Cursus Thema 1 Celcyclus en celdeling PDF

THEMA 1 DE CELCYCLUS EN CELDELINGEN INHOUDSTAFEL HERHALING - DE CEL DEEL 1 – DNA organisatie en replicatie HOOFDSTUK 1. – Het genetisch materiaal in de cel HOOFDSTUK 2. – DNA-replicatie DEEL 2 – DE CELCYLUS EN CELDELING HOOFDSTUK 1. – Soorten celdelingen HOOFDSTUK 2. – De celcylus HOOFDST...

THEMA 1 DE CELCYCLUS EN CELDELINGEN INHOUDSTAFEL HERHALING - DE CEL DEEL 1 – DNA organisatie en replicatie HOOFDSTUK 1. – Het genetisch materiaal in de cel HOOFDSTUK 2. – DNA-replicatie DEEL 2 – DE CELCYLUS EN CELDELING HOOFDSTUK 1. – Soorten celdelingen HOOFDSTUK 2. – De celcylus HOOFDSTUK 3. – Mitose HOOFDSTUK 4. – Meiose HOOFDSTUK 5 – Controle van de celcylus RYCHA Biologie 1 HERHALING. De cel De celtheorie is een van de fundamenten van de biologie. De celtheorie stelt dat: De cel de kleinste levende bouwsteen is van organismen De cel de basiseenheid is die zorgt voor structuur en voor organisatie Alle cellen afkomstig zijn van eerder ontstaande cellen Je leerde al dat je alle levende organismen kan indelen in 3 grote domeinen: de archaea, de bacteriën en de eukaryoten. De indeling wordt vooral bepaald door het opbouwende celtype. Afbeelding: Tree of life. Wanneer we cellen microscopisch bekijken onderscheiden we twee basisvormen: pro- en eukaryote cellen. RYCHA Biologie 2  OPDRACHT Ken jij nog het verschil tussen een prokaryote en een eukaryote cel ? a) Welke van de volgende structuren komt alleen voor in eukaryote cellen?  Nucleus (kern)  Ribosomen  Celmembraan  DNA b) Prokaryote cellen verschillen van eukaryote cellen doordat ze...  een membraan-omsloten kern hebben.  geen mitochondriën hebben.  groter zijn dan eukaryote cellen.  meercellig zijn. c) Welke van de volgende organismen behoort tot de prokaryoten?  Mens  Schimmel  Bacterie  Plant d) Wat is het belangrijkste verschil in de manier waarop DNA wordt georganiseerd in prokaryoten versus eukaryoten?  Prokaryoten hebben lineair DNA, eukaryoten hebben circulair DNA.  Eukaryoten hebben lineair DNA in een kern, prokaryoten hebben circulair DNA vrij in de cel.  Prokaryoten hebben meer DNA dan eukaryoten.  Eukaryoten hebben hun DNA in de mitochondriën. e) Beschrijf twee kenmerken die uniek zijn voor prokaryoten. ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ RYCHA Biologie 3  f) Noem twee voorbeelden van organismen die eukaryote cellen hebben. ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ g) Waarom hebben eukaryote cellen organellen zoals mitochondriën, en wat is hun functie? ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ h) Leg uit waarom prokaryote cellen vaak sneller kunnen reproduceren dan eukaryote cellen. ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ Cellen worden beschouwd als een fundamentele eenheid van het leven. Omdat ze meestal zo klein zijn, kun je niet meteen hun gedetailleerde structuur waarnemen. Maar als je ze onder de microscoop bekijkt, wordt al snel duidelijk dat ze bijzonder complex en divers zijn. Om te begrijpen hoe de celcyclus en de celdeling in elkaar zit, moet je nog steeds weten hoe cellen zijn opgebouwd. We focussen ons op de processen bij eukaryote cellen. RYCHA Biologie 4  OPDRACHT Weet jij nog waaruit een plantaardige cel is opgebouwd ? RYCHA Biologie 5 N° ONDERDEEL 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 RYCHA Biologie 6  Weet jij nog waaruit een dierlijke cel is opgebouwd ? RYCHA Biologie 7 N° ONDERDEEL 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 RYCHA Biologie 8  DEEL 1 DNA ORGANISATIE EN REPLICATIE RYCHA Biologie 9 HOOFDSTUK 1. HET GENETISCH MATERIAAL IN DE CEL Nieuwe cellen kunnen alleen ontstaan als bestaande cellen zich delen. De dochtercellen die bij de celdeling ontstaan, krijgen allemaal een kopie van het DNA dat in de oudercel aanwezig is. Dat principe zie je zowel bij prokaryote als bij eukaryote cellen. Om de celdeling helemaal te begrijpen is het belangrijk om goed te weten wat er net gedeeld wordt. Daarom begint dit hoofdstuk met de bespreking van DNA en chromosomen in eukaryote cellen.. STELLING JUIST FOUT Het DNA in je zenuwcel is hetzelfde als het DNA in je spiercel. Het menselijk lichaam bevat circa 74 miljard km DNA Ieder mens deelt 90% van het DNA met andere mensen. De overige 10% is uniek. Een plantencel heeft geen DNA. De helft van je DNA komt van je moeder en de andere helft van je vader. De mens deelt 10% van het DNA met een goudvis. Je DNA verandert nooit. Een man heeft meer DNA dan een vrouw. Je kunt ziektes opsporen in je DNA. Stress kan je DNA veranderen. 