Zellteilung: Nützliche Hinweise zur Zellteilung bei Tieren (2071 Wörter)

Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über den Prozess der Zellteilung bei Tieren zu erfahren!

Eine einzelne Zelle nimmt allmählich zu und erhält durch Diffusion und andere physikalisch-chemische Prozesse Nahrung aus der Umgebung. Wenn die Zelle ausreichend vergrößert ist, wird der Abstand zwischen der Zellmembran und dem Zellkern so groß, dass die Ernährung der Zelle durch Diffusion leidet. Daher ist die Aufteilung der Zelle in zwei kleine Tochterzellen eine biologische Notwendigkeit, um eine gerechte Ernährung der Zelle bereitzustellen.

Bild mit freundlicher Genehmigung: edupic.net/Images/Mitosis/telophase_3D.png

Der Stimulus für die Zellteilung stammt von den Genen der Kern-DNA, die die Synthese von Proteinmakromolekülen durch die RNA organisiert. Eine chemische Verbindung, bekannt als Chalon, wird lokal in normalem Gewebe nachgewiesen, was die Zellteilung in einem bestimmten Stadium hemmt. Wenn das Gewebe teilweise beschädigt ist, sinkt der Chalonspiegel und die Zellen teilen sich, bis die normale Zellpopulation des Gewebes wiederhergestellt ist.

Die Zellteilung kann direkt oder indirekt sein.

Direkte Teilung (Amitosis):

Der Vorgang ist sehr schnell und innerhalb weniger Minuten abgeschlossen. Zunächst verengt sich der Zellkern in der Mitte, dann teilt sich der Zellkern auf, gefolgt von der Aufteilung des Zytoplasmas der Zelle (Abb. 3-1).

Möglicherweise findet die amitotische Teilung bei Säugetierarten nicht statt, es sei denn, die Zellen sind pathologisch.

Indirekte Abteilung:

Es gibt zwei Arten - Mitose und Meiose. Bei beiden Arten der Zellteilung sind zwei Prozesse involviert: Karyokinese oder Kernteilung und Zytokinese oder Zytoplasma-Teilung.

Mitose:

Es ist die häufigste Methode der Zellteilung und kommt in allen Körperzellen und unreifen Keimzellen vor. Die beiden Tochterzellen sind in der Anzahl der Chromosomen und in der Verteilung der Gene wie in der Mutterzelle identisch. Daher wird Mitose als homotypische oder gleichwertige Division bezeichnet.

Der Vorgang dauert etwa 1 bis 2 1/2 Stunden. Die Mitose kann symmetrisch oder asymmetrisch sein. Bei der symmetrischen Mitose sind die funktionalen Möglichkeiten der Tochterzellen ähnlich. Bei der asymmetrischen Mitose unterscheidet sich jedoch eine Tochterzelle stärker als die andere Zelle.

Dies ist die Basis für die Zelldifferenzierung von indifferenten Stammzellen. Bevor sich die Zelle teilt, gibt es eine als Interphase bezeichnete Periode, in der die einzelnen Chromosomen nicht sichtbar sind, weil sie sich in sehr langen, engen Strukturen abwickeln, so dass sie unterhalb der Grenzen liegen der Auflösung des Lichtmikroskops. Während der Interphase besitzt der Zellkern eine Kernhülle und enthält ein Netzwerk aus Chromatinfäden oder -körnern und einen Nukleolus. Die Replikation der DNA findet in den Chromosomen statt. Außerhalb der Kernhülle befinden sich zwei gepaarte Zentriolen im Zytophasmus.

Mitose umfasst vier aufeinander folgende Prozesse: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. (Abb. 3-2)

Prophase:

Es zeichnet sich durch folgende Merkmale aus

(i) Die einzelnen Chromosomen werden zuerst unter dem Mikroskop als lange dünne Fäden sichtbar gemacht, da sie auf der gesamten Länge eng zusammengerollt sind. Jedes Chromosom spaltet sich längs in zwei Chromatiden auf, außer am Zentromer.

(ii) Die zwei gepaarten Zentriolen werden durch Verlängerung der kontinuierlichen Mikrotubuli der achromatischen Spindel voneinander getrennt und besetzen die entgegengesetzten Pole des Kerns. Die kontinuierlichen Mikrotubuli werden von den Zentriolen organisiert.

