مواضيع المحاضرة:
background image

 

 

49

 

 

 

 

 

 

ukaryotic chromosomes and the cell cycle

E

-

9

 

The DNA in the chromosomes of eukaryotes is associated with various proteins including 
histone proteins that are especially involved in organizing chromosomes. When an 
eukaryotic cell is not undergoing division, the DNA(associated proteins) within a nucleus 
is a tangled mass of thin threads called chromatin. at the time of division, chromatin 
becomes highly coiled and condensed, and it easy to see the individual chromosomes.

 

 

 

 

 

Cell division in eukaryotes involves nuclear division (karyokinesis) and cyto kinesis, which 
is division of the cytoplasm. The nuclei of somatic or body cells undergo mitosis (nuclear 
division in which the chromosome number stays constant). A 2n nucleus divides to 
produce daughter nuclei that are also 2n. Mitosis is the type of nuclear division that is 
involved in development, growth and repair of multicellular organisms. Before nuclear 
division takes place, DNA replicates, duplicating the chromosomes. Each chromosome 
now has two identical parts called sister chromatids (fig.9-2). Sister chromatids are 
genetically identical; that is, they contain exactly the same genes. Sister chromatids are 
constricted and attached to each other at a region called centromere. During nuclear 
division the two sister chromatids separate at the centromeres, and in this way each 
duplicated chromosome gives rise to two daughter chromosomes. These chromosomes, 
which consist of only one chromatid, are distributed equally to the daughter cells. In this 
way, each daughter cell gets a copy of each chromosome.

 


background image

 

 

51

 

 

 

 

 

When the chromosomes are visible it is possible to photograph and count them. Each 
species has a characteristic chromosome number (table 9-1); for instance, human cells 
contain 46 chromosomes, corn has 20 chromosomes and a crayfish has 200 this is called 
the full or diploid (2n) number of chromosomes that is found in all cells of the body. The 
diploid number includes two chromosomes of each kind. Half the diploid number is 
called the haploid (n) number of chromosomes, contains only one of each kind of 
chromosome. In the life cycle of many animals, only sperm and eggs have the haploid 
number of chromosomes.

 

 

 

 

 


background image

 

 

51

 

Cell division or mitosis

 

* During this process, the parent cell divides and each of the daughter cells receive a         
   chromosomal set identical to that of the parent cell.                                                              
* A longitudinal duplication of the chromosomes takes place and these chromosomes      
  are distributed to the daughter cells.                                                                                            
* The phase between two mitosis is called interphase, during which the nucleus as it         
   is normally observed in microscopic preparations.                                                                    
* the process of mitosis is subdivided into phases to facilitate it.

 

 

 

 

The prophase 

 

-

1

 

Is characterized by the gradual coiling of nuclear chromatin (coiled chromosomes) that          
stains intensely. At the end of prophase:                                                                                          
1)
 the nuclear envelope is broken by phosphorylation (addition of PO4) of the nuclear             
lamina proteins, originating vesicles that remain in the cytoplasm.                                            
2)
 the centrosomes with their centrioles separate and a centrosome migrates to each pole         
of the cell. 

The duplication of the centrosomes and centrioles starts in the interphase, before 

Simultaneously with centrosome migration, the microtubules of the mitotic 

 

mitosis.
spindle appear between the two centrosomes, and the nucleolus disintegrates.

 

 

 

magnification. A: Interphase nuclei. 
Note the chromatin and nucleoli 
inside each nucleus. B: Prophase. No 
distinct nuclear envelope, no 
nucleoli. Condensed chromosomes. 
C: 

Metaphase

. The chromosomes are 

located in a plate at the cell equator

B

C

 


background image

 

 

52

 

 

2)metaphase

 

 

the equatorial plane of 

Chromosomes, due to the activity of microtubules, migrate to 

where each divides longitudinally to form two chromosomes called sister 

the cell, 

an 

 

spindle, at

chromatids. The chromatids attach to the microtubules of the mitotic 

chora, 

moving, + 

 

kinetos,

(Gr. 

dense, DNA “protein plaque, the kinetochore 

-

ron

elect
central region), located close to the centromere of each chromatid.

