Zellzyklus
eine der grundlegenden Eigenschaften lebender Zellen ist ihre Fähigkeit zur Vermehrung jede Tochterzelle erhält eine identische kopie des genetischen Materials Zellwachstum, Verdopplung des Erbmaterials und dessen Weitergabe müssen präzise aufeinander abgestimmt sein
Zellzyklus Vorgänge bei Einzellern relativ einfach und unmittelbar eingängig
erwünscht ist Vermehrung so rasch wie möglich dies hängt hauptsächlich von der Menge zur Verfügung stehenden Nahrung ab
Wachstum einer Kultur von Einzellern
lag- Phase⇒ exponentielle Wachstumsphase ⇒stationäre Phase
Vermehrung bei Prokaryoten
E.coli am besten untersucht: ein zirkuläres DNA Molekül, 4x106 bp in guten Nährmedien teilen sich Bakterien alle 30 min. diese Zeit wird benötigt um DNA zu verdoppeln die DNA ist an speziellen Membranstrukturen verankert beim Wachstum der Zelle werden die verdoppelten DNA Stränge auseinandergezogen die Zellen wachsen zu ca. doppelter Größe heran in der Mitte wird ein Zellwand Septum gebildet ⇒2 Tochterzellen
Gene die Vermehrung bei Prokaryoten steuern
am besten charakterisiert sind Enzyme die Bildung des Septums steuern (fts Mutanten) weitere Gene sind zwar bekannt, ebenso der Einfluß einiger Substanzen, aber deren genaue FUnktion kennt man nicht
Vielzellige Organismen
bei mehrzelligen Organismen muß das Gleichgewicht der unterschiedlichen Zellarten gewahrt werden Teilungen beschränken sich desshalb aus Wachstum, Turnover und Regenerationsvorgänge Es muss also eine Rückkopplung auf die Vermehrungsrate geben⇒eine genaue Kontrolle auf die Vermehrungsfähigkeit ist essenziell für die Entwicklung mehrzelliger Organismen
Zellzyklus bei Eukaryoten
die meisten eukaryotischen Zellen benötigen circa 10-20 h für eine Zellteilung viele Zellen in voll entwickelten Organismen teilen sich nicht ( Muskel, Nervenzellen) manche Zellen teilen sich nur, wenn dies erforderlich ist (Wundheilung) ungeregeltes, ungehemmtes Wachstum ist bei Mehrzellern tödlich ( Krebs) die übergeordnete Steuerung erfolgt weitgehend durch Wachstumsfaktoren und Hormone
Zellzyklusablauf Eukaryoten
bei Eukaryoten findet die Verdopplung nur in einem Teil des Zellteilungszeitraums statt = S-Phase (DNA-Synthese-Phase) es gibt also einen Zeitraum zwischen S-Phase und Mitose (G2-Phase gleichfalls gibt es einen Zeitraum zwischen Mitose und S-Phase = G1-Phase G1-(2xn),S-(von 2xn auf 4xn), und G2-(4xn) Phase bilden gemeinsam die Interphase differenzierte Zellen sind aus dem Zellteilungsgeschehen ausgetreten, sie befinden sich in der G0-Phase die Länge der G1-PHase ist am variabelsten
Bäkerhefe als Modellorganismus
Zellzyklus der Säuger unterscheidet sich kaum von dem der Hefe 1 Zyklus dauert bei 30°C etwa 90min genetisch manipulierbar (cdc Mutante) leicht in großen Mengen zu züchten⇒auch biochemischen Untersuchungen zugänglich leicht synchronisierbar Zellzyklusphasen optisch gut unterscheidbar (Größe der Knospen ist ein Indikator für Zellzyklus Stadium)
Kontrolle des Zellzyklus
es gibt drei wichtige Kontrollpunkte: Restriktionspunkt: G1⇒ S : Überprüfung ob alle Vorraussetzungen gegeben sind die DNA Verdopplung durchzuführen, Regulation durch Wachstumsfaktoren, Nährstoffe, Zellgröße G2M Transit Point: G2⇒M: Überprüfung ob DNA verdoppelt wurde, Überprüfung der Qualität der DNA Metaphase-Anaphase Transition Point: Anheftung der CHromosomen an die Mitosespindel, Trennung der Chromatiden
Zellzykluskontrolle abhängig von Cyclinen und cyclinabhängigen Kinasen
Der Zellzyklus wird durch ein Signal gestartet. Mit Hilfe des aktivierten Cyclin-cdk -Komplexes wird an den drei Kontrollpunkten Einfluss auf den Zellzyklus genommen. Die Ausdifferenzierung des Kontrollmechanismus beruht auf dem Vorhandensein charakteristischer abschnittspeziefischer (verschiedener) Cycline mit einer nur kurzen Lebensdauer. Durch die Kombinationen von Cyclinen und cdk werden dann verschiedene weitere Enzyme aktiviert, die unterschiedliche Reaktionen auslösen.
Cycline
Cycline sind kurzlebige, von Abschnitt zu Abschnitt des Zellzyklus unterschiedliche Proteine, deren relative Konzentration zyklischen Schwankungen unterworfen ist.Die Konzentration dieser abschnittsspezifischen Cycline steuert die Aktivität der langlebigeren Cyclin abhängigen Kinasen (cdk). Je nach Cyclin können auf diese Weise unterschiedliche Steuerungsmechanismen ausgelöst werden.
Cyclin abhängige Kinasen
Die cdk funktionieren als Schalter, der wenn er durch Cyclin aktiviert wird in der Lage ist andere Enzyme durch phosphorylierung, bzw. dephosphorylierung an- oder abzuschalten.
Wichtige Steuerelemente der Zykluskontrolle
Cycline und Cyclin abhängige Kinasen: Protein Phosphorylierung Konformationsänderung Regulationsänderung der Aktivität von Zielproteinen