1.1 Structuur van het DNA Nucleïnezuren zijn polymeren waarin een groot aantal moleculen, nucleotiden, lineair aan elkaar gebonden zijn. Nucleotiden bestaan uit drie moleculen die aan elkaar gebonden zijn: een monosacharide Er zijn 2 verschillende monosacchariden mogelijk: 1) ribose 2) desoxyribose RYCHA Biologie 10  een stikstofhoudende basische molecule (N-base) Er zijn vijf verschillende N-basen: 3) adenine (A) 4) cytosine (C) 5) guanine (G) 6) thymine (T) 7) uracil (U) een fosfaatgroep Nucleïnezuren (of polynucleotiden) kunnen opgebouwd zijn uit enkele (5-10) tot verschillende miljoenen nucleotiden. De twee belangrijkste nucleïnezuren zijn: desoxyribonucleïnezuur of DNA (deoxyribonucleic acid) In het nucleïnezuur DNA is desoxyribose de monosacharide in de nucleotiden. De N-basen A, C en G komen zowel in DNA als in RNA voor. De N-base T komt enkel in DNA voor. ribonucleïnezuur of RNA (ribonucleic acid) In het nucleïnezuur RNA is ribose de monosacharide in de nucleotiden. De N-basen A, C en G komen zowel in DNA als in RNA voor. De N-base T komt enkel in DNA voor. RYCHA Biologie 11  De vorm van de N-basen speelt een belangrijke rol, deze basen passen in elkaar als puzzelstukjes. Adenine (A) en thymine (T) vormen het ene basepaar en guanine (G) en cytosine (C) vormen het andere basenpaar. We zeggen dat A complementair is aan T en G complementair is aan C. De verschillende nucleotiden vormen een keten doordat de suikermolecule en fosfaatgroep zich verbinden met elkaar. Na de polymerisatie van nucleotiden ontstaat er een polynucleotideketen met een suikerfosfaatruggengraat. Aan het ene uiteinde (5’) bevindt zich een fosfaatgroep en aan het andere uiteinde (3’) bevindt zich op het derde C- atoom van de pentose een vrije hydroxylgroep (-OH). Geef schematisch een polynucleotideketen weer. DNA wordt gevormd door twee polynucleotideketens, de DNA strengen, die samen een ruimtelijke structuur vormen die rond haar as draait. Beide strengen zijn spiraalvormig rond elkaar gewonden en vormen een DNA dubbele helix. RYCHA Biologie 12  De structuur van de DNA dubbele helix Eigenschappen van het DNA - DNA heeft een complementaire structuur De complementair basen vormen basenparen door middel van waterstofbruggen. - DNA heeft een antiparallele structuur De beide polynucleotideketens zijn tegengesteld georiënteerd. Als de ene keten georiënteerd is van 5’ naar 3’, dan zal de complementaire keten in de tegenovergestelde richting georiënteerd zijn, van 3’ naar 5’. - DNA is een dubbele helix. - Het DNA bevat de unieke erfelijke code van een organismen. RYCHA Biologie 13  James Watson en Francis Crick in 1953 ontrafelden dat de twee DNA strengen samengehouden werden door waterstofbruggen. Zij zijn dus als het ware de ontdekkers van het DNA. Echter had Rosalind Franklin de dubbele helix structuur eerder in beeld gebracht met röntgenfoto’s. Zij kreeg tijdens haar leven geen erkenning voor haar onderzoek. PRACTICUM: Extractie van DNA uit kiwi. RYCHA Biologie 14 1.2 Gen en genoom De volgorde van de organische stikstofbasen in een DNA-molecule is een unieke erfelijke code. Een stukje DNA dat de code bevat voor de aanmaak van een eiwit is een gen. De eiwitten staan in voor de werking en de structuur van de cel. Het genoom is de volledige verzameling van DNA in een cel. Het genoom bevat alle genetische informatie die een organisme nodig heeft om te groeien, te overleven en zich voort te planten. Niet elk stukje DNA wordt gebruikt om eiwitten aan te maken. We spreken van coderend en niet-coderend DNA. Onder coderend DNA verstaan we de genen die de code bevatten om eiwitten aan te maken. Het coderingsproces, de eiwitsynthese bestaat uit verschillende stappen zoals transcriptie en translatie (Zie verder in deze cursus). 