioldurch Verdo