 

 

 

                                                

3)Anaphase

 

 

 

* The sister chromatids separate from each 
other and migrate toward the opposite poles of the 
cell, pulled by microtubules. Throughout this 
process, the centromeres move away from the 
center, pulling the remainder of the chromosome 
along. 

 

is the constricted region of a 

 

The centromere


mitotic chromosome that holds the two sister 
chromatids together until the beginning of 
anaphase.

 

 

4)Telophase

 

Is characterized by                                                                                                                               
1-the reappearance of nuclei in the daughter cells.                                                                     
2- The chromosomes revert to their semidispersed state.                                                          
3- and the nucleoli, chromatin, and nuclear envelope reappear.                                               

of the parent cell and progresses until 

A constriction develops at the equatorial plane 

 

-

4
the cytoplasm and its organelles are divided in two.                                                                    
* This constriction is produced by microfilaments of actin associated with myosin that 
accumulate in a belt like shape beneath the cell membrane.

 


background image

 

 

53

 

Figure 3—15. 
Phases of mitosis.

 

rapid in the 

he turnover rate of cells varies greatly from one tissue to another, a 

* T

and the epidermis of skin cells, and slow in the pancreas 

epithelium of the digestive tract 
and the thyroid gland 

 

* The nervous system, contains a few stem cells and a few dividing cells, but most 
neurons, once differentiated, can live for more than 100 years without dividing again.

 

* Like stem cells, fibroblasts of the connective tissue, are typically nondividing, but they 
can be stimulated to enter the cell cycle following wounding or other stimuli 

 

 

 

 

How Eukaryotic cells cycle

 

* by the 1870s, microscopy could provide detailed and accurate description of 
chromosomal movements during mitosis, but there was no knowledge of cellular events 
between divisions. Because there was little visible activity between divisions, this period 
of time is dismissed as a resting state termed interphase. When it was discovered in the 
1950s that DNA replication occurs during interphase, the cell cycle concept was 
proposed.

 

      Cell grows and divides during a cycle that has four stages (fig.9-3). The entire cell 
division stage, including both mitosis and cytokinesis, is termed the M stage (m=mitosis). 
The period of DNA synthesis when replication occurs is termed the S stage (S=synthesis) 
of the cycle. The proteins associated with DNA in eukaryotic chromosomes are also 
synthesized during this stage. There are two other stages of the cycle. The prior of time 
prior to the S stage is termed G1 stage, and the period of time prior to the M stage is 
termed G2 stage. At first, not much known about these stages and they were thought of 


background image

 

 

54

 

as G=gap stages. Now we know that during the G1 stage, the cell grow in size and 
cellular organelles increase in number. During the G2 stage, various metabolic events 
occur in preparation for mitosis. Some biologists today prefer the designation G=growth 
for these G stages. In any case, interphase consist of G1,S and G2 stages.

 

* Some cells such as skin cells, divide continuously throughout the life of the organism. 
Other cells such as skeletal muscle cells and nerve cells are arrested in the G1 stage. If 
the nucleus from one of these cells is placed in the cytoplasm of an S stage cell, it 
finishes the cell cycle. Cardiac muscle cells are arrested in the G2 stage. If an arrested 
cell is fused with a cell undergoing mitosis, it too starts to undergo mitosis. It appears, 
then, there are stimulatory substances that cause the cell to proceed through two 
critical checkpoints:                                                     G1 stage ----------------  S stage                   
                                                                                             G2 stage ---------------- M stage

 

 

   

 

In cells that are not continuously dividing, the activities of the cell cycle may be 
temporarily or permanently suspended. Cells in such a state (eg, muscle, nerve) are 
referred to as being in the G

0

 phase.