1.3 Van chromatine tot chromosomen Alleen in een compacte vorm past het DNA in de celkern. Daarom wordt het DNA als het ware opgevouwen. Die sterke opvouwing is mogelijk door specifieke eiwitten, de histonen. Dit zijn positief geladen eiwitten waarrond het negatief geladen DNA zich wikkelt. Het DNA wordt opgerold rond 8 histonen, dit geheel is een nucleosoom. Opeenvolgende nucleosomen rangschikking zich per twee onder elkaar en vormen zo een chromatinevezel. Alle nucleosomen vormen samen het chromatine. Chromatine is dus een netwerk van vezels opgebouwd uit DNA en eiwitten (histonen). In een celkern bevinden zich 2 soorten chromatine: Euchromatine: - bevat de actieve delen van het DNA. - is lichter gekleurd op elektronenmicroscopisch beeld - hoe actiever de cellen, hoe meer euchromatine zichtbaar RYCHA Biologie 15  Heterochromatine: - is compacter opgerold - bevat voornamelijk inactief DNA - is donkerder gekleurd op elektronenmicroscopisch beeld Wist je dat er in elke celkern ongeveer 2 meter aan DNA zit opgevouwen. RYCHA Biologie 16 De chromatinevezels gaan zich verder opvouwen en spiraliseren tot een zeer gecondenseerde X-vormige structuur, de chromosomen. Let op: Bij een niet delende cel komt het DNA voor als euchromatine of als heterochromatine. De meest compacte vorm van het chromosoom zie je vlak voordat de cel zich gaat delen. In de bekende X-vormige structuur bevindt het chromosoom zich in een verdubbelde toestand. (Zie DNA replicatie) In één menselijke lichaamscel bevinden zich 46 DNA-moleculen of chromosomen. Het DNA in de celkern is dus verdeeld over meerdere gescheiden moleculen, de chromosomen. De chromosomen bestaan uit twee identieke chromatiden. Deze bevatten identieke genen en worden zusterchromatiden genoemd. De 2 chromatiden zijn hangen samen door middel van een centromeer. De X-vormige chromosomen die ontstaan na de verdubbeling van het DNA noem je delingschromosomen. De benaming ‘chromosoom’ is afkomstig van het Griekse χρωμα (khroma) en σωμα (soma). Het betekent dus letterlijk ‘gekleurd lichaam’. RYCHA Biologie 17 1.3.1 Diploïd en haploïd Het lichaam van een organisme bestaat voor het grootste deel uit lichaamscellen of somatische cellen, die zorgen voor de opbouw van weefsels en organen. Het aantal chromosomen in deze cellen is constant voor een soort organisme. Van elk type chromosoom zijn er 2 exemplaren. Dit zijn diploïde cellen en ze worden voorgesteld door 2n. Bij de mens is 2n gelijk aan 46 chromosomen. Dit zijn 23 paar chromosomen die teruggevonden worden in elke lichaamscel. Het aantal chromosomen in een lichaamscel is heel uiteenlopend voor verschillende soorten organismen. Een organisme heeft ook geslachtcellen of gameten in deze cellen zit slechts de helft van het aantal chromosomen dat in diploïde cellen gevonden wordt. De gameten zijn haploïde cellen, waarbij van elk type chromosoom maar één exemplaar aanwezig is, ze worden voorgesteld door n. Bij de mens is n gelijk aan 23 chromosomen. RYCHA Biologie 18 1.3.2 Soorten chromosomen In één menselijke lichaamscel bevinden zich 46 DNA-moleculen of 23 paar chromosomen: 1 paar geslachtschromosomen = heterosomen o XX = vrouwelijk individu o XY = mannelijk individu Het X-chromosoom is groter dan het Y-chromosoom en bevat ook meer genen. 22 paar lichaamschromosomen = autosomen 1.3.3 Karyogram Tijdens de celdeling is het mogelijk om een foto te maken van de chromosomen en de afbeeldingen te rangschikken in paren volgens grootte en vorm. Op die manier bekom je een chromosomenkaart of een karyogram. Het geslachtschromosomenpaar wordt altijd als laatste geplaatst op het karyogram. RYCHA Biologie 19 OPDRACHTEN 1. Wat is de juiste volgorde van groot naar klein ? A) Chromosoom, gen, base, nucleotide B) Gen, chromosoom, nucleotide, base C) Chromosoom, gen, nucleotide, base D) Gen, chromosoom, base, nucleotide 2. Welk kenmerk van ons erfelijk materiaal is niet universeel bij levende organismen ? A) De aaneenschakeling van desoxyribose en fosfaat. B) De aanwezigheid van 2 complementaire strengen. C) De aanwezigheid van 4 base A, C, T en G. D) De sequentie van de nucleotiden. 3. Hoeveel procent van ons DNA bestaat uit genen. A) 0 – 5 % B) 5 – 10 % C) 10 – 50 % D) 50 – 80 % 4. Welk type binding bevindt zich tussen de 2 strengen van de dubbele helix van DNA ? ________________________________________________ 5. Waaruit is chromatine samengesteld ? ________________________________________________ 6. Wat is een nucleosoom ? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ RYCHA Biologie 20 7. Het 5’- en het 3’-einde van een DNA-polynucleotideketen bevindt zich respectievelijk ter hoogte van … A) de fosfaatgroep en de vrije hydroxlgroep van desoxyribose. B) de organische base en de fosfaatgroep. C) de organische base en de vrije hydroxylgroep van desoxyribose. D) De vrije hydroxylgroep van desoxyribose en de organische base. 8. De opeenvolging van nucleotiden in een van de twee strengen van een stukje DNA is als volgt: CTTACTGGATTCGCACTGCT Schrijf de opeenvolging van de nucleotiden in de complementaire DNA-keten en verbind de 2 strengen met waterstofbruggen. 9. In een DNA-molecule komt 20% cytosine voor. Geef het gehalte van de 3 andere basen. o ______________________________ o ______________________________ o ______________________________ 10. Som twee verschillen op tussen RNA en DNA. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ RYCHA Biologie 21 HOOFDSTUK 2. DNA Replicatie Vooraleer een cel gaat delen, wordt haar erfelijk materiaal verdubbeld. De dochtercellen die bij de deling ontstaan, moeten immers elk ook een kopie van het DNA van de oudercel krijgen. Het proces waarbij die kopie wordt aangemaakt noem je DNA replicatie. Voorafgaand aan de DNA replicatie zal de cel grote aantallen nucleotiden en bouwstenen aanmaken die zullen gebruikt worden om het DNA te kunnen verdubbelen. Het verdubbelingsproces gebeurt in verschillende stappen en wordt geregeld door verschillende enzymen. STAP 1 Openen van de DNA-keten door het enzym DNA-helicase: “The unzipper” In deze fase ontstaat er uit één dubbelstrengs keten DNA twee enkele strengen DNA. DNA helicase verbreekt de waterstofbruggen tussen de basenparen. De dubbele helix wordt op meerdere plaatsen tegelijk ontwonden. Je ziet lusvormige structuren, die je replicatielussen noemt. Bij elke replicatielus is er aan elke kant een replicatievork aanwezig. In één DNA-streng zijn er dus meerdere replicatielussen aanwezig. Wanneer die elkaar ontmoeten, is de replicatie volledig. RYCHA Biologie 22 STAP 2 Het enzym primase, “the initializer” koppelt primers aan het openstaande DNA zodat er 3′ beginstukjes ontstaan. Een primer is een stukje RNA dat gebruikt wordt als startpunt waarop het volgende enzym (DNA polymerase kan binden) STAP 3 Het enzym DNA-polymerase zorgt voor de aanhechting van nieuwe complementaire nucleotiden, “the builder”. De losse nucleotiden die rond zweven in de celkern worden in deze fase met behulp van het enzym DNA-polymerase razendsnel complementair gekoppeld. Op deze manier worden er twee nieuwe strengen dubbelstrengs DNA gesynthetiseerd. Elke nieuwe streng DNA die ontstaat is dus opgebouwd uit een deel oud DNA van de moeder en een nieuw gesynthetiseerde streng. Het aanmaken van een nieuwe DNA- streng kan enkel verlopen in de 5’-3’-richting. Het DNA-polymerase hecht zich past aan een 5’-uiteinde van de oorspronkelijke streng en begint nieuwe complementaire basenparen te plaatsen in de 5’-3’- richting. DNA replicatie kan alleen maar plaatsvinden aan de 3′ kant van de opengeritste DNA streng. Hierdoor kan één streng continue worden aangebouwd. Dit noemen we de leading-streng. De andere streng wordt steeds (achterwaarts) in stukjes ingebouwd, deze streng wordt de lagging-streng genoemd. De stukjes van de lagging strand die elk bestaan uit een primer en een stukje DNA, noem je Okazaki-fragmenten. RYCHA Biologie 23 Bij beide replicatievorken worden er een leading streng en een lagging streng gevormd. Wat aan de ene kant van het replicatiestartpunt de leading streng is, is aan de andere kant ervan de lagging streng, en omgekeerd. STAP 4 Het enzym ligase koppelt de losse Okazaki fragmenten aan elkaar, hij is als het ware “the gluer”. De RNA-primers worden verwijderd en vervangen door DNA-nucleotiden. Die Okazaki-fragmenten (enkel DNA) worden ten slotte verbonden door DNA-ligase, dat een binding tot stand brengt tussen een 5’-fosfaatgroep en een 3’-OH-groep van twee achter elkaar liggende fragmenten. RYCHA Biologie 24 Het DNA replicatieproces schematisch voorgesteld. TAAK: Onderzoeksopdracht telomeren RYCHA Biologie 25 OPDRACHTEN 1. DNA synthese gebeurt … A) In de 5’ naar 3’ richting B) In de 3’ naar 5’ richting C) In beide richtingen tegelijk D) Van centromeren naar telomeren 2. Vul de tabel aan. Werking DNA-polymerase Werking DNA-polymerase op de originele op de originele 3’ → 5’-streng 5’ → 3’-streng Is er een continue of discontinue opbouw van de nieuwe streng ? Gebeurt de opbouw naar de replicatievork toe of ervan weg ? In welke oriëntatie wordt de nieuwe streng opgebouwd ? 