(iii) Anschließend verschwinden die Kernmembran und der Nukleolus. Die Chromosomen sind jetzt in einem Geflecht aus kontinuierlichen Mikrotubuli verwickelt. Diese Stufe kann als Pro-Metaphase bezeichnet werden. Die Prophase dauert ungefähr 1 1/2 Stunden.

Metaphase:

Mittlerweile weist die Zentromerregion jedes Chromosoms bilaterale scheibenartige Kinetochore auf. Von den Kinetochoren sind ein Satz chromosomaler Mikrotubuli organisiert, die sich bilateral zu den gegenüberliegenden Zentriolen erstrecken. Das Wachstum der chromosomalen Mikrotubuli ermöglicht es den Zentromeren der einzelnen Chromosomen mit ihren gepaarten Chromatiden, die Äquatorialebene der Spindel zu besetzen. Dies repräsentiert ein klassisches Bild der Asternbildung in der Metaphase. Die Metaphase bleibt etwa 20 Minuten lang bestehen.

Colchicin stoppt die Zellteilung in der Metaphase, weil es die Bildung von Mikrotubuli der Spindel verhindert und sich organisch mit dem Tubulinprotein verbindet. Bei der mit Colchicin behandelten Metaphase (C-Metaphase) lagern sich die Chromosomen um die Zentriolen an. Die Anwendung von Colchicin in Zellkulturen ist ein wichtiges Hilfsmittel für Karyotypstudien.

Anaphase:

Hier wurden die Zentromere längs gespült und die zwei Chromatiden trennen sich, um zwei neue Chromosomen zu bilden. Wenn sich die Spindelfasern zusammenziehen, trennt sich jedes Paar neu gebildeter Chromosomen und wandert zum gegenüberliegenden Pol der Spindel. Schließlich werden zwei identische und vollständige Chromosomenkomplemente gebildet. Die Trennung der Chromatiden zu zwei neuen Chromosomen erfolgt durch die Kontraktion der chromosomalen Mikrotubuli, die Zentrifugalkräfte auf die Zentromerregion der Chromosomen aus den gegenüberliegenden Zentriolen ausüben. Gleichzeitig bewegen sich die kontinuierlichen Mikrotubuli der gegenüberliegenden Zentriolen nach innen und bilden den mittleren Körper im zentralen Bereich der sich teilenden Zelle, wo die Spaltfurche erscheint.

Telophase:

Dies ist eine Phase der Neuorganisation. Die Tochterchromosomen werden von einer neuen Kernmembran umhüllt und der Nukleolus erscheint wieder. Die Chromosomen lösen sich auf und ihre individuelle Identität geht verloren. Schließlich teilt sich das Zytoplasma und es bilden sich zwei vollständige Zellen.

Bei der Zytokinese entwickelt sich die Spaltfurche um die ehemalige Äquatorialebene der achromatischen Spindel, die jetzt vom mittleren Körper besetzt ist. Möglicherweise hilft die Kontraktion der fibrillären Komponenten des Zytoplasmas bei der Stundenglasverengung der Spaltung. Manchmal werden Reste des mittleren Körpers als kleine zytoplasmatische Kondensation unter der Zellmembran jeder Tochterzelle nach vollständiger Trennung gefunden.

Zellzyklus:

Wenn Zellen der gleichen Art in Zellkultur gezüchtet werden, vermehren sie sich durch wiederholte Mitose kontinuierlich. Solche zyklischen Veränderungen einer Zelle, die Interphase und Mitose beinhalten, werden als Zellzyklus bezeichnet. Die Interphase besteht aus drei Stufen (Abb. 3-3) -

(a) G 1 (Gap 1) -Stadium, in dem die Zelle unmittelbar nach Beendigung der Mitose eintritt und metabolisch aktiv wird, um Enzyme, Strukturproteine ​​und andere Organellen zu synthetisieren;

(b) S (Synthesis) -Stadium, in dem die Replikation von DNA stattfindet, um alle genetischen Informationen der Art zu übertragen. Dies umfasst einen Zeitraum von etwa 7 Stunden und führt zur Bildung von zwei Chromatiden, die jedem Chromosom die charakteristische x-förmige Konfiguration verleihen. Sobald eine Zelle das S-Stadium erreicht, wird sie verpflichtet, die Mitose abzuschließen.