 

 

* Regulation of the mammalian cell cycle is complex. It is known that cultured cells 
deprived of serum stop proliferating and arrest in G

0

. The essential components 

, which are 

growth factors

provided by serum are highly specific proteins called 
required only in very low concentrations. There are some enzymes involved in cell 
cycle 

 

* A Kinase is an enzyme that removes a phosphate group from ATP (The form of 
chemical energy used by cells) and adds it to a protein. Phosphorylated molecules are a 
common way for the cell to turn on metabolic pathways. Notice in figure 9.4 that 


background image

 

 

55

 

phosphorylation of a protein precedes the S stage and M stage of the cell cycle.                  
The kinases involved in the cell cycle are called cyclin dependent because they are 
activated when they combine with a protein called a cyclin.

 

           Figure 9.4 shows how the entire process works. In the diagram, S-Kinase is capable 
of phosphorylating the protein that triggers DNA replication after it has combined with 
S-cyclin. S-cyclin is now destroyed and S-Kinase is no longer active. M-Kinase is capable 
of phosphorylating the protein that turns on mitosis after it has combined with M-cyclin. 
It is known that this particular phosphorylated protein induces the process of                      
 (1) chromosome condensation (2) nuclear envelope breakdown (3) spindle assembly.  
(The spindle is the structure involved in chromosome movement during mitosis).               
  

 

* Ordinary, a cyclin might combine with its kinase only when a growth factor is present. 
But a cyclin that has gone awry might combine with its kinase even when a growth 
factor is not present. The result would be uncontrolled cell growth resulting in a tumor. 
On the other hand, tumor suppressor genes usually function to prevent cancer from 
occuring. It has been shown that the product of one major tumor-suppressor gene (p53) 
brings about the production of a protein that can combine with a cyclin-kinase complex 
and prevent that kinase from becoming active. p53 can also help induce apoptosis in 
cancerous cells. Apoptosis is a process of programmed cell death involving a cascade of 
specific cellular events leading to the death and destruction of the cell.

 

 

 


background image

 

 

56

 

 

checkpoints

 

* The cell cycle is highly regulated, and checkpoints control transitions between cell-
cycle stages.                                                                                                                                     
Checkpoints are biochemical circuits that detect external or internal problems and send 

                                                                                   

.   

cycle system

-

inhibitory signals to the cell
  There are four major types of checkpoints                                                                                   
                                                                                                                                                                
        

 

 

 

MEDICAL APPLICATION

 

erythropoietin, which 

* Some growth factors are being used in medicine. One example is 
stimulates proliferation, differentiation, and survival of red blood cell precursors in the 

     

    

                                                                                                                             

bone marrow. 
* The cell cycle is also regulated by a variety of signals that inhibit progression through     
   the cycle.                                                                                                                                            
* DNA damage arrests the cell cycle not only in G

2

 but also at a checkpoint in G

1

 .               

   G

1

 arrest may permit the damage to be repaired before the cell enters  S phase               

* In mammalian cells, arrest at the G1 checkpoint is mediated by the action of a protein   
   p53.                                                                                                                                                     

the cell's 

The gene encoding p53 is often mutated in human cancers, thus reducing 

.                                                                                                        

ability to repair damaged DNA
Inheritance of damaged DNA by daughter cells results in an increased frequency of 
mutations and general instability of the genome, which may contribute to the 
development of cancer

 

                                                       

 

Processes that occur during the G2 phase include:

1-the accumulation of energy to be used during mitosis                                                             
2- the synthesis of tubulin to be assembled in mitotic microtubules                                        
3- and the synthesis of chromosomal non histone proteins.                                                      
4- In G

2

 there is also a checkpoint at which the cell remains until all DNA synthesized         

     with defects is corrected.                                                                                                             

      

complex maturation promoting factor 

cumulation of the protein 

there is an ac

 

2

In G

 