3. Hoe gebeurt DNA replicatie ? Rangschik chronologisch 1. DNA ligase plakt de nieuwe DNA stukjes aan elkaar. 2. DNA helicase verbreekt de waterstofbruggen tussen de strengen. 3. De DNA replicatie begint. 4. Er worden Okazaki fragmenten gevormd. 5. Primase synthetiseert RNA-primers op de ouderlijke DNA-streng. 6. DNA polymerase voegt nucleotiden toe aan de groeiende DNA-streng. → → → → → RYCHA Biologie 26 4. DNA replicatie maakt gebruikt van twee primers: één voor de lagging-streng en één voor de leading-streng. Is bovenstaande stelling juist of fout ? Verklaar. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 5. Benoem alle aangeduide delen. 6. Op de afbeelding zie een replicatievork. Welke nucleotiden horen op de plaats van W, X, Y ? W = _______________ X = ________________ Y = _______________ RYCHA Biologie 27  DEEL 2 DE CELCYLUS EN CELDELING RYCHA Biologie 28 HOOFDSTUK 1. SOORTEN CELDELING Het vermogen van organismen om zich te reproduceren en zo hun genetisch materiaal door te geven aan de volgende generatie is een kenmerk dat levende wezens onderscheid van niet-levende materie. Deze bijzondere eigenschap heeft een cellulaire basis. De continuïteit van het leven is gebaseerd op de vermeerdering van cellen. Dat proces noemen we celdeling. Celdeling is noodzakelijk voor organismen om te kunnen groeien = cellulaire groei. bij meercelligen beschadigde en oude cellen te vervangen =celreparatie. nieuwe cellen te vormen, elke cel heeft een beperkte levensduur = celullaire reproductie. Het mechanisme van celdeling en de biologische gevolgen daarvan zijn aanzienlijk veranderd tijdens de evolutie van het leven op aarde. Het proces is relatief eenvoudig bij prokaryoten maar complexer bij eukaryoten. Cellen regelen hun celdeling door met elkaar te communiceren. Dit doen ze door middel van chemische signalen van speciale eiwitten. Het is ook belangrijk dat cellen op bepaalde momenten weer stoppen met delen. Als een cel niet meer kan stoppen met delen terwijl dit wel moet, dan kan dat leiden tot bijvoorbeeld kanker. We elke minuut 30.000 tot 40.000 dode huidcellen verliezen? Dat betekent dat we elke dag zo’n 50 miljoen cellen kwijtraken. Bij de celdeling heet de cel die deelt de ‘moedercel’. De moedercel deelt in twee ‘dochtercellen’. Dit proces herhaalt zich vervolgens in wat we de celcyclus noemen. RYCHA Biologie 29 Afhankelijk van het type cel zijn er twee manieren waarop cellen kunnen delen: mitose (hoofdstuk 3) en meiose (hoofdstuk 4). De aanmaak van nieuwe lichaamscellen voor celreparatie en cellulaire groei gebeurt door middel van de gewone celdeling of mitose. Een belangrijk kenmerken van mitose is dat de 2 nieuwe dochtercellen evenveel en hetzelfde erfelijk materiaal hebben als de moedercel. De moedercel en beide dochtercellen zijn diploïd (2n) en genetisch identiek aan elkaar. De gameten worden gevormd door een speciaal delingsproces in de voortplantingsorganen: meiose of reductiedeling. Kenmerkend voor meiose is dat de diploïde (2n) moedercel, door halvering van het aantal chromosomen, haploïde(n) dochtercellen laat ontstaan. De dochtercellen zijn genetisch verschillend van elkaar en verschillend van de moedercel. Een haploïde eicel en een haploïde zaadcel versmelten bij de bevruchting tot één diploïde zygote. Sommige cellen in het lichaam kernloos zijn en niet aan celdeling doen ? Een voorbeeld zijn de rode bloedcellen of erythrocyten. Hun aanmaak start wanneer de nieren een laag gehalte aan zuurstofgas opmerken. Als reactie produceren ze het hormoon erythropoëtine (epo). Door epo als doping te gebruiken, kun je zorgen voor een hoger gehalte aan rode bloedcellen. De verbeterde aanvoer van zuurstofgas is vooral voor duursporters een oneerlijk voordeel. RYCHA Biologie 30 HOOFDSTUK 2. DE CELCYCLUS Alles wat leeft, heeft een cyclus van geboren worden, zich ontwikkelen en groeien en vervolgens sterven. Deze cyclus noemen we een levenscyclus. Cellen hebben zoals alle levende wezens op aarde ook een levenscyclus. De levenscyclus van de cellen noemen we de celcyclus. De celcyclus begint op het moment dat de cel door deling ontstaat en eindigt op het ogenblik dat deze cel op haar beurt splitst in 2 nieuwe dochtercellen. De celcyclus bestaat uit de voorbereiding op de celdeling en de celdeling zelf. RYCHA Biologie 31 Een celcyclus bij eukaryoten bestaat uit de cyclische opeenvolging van een interfase en een celdeling. Tijdens de interfase vervult de cel haar normale functies. De cel bereidt zich voor op de celdeling: er treedt onder andere DNA- replicatie op. Tijdens de celdeling vormen zich nieuwe celkernen en verdeelt het cytoplasma zich over de dochtercellen, de cytokinese. Op basis van het doel van de celdeling onderscheidt men twee soorten celdelingen: mitose en meiose. 2.1 De interfase Normaal gezien bevindt een cel zich tijdens het grootste deel van haar levenscyclus in de interfase. In die fase voert de cel haar normale functies uit en bereidt ze zich voor op de celdeling. Onder de microscoop zijn er bij cellen in de interfase geen zichtbare veranderingen waar te nemen. Toch kun je de interfase opdelen in drie opeenvolgende stadia: G1, S en G2. De G-fasen of ‘growth’-periodes zijn groeifasen van de celcyclus. De S-fase is de DNA-synthese fase. Na de interfase, die gemiddeld 21 uur duurt, vindt de eigenlijke celdeling plaats, deze duurt slechts 1 uur. 2.1.1 De G0-fase Sommige cellen kunnen de celcyclus verlaten en komen dan in de G0-fase terecht. Deze ‘out of cycle’-fase is de fase waarbij de cel in een rustfase terecht komt en niet meer in staat is om aan celdeling te doen. 2.1.2 De G1-fase Tijdens de G1-periode groeit de cel door toename van het cytoplasma. In deze fase worden ook eiwitten en celorganellen aangemaakt. RYCHA Biologie 32 2.1.3 De S-fase De S-fase of syntheseperiode is de fase waarin DNA-replicatie plaatsvindt. DNA- replicatie is het proces waarbij het genetisch materiaal wordt gekopieerd als voorbereiding op de effectieve celdeling. (Zie deel 1) 2.2.4 De G2-fase Tijdens de G2-periode gebeurt de controle van het nieuw gevormde DNA. Als de schade echter te groot is, treedt er meestal apoptose of geprogrammeerde celdood op. Dit is een mechanisme om de cel te beschermen ze moet voorkomen dat de cel zich omvormt tot een kankercel. Daarnaast zal de cel zich voorbereiden op de celdeling door: extra histonen te vormen, het centriolenpaar te dupliceren en extra membraanmateriaal aan te maken. HOOFDSTUK 3. MITOSE De mitose is de gewone celdeling waarmee dochtercellen worden gevormd. Dit gebeurt voor: - groei - regeneratie (herstel) - ongeslachtelijke voortplanting Na mitose bevatten de dochtercellen precies dezelfde informatie voor erfelijke eigenschappen als de oorspronkelijke cel, de zogenaamde moedercel: moeder en dochtercellen zijn genetisch identiek. Planten kunnen via mitose ongeslachtelijk voortplanten. Je kan een stuk ‘moederplant nemen en dit laten uitgroeien tot nieuwe planten, stekken, die genetische identiek zijn aan de moederplant. Schematisch voor een diploïde moedercel (bv. cellen van een blad) Voor een haploïde moedercel (bv. levermossen) RYCHA Biologie 33 De mitose verloopt in vier fasen: - profase - metafase - anafase - telofase Onmiddellijk daarna volgt de cytokinese, de deling van het cytoplasma. 3.1 Profase Chromatinevezels gaan spiraliseren en condenseren en vormen de delingschromosoom. Het kernmembraan valt uit elkaar. Uit de 2 gevormde centriolenparen ontstaat een spoelfiguur die opgebouwd is uit draden van microtubuli: trekdraden en steundraden. 3.2 Metafase De chromosomen verplaatsen zich naar het evenaarsvlak van de cel. Delingschromosomen komen op één lijn te liggen. In deze fase zijn de chromosomen het gemakkelijkst zichtbaar onder een lichtmicroscoop, deze fase is dan ook het meest geschikt voor het maken van een karyogram. RYCHA Biologie 34 3.3 Anafase De trekdraden hechten zich vast aan de centromeren en worden korter waardoor de zusterchromatiden worden uit elkaar getrokken, elk naar een tegenovergestelde pool van de cel. Aan elke pool is er van elk type chromosoom 1 exemplaar. Er zijn voor de mens dus 46 chromosomen per pool. 3.4 Telofase De spoelfiguur wordt afgebroken. Nieuwe kernmembranen worden gevormd. Chromosomen ontvouwen zich terug. De insnoering start. 3.5 Cytokinese De verdeling van het cytoplasma en de definitieve insnoering vindt plaats in deze fase. Op het einde van deze fase ontstaan er 2 genetisch identieke dochtercellen. RYCHA Biologie 35 OPDRACHTEN 1. Vergelijk mitotische deling bij andere eukaryoten en bij prokaryoten Eukaryoten Plantaardig Fungi Prokaryoten Bacteriën 2. Vul onderstaande tabel aan. MITOSE Tekening Wat gebeurt er in deze fase ? - algemene celdeling Profase RYCHA Biologie 36 Metafase Anafase Telofase Cytokinese Interfase - G1 - S - G2 - RYCHA Biologie 37 3. Welke uitspraak omschrijft correct wat er gebeurt tijdens de metafase van een cel die zich mitotisch deelt?  Elk chromosoom vormt twee chromatiden  De chromatiden bereiken de polen van de spoelfiguur  De chromosomen worden korter en dikker  De chromosomen liggen in het evenaarsvlak. 4. Een muis heeft een mutatie waarbij zijn zusterchromatiden niet worden gescheiden tijdens de celdeling. Op welke fase van mitose moeten onderzoekers zich richten om de aandoening te verhelpen met behulp van medicatie ?  Profase  Telofase  Anafase  Metafase 5. Stel hieronder de celcylus schematisch voor. Verdeel en benoem op de afbeelding alle stadia en fasen van de celcylus. RYCHA Biologie 38 6. Zet de volgende mitotische fasen in de juiste volgorde en benoem elke fase. Figuur Fase 1 2 3 4 PRACTICUM: Mitose RYCHA Biologie 39 HOOFDSTUK 4. MEIOSE Elk ouderorganisme maakt gameten of geslachtscellen aan om aan geslachtelijke voorplanting te kunnen doen. De gameten worden gevormd door een speciaal delingsproces in de voortplantingsorganen: meiose of reductiedeling. Meiose is dus van groot belang voor voortplanting en de evolutie van een soort. Kenmerkend voor meiose is dat de diploïde (2n) moedercel, door halvering van het aantal chromosomen, haploïde(n) gameten (dochtercellen) laat ontstaan. De dochtercellen zijn genetisch verschillend van elkaar en verschillend van de moedercel. Na versmelting van de gameten ontstaat er een nieuw organisme met de oorspronkelijke hoeveelheid genetisch materiaal. Voor de vorming van de gameten gebeurt er na de interfase twee keer een deling van de kern. Die delingen, die meiose I en meiose II worden genoemd, verlopen ook via een profase, metafase, anafase en telofase. Er treedt twee keer cytokinese op. Daardoor ontstaan er vier geslachtscellen uit de oorspronkelijke cel. Schematisch Meiose I Meiose II RYCHA Biologie 40 4.1 De eerste meiotische deling: Meiose I 4.1.1 Profase 1 Chromatinevezels gaan spiraliseren en condenseren en vormen het delingschromosoom. Het kernmembraan valt uit elkaar. Uit de 2 gevormde centriolenparen ontstaat een spoelfiguur die opgebouwd is uit draden van microtubuli: trekdraden en steundraden. Crossing-over Chromatiden wisselen stukjes uit met elkaar, hierdoor ontstaan er nieuwe en unieke genetische samenstellingen. 4.1.2 Metafase 1 Homologe chromosomen liggen per paar in het evenaarsvlak. 4.1.3 Anafase 1 De trekdraden verkorten en trekken aan de homologe chromosomen. Het ene homologe chromosoom gaat naar de ene pool en het andere homologe chromosoom naar de andere pool. De verdeling gebeurt willekeurig, maar het aantal chromosomen wordt wel gelijk verdeeld. RYCHA Biologie 41 4.1.4 Telofase 1 + cytokinese De spoelfiguur wordt afgebroken. Nieuwe kernmembranen worden gevormd. Chromosomen ontvouwen zich terug. Het celmembraan wordt ingesnoerd door cytokinese waardoor er 2 dochtercellen ontstaan. 4.2 De tweede meiotische deling: Meiose II De tweede meiotische deling is gelijkaardig aan mitose. In elke dochtercel zijn er bij de start van Meiose II n delingschromosomen aanwezig. 4.2.1 Profase 2 De spoelfiguur bouwt zich weer op en de centriolenparen bewegen naar tegenovergestelde polen. 4.2.2 Metafase 2 De delingschromosomen komen op één lijn in het evenaarsvlak te liggen. RYCHA Biologie 42 4.2.3 Anafase 2 De gevormde trekdraden verkorten en trekken de delingschromosomen ter hoogte van hun centromeer uit elkaar in losse zusterchromatiden naar de tegenovergestelde polen toe. 4.2.4 Telofase 2 De zusterchromatiden vormen volwaardig nieuwe chromosomen. Het aantal chromosomen in elke celpool is haploïd (n). De spoelfiguur valt uit elkaar. Het kernmembraan wordt terug gevormd en de chromosomen ontvouwen zich terug. De insnoering start. 4.2.5 Cytokinese Het celmembraan wordt ingesnoerd waardoor er 4 haploïde dochtercellen ontstaan als gevolg van 2 opeenvolgende delingen tijdens de meiose. Door crossing-over in de profase 1 zijn de 4 dochtercellen genetisch uniek. TAAK Schematisch verschil mitose en meiose TAAK Visueel verschil mitose en meiose RYCHA Biologie 43 HOOFDSTUK 5 – CONTROLE VAN DE CELCYLUS 5.1 Controlepunten Het is essentieel dat de celcyclus correct verloopt. Ongecontroleerde celdeling kan immers leiden tot ziektes zoals kanker. Daarom gebeuren er op vele momenten van de cyclus controles door specifieke eiwitten. De drie belangrijkste controlepunten vinden plaats: tussen de G1- en de S-fase; tussen de G2-fase en de mitose; tijdens de metafase. Voorbeeld specifiek eiwit: p53 ‘beschermer van het genoom’ Het eiwit p53 gaat in de G1-fase na of er voldoende moleculen zijn voor de DNA- replicatie. Tijdens de G2-fase controleert het eiwit het nieuwgevormde DNA op schade. Als de schade beperkt is, vertraagt p53 de celcyclus, zodat er voldoende tijd is voor herstel. Is er veel DNA-schade, dan zet p53 het celdoodprogramma (apoptose) in werking. RYCHA Biologie 44 5.2 Ongecontroleerde celdeling Fouten in de controle kunnen leiden tot een verhoogde celdeling. Daaruit ontstaat dan een gezwel of tumor, een cluster van snel delende cellen. Een gezwel is goedaardig als de cellen de omliggende weefsels niet binnendringen. Een goedaardig gezwel is meestal ingekapseld. Het gezwel kan groot worden, maar hoeft daarom nog geen problemen te veroorzaken. Er kunnen wel klachten ontstaan door druk op de omliggende weefsels. Bij een kwaadaardig gezwel of kanker groeien de cellen wel in de omliggende weefsels. Bij kanker is er ook uitzaaiing of metastase mogelijk. De kankercellen komen los en verspreiden zich via het bloed of de lymfe naar andere plaatsen in het lichaam. De kankercellen, die zich door ontregelede mitose blijven delen, verdringen en vervangen de omliggende weefsels. De celdifferentiatie, die een cel een specifieke vorm en functie geeft, verloopt ook foutief. Hierdoor zijn cellen niet meer gespecialiseerd, functioneren ze niet meer, maar delen ze wel nog. De delende kankercellen verbruiken wel grote hoeveelheden 02 en voedingstoffen waardoor het individu na verloop van tijd duidelijke lichamelijke klachten begint te ondervinden. RYCHA Biologie 45 Oorzaken De aanleiding voor een foute controle van de celdeling ligt meestal in een mutatie van de genen die zorgen voor de aanmaak van de controle-eiwitten (bv. p53). Een mutatie is een verandering in het DNA en kan leiden tot de aanmaak van een abnormaal eiwit (bv. niet goed werkend p53). Een mutatie kan optreden door: - externe factoren Voorbeelden: ________________________________________________ - niet herstelde fouten na DNA-replicatie. DNA-schade bouwt zich op tijdens het leven, hierdoor stijgt de kans op kanker met de leeftijd. Op jonge leeftijd komen er vaker kankers voor in weefsels die zich veel delen. Voorbeelden: ____________________________________________ Ook bepaalde virussen kunnen het controlemechanisme verstoren en zo kanker veroorzaken. Voorbeelden: ___________________________________________ Antimitotische middelen Er bestaan chemische moleculen die mitoseremmend werken, waardoor de groei van cellen afremt. Het zijn antimitotica, zoals cytostatica. Als deze stoffen gebruikt worden bij de behandeling van kanker, noemen we dit chemotherapie. Het nadeel van deze behandeling is dat ook normaal functionerende cellen niet meer delen. Voorbeeld: Paclitaxel (Taxol®). Deze molecule verstoort de correcte vorming van de spoelfiguur. De celdeling wordt verhindert en de cel sterft af. Sneldelende kankercellen worden zo sterk geremd en sterven af. Figuur: Paclitaxel RYCHA Biologie 46 Stamcellen Stamcellen zijn cellen die nog geen celdifferentiatie ondergaan hebben en nog zijn gespecialiseerd zijn om een bepaalde functie uit te voeren. Het zijn cellen die zichzelf kunnen vernieuwen via mitose en die specialisatie kunnen ondergaan tot een specifieke cel. Als er een probleem opduikt in het DNA kan een kankercel ontstaan, deze kan via bestraling of chemotherapie vernietigd worden. In sommige gevallen kunnen stamcellen gebruikt worden om in het lichaam te zorgen voor nieuwe cellen die de vernietigde kankercellen kunnen vervangen. Omdat de stamcellen nog specialisatie moeten ondergaan, kunnen ze uitgroeien tot nieuwe bloedcellen, zenuwcellen, spiercellen,… De behandelingen met stamcellen zitten nog in een onderzoeksfase, maar voor bepaalde vormen van bloedkanker (bv. leukemie) wordt stamceltherapie al courant toegepast. RYCHA Biologie 47