(c) Das G 2 (Gap 2) -Stadium erscheint vor dem Einsetzen der nächsten Mitose. Die Spindelvorrichtung wird in dieser Stufe synthetisiert.

Einige der Körperzellen verlassen im Prozess der Differenzierung, um spezialisierte Funktionen auszuführen, den Zellzyklus und treten nicht in das S-Stadium ein. Es wird gesagt, dass sich solche Zellen im G O- Stadium befinden.

Kategorien der Körperzellen:

Die Körperzellen fallen in drei allgemeine Kategorien.

Kategorie 1:

Es umfasst diejenigen Körperzellen, die sich im postnatalen Leben nicht teilen. Die Nervenzellen sind das klassische Beispiel dieser Kategorie. Mit zunehmendem Alter werden sie immer weniger. Daher durchlaufen die Nervenzellen den Zellzyklus nicht.

Kategorie 2:

Einige der spezialisierten Körperzellen, wie das Darmepithel und die Epidermis der Haut, gehen durch Abnutzung und Zelltod kontinuierlich von der Körperoberfläche ab. Um den Verlust wieder aufzufrischen, werden neue Zellen derselben Art durch Mitose von einigen Stammzellen oder Vorläuferzellen kontinuierlich reproduziert. Somit wird in der zweiten Kategorie ein stationärer Zustand der Zellpopulation durch einen Prozess des Zellwechsels aufrechterhalten.

Kategorie 3:

Einige der Körperzellen, die zu dieser Kategorie gehören, sind hochgradig spezialisiert und teilen sich normalerweise nicht. Sie besitzen eine lange Lebensdauer. Die Leberzellen sind Beispiele für diese Kategorie. Wenn zwei Drittel der Leber entfernt werden, durchlaufen die spezialisierten Leberzellen unter veränderten Bedingungen eine Mitose, bis das ursprüngliche Volumen der Leber wiederhergestellt ist.

Meiose:

Meiose ist der Prozess der Zellteilung, der haploide Tochterzellen aus einer diploiden Elternzelle hervorbringt. Sie wird heterotypische Teilung genannt und tritt während der Reifung der Gameten nur in Geschlechtszellen auf. Es besteht aus zwei aufeinander folgenden Abteilungen (Abb. 3-4).

Erste meiotische Abteilung

Prophase:

Es ist verlängert und besteht aus den folgenden fünf Stufen:

Leptotene:

Einzelne Chromosomen sind sichtbar, wenn lange dünne Fäden und charakteristische Perlenchromomere entlang ihrer Länge auftreten. Ein Ende jedes Chromosoms ist an der Kernmembran befestigt.

Zygotene:

Homologe Chromosomen sind paarweise in Längsrichtung angeordnet und stellen eine Punkt-zu-Punkt-Beziehung her. Dieser Vorgang wird als Synapse bezeichnet. Ein Mitglied des Paares ist mütterlich und das andere Mitglied väterlicherseits.

Pachytene:

Jedes Chromosom spaltet sich längs in zwei Chromatiden auf, außer am Zentromer. Daher werden vier Chromatiden stellenweise zusammengebaut. Dieses Phänomen wird als Tetradenformation bezeichnet. Während des gesamten Prozesses der Prophase entwickeln sich die Chromosomen entlang
ihre Länge; dadurch werden sie nach und nach verkürzt und verdickt.

Diplotene:

In dieser Phase kreuzen sich die Nicht-Schwesterchromatiden einer Tetrade an einer oder mehreren Stellen, die das Chiasma bilden. An der Kreuzungsstelle brechen die Chromatide mit Hilfe eines Enzyms Endonuclease und vereinigen sich dann mit einem Segment von Nichtschwester-Chromatiden homologer Chromosomen, die durch ein anderes Enzym, Ligase, katalysiert werden. Dieses Phänomen ist als Crossover bekannt. Die Überkreuzung ermöglicht ein ständiges Umordnen der Gene, so dass neue und manchmal vorteilhafte Kombinationen auftreten können. Dies bildet die strukturelle Grundlage für die erbliche Vielfalt zwischen Individuen, die von derselben Abstammung stammen.

Diakinese:

Nun ziehen sich homologe Zentromere auseinander und die Chromosomen werden nach dem Abwickeln getrennt. Mittlerweile verschwinden die Kernmembran und der Nukleolus.

Metaphase I:

Nach dem Überkreuzen richten sich die homologen Chromosomenpaare in der Äquatorialebene der Spindel aus.

Anaphase I:

Centomere teilen sich nicht, und die homologen Chromosomenpaare trennen sich voneinander und wandern zu den gegenüberliegenden Polen der Spindel, wobei sie ihr Chromatidenpaar tragen.

Telophase I:

(i) Jede der beiden Tochterzellen weist die Hälfte der ursprünglichen Chromosomenzahl (haploide) auf. Die erste meiotische Abteilung wird manchmal als Reduktionseinheit bezeichnet.

(ii) Es gibt eine Umverteilung des genetischen Materials aufgrund von Cross-Over.

Zweite meiotische Abteilung:

Jede der Tochterzellen der ersten Abteilung tritt direkt in Metaphase II ein und die Chromosomen richten sich in den neuen Äquatorialebenen der Spindel aus. Die DNA-Replikation findet nicht zwischen der ersten und der zweiten meiotischen Abteilung statt.

Anaphase II:

Die Zentromere teilen sich und die Chromatiden trennen sich, um neue Chromosomen zu bilden, die zu den gegenüberliegenden Polen der Spindel wandern.

Telophase II:

Aus den beiden Zellen der ersten meiotischen Teilung werden vier Gameten gebildet, die jeweils eine haploide Anzahl von Chromosomen aufweisen. Dies hängt mit der Synthese eines Polynukleotidstrangs zusammen, um ein typisches Doppelhelixmodell eines DNA-Moleküls wiederherzustellen. Die zweite meiotische Division ist eine gleichwertige Division der bereits reduzierten ersten.

Besonderheiten in der Meiose:

(a) Im Gegensatz zur Mitose werden das Auftreten der Chromomere und die Paarung homologer Chromosomen in der Form der Synapsis in der frühen Prophase der ersten meiotischen Teilung beobachtet.

(b) Das Überkreuzen homologer Segmente zwischen den vier Chromatiden in der späten Prophase ist eine Neuheit. Überkreuzungen ermöglichen ein ständiges Umwechseln von Genen, so dass neue und manchmal vorteilhafte Kombinationen auftreten können.

(c) In der Anaphase I teilen sich die Zentromere nicht, und dies führt zu einer Reduktionsteilung der ersten Meiose mit einer haploiden Anzahl von Chromosomen.

(d) In der Anaphase II teilen sich Zentromere, und dies hält die haploide Anzahl der Chromosomen aufrecht. Aus einer Diplom-Großmutterzelle werden vier haploide Zellen gebildet. Diese meiotischen Produkte werden dann in funktionelle Gameten-Spermatozoen und Eizellen umgewandelt.

(e) Eine Reduktionsteilung bei der Meiose ist eine Notwendigkeit, da bei der Befruchtung der Eizelle durch das Sperma die resultierende Zygote eine diploide Anzahl von Chromosomen aufweist, die für die Art konstant ist.

(f) Bei der Oogenese beginnt die Meiose I in der primären Eizelle im intrauterinen Leben und ist kurz vor dem Eisprung abgeschlossen. Nach dem Eisprung schließt die sekundäre Eizelle die Meiose II nur dann ab, wenn eine Befruchtung stattfindet. Dies ist nur ein Beispiel für die Menschheit, bei der die Vollendung der Meiose I etwa 15 bis 45 Jahre dauert. Eine solche längere Meioseperiode bei älteren Frauen könnte ein Faktor für die Nichtdisjunktion bei der Gametogenese sein.

Bei einer primären Eizelle (Diploide) entsteht normalerweise nach zwei aufeinanderfolgenden Teilungen eine reife Eizelle (haploid). Die anderen haploiden Tochterzellen bestehen aus zwei oder drei polaren Körpern, die biologisch inert sind, weil sie eine minimale Menge an Zytoplasma besitzen.

(g) Spermatogenese findet während der Pubertät statt, und ein primärer Spermatozyt (Diploid) führt nach zwei meiotischen Spaltungen zu vier aktiven haploiden Spermatozoen.

(h) Hauptmerkmale der Meiose sind:

ich. Es gibt keine DNA-Replikation zwischen Meiosis I und Meiosis II.

ii. Der Austausch genetischen Materials zwischen homologen Chromosomen findet in Meiosis I statt.

iii. Der gesamte Prozess der Meiose kann Jahre dauern und nicht Stunden.