-

5
 (MPF) that induces the beginning of mitosis, the condensation of the chromosomes, the 
       rupture of the nuclear envelope, and other events related to mitosis

           

 

Prokaryotes and Eukaryotes

9.4 Comparing 

 

Binary fission and mitosis ensure that each daughter cell is genetically identical to the 
parent cell. The genes consist of DNA found in the chromosomes.                                           


background image

 

 

57

 

                 Bacteria and protists such as amoeboids and paramecia, are unicellular. Cell 
division is unicellular organisms produces two new individuals:

 

 

 

This is a form of a sexual reproduction because one parent has produces identical 
offspring (table 9.2).                                                                                                                            
                    In multicellular forms such as most fungi, plants and animals, cell division is 
part of the growth process that produces the multicellular form we recognize as the 
organism. Cell division is also important in multicellular forms for renewal and repair:

 

 

Meiosis

 

* Meiosis, which requires two nuclear divisions, results in four daughter cells, each having                                                        
one of each kind of chromosome and therefore half the number of chromosomes as the 
parental cell.                                                                                                                                            
* The parental cell has the 2n number of chromosomes, while the daughter cells have the n 
number of chromosomes. Therefore, meiosis is often called reduction division. The 
daughter cells that result from meiosis go on to become the gametes.

 

                                        

* Stages of Meiosis                                                                                                                                                
The same four stages of mitosis—prophase, metaphase, anaphase, and telophase—occur 
during both meiosis I and meiosis II.

 


background image

 

 

58

 

The First Division

 

.During prophase I, the spindle appears while the nuclear envelope fragments and the 
nucleolus disappear.                                                                                                                          
The homologous chromosomes, each having two sister chromatids, undergo synapsis, 
forming tetrads.                                                                                                                            
Crossing-over occurs now. 

 

In metaphase I, tetrads line up at the equator of the spindle. 

 During anaphase I, homologous chromosomes of each pair separate and move to opposite 
poles of the spindle.

 

 During telophase I, nucleoli appear, and nuclear envelopes form as the spindle disappears.                                                                                                                                          
During cytokinesis, the plasma membrane furrows to give two cells. Each daughter cell 
contains only one chromosome from each homologous pair.                                                        
The chromosomes are dyads, and each has two sister chromatids.                                           
No replication of DNA occurs during a period of time called interkinesis  

The Second Division meiosis II  

At the beginning of prophase II, a spindle appears while the nuclear envelope disassembles 
and the nucleolus disappears.                                                                                                         
Dyads (one dyad from each pair of homologous chromosomes)  are present, and each 
attaches to the spindle independently.

 

 During metaphase II, the dyads are lined up at the equator. 

 

Anaphase II, the centromeres split. The sister chromatids of each dyad separate and move 
toward the poles. Each pole receives the same number of chromosomes 

 


background image

 

 

59

 

In telophase II, the spindle disappears as nuclear envelopes form. 

During cytokinesis, the plasma membrane furrows to give two complete cells, each of which 
has the haploid, or n, number of chromosomes. Since each cell from meiosis I undergoes 
meiosis II, there are four daughter cells altogether

 

 

 

                                                                      

 

The importance of meiosis  

 

the chromosomal number stays constant in each generation of 

* Because of meiosis, 

                            

                                                                                                                    

humans.

during the production of the 

curs in the testes and ovaries 

, meiosis oc

In humans


gametes. When a haploid sperm fertilizes a haploid egg, the new individual has the 
diploid number of chromosomes.

 

There are three ways the new individual is assured a different combination of genes 
than either parent has:                                                                                                                      
1. 
Crossing-over recombines the genes on the sister chromatids of homologous pairs of 
chromosomes.                                                                                                                                      


background image

 

 

61

 

2. Following meiosis, gametes have all possible combinations of chromosomes.                 
3. At fertilization, recombination of chromosomes occurs because the sperm and egg    
carry varied combinations of chromosomes.

  

 

10.4 Viewing the human life cycle

 

 

Mammals, including, humans, have a life cycle that requires both meiosis and mitosis 
(fig.10.6). In males, meiosis is a part of spermatogenesis which occurs in the testes and 
produces sperm. In females, meiosis is a part of oogenesis which occurs in the ovaries 
and produces eggs. A sperm and egg join at fertilization and the resulting zygote 
undergoes mitosis during development of the fetus, which is the stage of development 
before birth. After birth, mitosis is involved in the continued growth of the child and 
repair of tissues at any time.

 

Comparison of Meiosis with Mitosis

 

the following lists and figure 10.7 will allow you to compare meiosis to mitosis. 

 

                   

 

 


background image

 

 

61

 

                                                                                                                        

Occurrence
    

Meiosis occurs only at certain times in the life cycle of sexually reproducing 

organisms. In humans, meiosis occurs only in the sex organs and produces gametes. 
Mitosis is more common because it allows growth and repair of body tissues in 
multicellular organisms, including humans.

 

 

                                                                                                                             

process

The following are distinctive differences between the process of meiosis and mitosis.        
1
) DNA is erplicated only once before both meiosis and mitosis; but there are two 
nuclear divisions during meiosis and only one nuclear division during mitosis.                      
2) 
Homologous chromosomes pair and undergo crossing-over during prophase I of            
    meiosis but not during mitosis.                                                                                                     
3) Paired homologous chromosomes (bivalents) align at the metaphase plate during         
   metaphase I in meiosis; individual (duplicated) chromosomes align at the metaphase     
   plate during metaphase in mitosis.                                                                                              
4) 
Homologous chromosomes (with centromeres intact) separate and move to opposite  
    poles during anaphase I in meiosis; and daughter chromosomes move to opposite         
    poles during anaphase in mitosis.                                                                                                
5) 
The events of meiosis II are just like those of mitosis except that meiosis II nuclei are    
     always haploid.

 

                                                                                                 

Daughter Nuclei and Cells 

The genetic consequences of meiosis and mitosis are quite different as well:                          
1) Four daughter cells are produced by meiosis; mitosis results in two daughter cells.           
2) The four daughter cells formed by meiosis are haploid; the daughter cells produced by      
  mitosis have the same chromosome number as the parent cell.                                                 
3) The daughter cells from meiosis are not genetically identical to each other or to the           
  parent cell. The daughter cells from mitosis are genetically identical to each other and        
to parent cell.

 

                             

Spermatogenesis and Oogenesis produce the gametes

              

 

Figure 10.8 contrasts spermatogenesis with oogenesis, processes that produce 
the gametes in mammals, including humans. In the testes of males, primary 
spermatocyte with 46 chromosomes divides to form two secondary spermatocytes. Each 
with 23 duplicated chromosomes. Secondary spermatocytes divide to produce four 
spermatids, also with 23 daughter chromosomes. Spermatids then differentiate into 
sperm (spermatozoa).The process of meiosis in males always results in four cells that 
become sperm. In the ovaries of females, a primary oocyte has 46 chromosomes and 
divides meiotically into two cells, each having 23 chromosomes. One of these cells, 


background image

 

 

62

 

termed the secondary oocyte, receives almost all the cytoplasm (fig.10.8). The  other is 
polar body that may disintegrate or may divide again. The secondary oocyte begins 
meiosis II and then stops at metaphase II. Then at ovulation, it leaves the ovary and 
enters an oviduct where it may be approached by a sperm. If a sperm does enter the 
oocyte, the oocyte is activated to continue meiosis II to completion. The mature egg has 
23 chromosomes. Meiosis in females produces only one egg and possibly three polar 
bodies. The polar bodies are a way to discard unnecessary chromosomes while retaining 
much of the cytoplasm in the egg. The cytoplasm serves as a source of nutrients for the 
developing embryo.

 

 

 

 

 

 

 

          

 

 

 

 

                                                                             

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 115 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل