Zellzyklus

Übergeordnet
Biologischer Prozess
Untergeordnet
Mitose
Meiose
Endomitose
Endoreplikation
Gene Ontology
QuickGO

Der Zellzyklus ist der zyklische Ablauf von Ereignissen in einer eukaryotischen Zelle von einer Zellteilung zur nächsten. Der Zellzyklus besteht im Regelfall aus Interphase und Mitose (Zellkernteilung).

Phasen des Zellzyklus

Schema des Zellzyklus. I=Interphase, M=Mitose. Die Dauer der Mitose in Relation zu den anderen Phasen ist zur Veranschaulichung verlängert dargestellt
Einzelne Phasen der Mitose

Der Zellzyklus der Zelle ist in zwei Phasen gegliedert: Nach der Mitose (Kernteilung) kommt die Zelle in die Interphase (Zwischenphase), auf die wieder eine Mitose folgt. Die Interphase wird in die G1-, S- und G2-Phase aufgeteilt. Die Bezeichnungen der einzelnen Phasen gehen auf A. Howard und S. R. Pelc (1953) zurück.[1]

G1-Phase (für engl. gap Lücke, Abstand), postmitotische Phase oder Präsynthesephase: Im Anschluss an die Mitose beginnt die Zelle wieder zu wachsen, Zellbestandteile (Zytoplasma oder Zytosol, Zellorganellen) werden ergänzt. Die nachfolgende Synthesephase wird durch Produktion von mRNA für Histone und Replikationsenzyme (DNA-Polymerasen, Ligasen) vorbereitet. Die Zentriolen teilen sich. Der Vorrat an Desoxyribonukleosid-Triphosphaten steigt. Diese Phase dauert im Durchschnitt 3 Stunden, bei in Kultur gehaltenen Säugerzellen zwischen 1 und 12 Stunden. In der G1-Phase liegen die Chromosomen mit einem Chromatid vor.

S-Phase, Synthesephase: Replikation (Reduplikation) der DNA, Produktion der Histone. Danach hat jedes Chromosom zwei Chromatiden. Diese Phase dauert ca. 7 Stunden.

G2-Phase, prämitotische Phase oder Postsynthesephase: Das Endoplasmatische Retikulum wird eingeschmolzen, die Zelle bereitet sich auf die Mitose vor. In Geweben lösen sich die Zellkontakte zu den Nachbarzellen, die Zelle rundet sich ab und vergrößert sich durch Flüssigkeitsaufnahme. Es werden verstärkt RNA-Moleküle und zellteilungsspezifische Proteine synthetisiert, um die nachfolgende Mitose vorzubereiten. Die mittlere Dauer beträgt 3 bis 4 Stunden.

M-Phase (Mitosephase): Hier findet die Teilung der Chromosomen, des Zellkerns (Karyokinese) und der Zelle (Zytokinese) statt. Die 0,5 bis 1 Stunde dauernde Mitose ist in die Phasen Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, und Telophase unterteilt. Anschließend an die Mitose findet die Cytokinese, die Zellteilung, statt.

G0-Phase, Ruhephase: Ausgereifte (ausdifferenzierte), nicht mehr teilungsfähige Zellen, die eine bestimmte Aufgabe innerhalb des Organismus wahrnehmen, verbleiben in der G1-Phase, die dann als G0-Phase bezeichnet wird. Zu diesen Zellen zählen beispielsweise Nervenzellen, Muskelzellen oder Erythrozyten. Einige Zelltypen verbleiben nach ihrer Ausdifferenzierung für Wochen oder Monate in der G0-Phase, können aber dann wieder in die G1-Phase zurückkehren und sich teilen. Beispiele hierfür sind Leberzellen (Hepatozyten) oder Lymphozyten.

Dauer der Phasen

Die Dauer der Phasen ist von Zelltyp und Organismus abhängig. Insgesamt vergeht zwischen zwei Zellteilungen durchschnittlich eine Zeit von 12 bis 24 Stunden (bei Säugerzellen in Kultur). Beispiele:

Zelltyp G1 S G2 M Gesamtdauer des Zellzyklus (Stunden)
Schleimpilz (Physarum polycephalum) sehr kurz 2 4 0,7 ca. 6,7
Bohne (Vicia faba) Meristem der Wurzelspitze 4 9 3,5 2 18,5
Maus (Mus musculus) Tumorzellen in Kultur 10 9 4 1 24
Mensch (Homo sapiens) Tumorzellen in Kultur 8 6 4,5 1 19,5

Bei einigen tierischen Embryonen finden sogenannte Furchungsteilungen statt, bei denen es darum geht eine große befruchtete Eizelle in möglichst viele kleine Einzelzellen zu zerlegen. Bei diesem Prozess sind die Wachstumsphasen G1 und G2 sehr kurz, da die Zellen vor ihrer Teilung nicht mehr wachsen müssen.[2]

Regulation des Zellzyklus

Äußere Faktoren

Zu den äußeren Faktoren, die regulatorisch auf den Zellzyklus einwirken, gehören unter anderem die Zellgröße und das zur Verfügung stehende Nährstoffangebot. Die Anzahl der Nachbarzellen ist bedeutsam, da zuviele Nachbarn eine Zellteilung hemmen können. Weiterhin greifen bestimmte Moleküle, die Wachstumsfaktoren, in den Verlauf des Zyklus ein.

Zu diesen Faktoren gehören auch künstliche Eingriffe in den Zellkyklus, die helfen Zellen einer Zellkultur zu synchronisieren um diese im gleichen Zellzyklusstadium zu halten. Dazu werden zum Beispiel Desoxythymidin und Aphidicolin verwendet, welche die Zellen in der S-Phase halten.[3]

Innere Faktoren und Kontrollpunkte

Dauer und Abfolge der Phasen werden von Steuerungsmechanismen, sogenannten Kontrollpunkten (Checkpoints) überwacht, die dafür sorgen, dass erst dann der nächste Schritt des Zellzyklus erfolgt, wenn der vorhergehende abgeschlossen ist. An solchen Checkpoints besteht dann die Möglichkeit einer Unterbrechung (Arretierung) des Zellzyklus oder auch der Apoptose, des eingeleiteten programmierten Zelltodes.

Es existieren spezielle Zellzyklusproteine wie die CDKs (Cycline dependent Kinases) und die sog. Cycline. Zu bestimmten Zeitpunkten im Zyklus werden diese Proteine verstärkt exprimiert, bis die Konzentration ein Maximum erreicht. Von diesem Maximum nimmt man an, dass es den Kontrollpunkt darstellt. Danach werden die Cycline schnell abgebaut. CDKs und die zugehörigen Cycline bilden Komplexe, deren Aktivierung (Dephosphorylierung von Thr14 und Tyr15 durch cdc25) beziehungsweise Deaktivierung unter anderem durch Wachstumsfaktoren und Protoonkogene gesteuert wird. Die CDKs phosphorylieren und aktivieren somit spezifisch eine Reihe anderer Proteine und steuern so den Zellzyklus.

Beispiel für einen Kontrollpunkt (Checkpoint) ist der

  • Kontrollpunkt für DNA-Schäden: Fehlen Nukleotide, ist der DNA-Stoffwechsel anderweitig gestört oder ist die DNA durch Strahlen oder chemische Stoffe (Mutagene) geschädigt, erzeugt dies ein Signal (p53, was p21 aktiviert), das bewirkt, dass die Zelle in einer der beiden G-Phasen oder in der S-Phase die DNA-Synthese, mittels Inhibition vom Cyclin D/CDK4/6-Komplex als auch den Cyclin E/CDK2-Komplex und der Delta Untereinheit der Polymerase, stoppt und Reparaturgene aktiviert.
  • Kontrollpunkt der Spindelbildung: Die Trennung der Chromatiden in der Anaphase der Mitose wird so lange unterbunden, bis alle Zentromere (Kinetochore) mit Transportfasern des Spindelapparates verbunden sind und die Chromosomen in der Äquatorialplatte nebeneinander angeordnet sind.

Einleitung der Zellteilung

Die Zellteilung bzw. Kernteilung oder Mitose wird bei Eukaryoten durch den Mitose-promoting factor (MPF) eingeleitet. Der Proteinkomplex MPF besteht aus der Cyclin-abhängigen Kinase „CDK1“ und dem „Cyclin B“. In der aktiven Form phosphoryliert der Komplex verschiedene Eiweiße - wie etwa des Histon H1 - und beginnt damit die Prophase der Mitose. Die aktivierten Histone bewirken eine Spiralisierung, das sogenannte „Supercoiling“ der DNA, welches eine der Grundvoraussetzungen für den Beginn der Kernteilung ist.[4]

Zellzyklus und Krebs

Der Zellzyklus neoplastischer Zellen (Krebszellen) wird nicht mehr durch den Organismus kontrolliert. Diese Zellen teilen sich autonom. Die Dauer eines Zellzyklus ist gegenüber normalen Zellen verändert.

Die Entdeckung des Zellzyklus ermöglichte einen tieferen Einblick in die Krebsentstehung. Fehlregulationen im Zellzyklus können zu einem unkontrollierten Zell- und damit Gewebewachstum führen. Dabei gehen wichtige Regulationsproteine (z. B. p53) durch Mutation verloren oder werden übermäßig exprimiert.

Nobelpreis für Medizin

Für ihre Entdeckungen zur Kontrolle des Zellzyklus erhielten die Wissenschaftler Leland H. Hartwell (USA), Tim Hunt (UK) und Paul M. Nurse (UK) im Jahre 2001 den Nobelpreis für Medizin.[5]

Weblinks

 Commons: Cell cycle – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

Einzelnachweise

  1. A. Howard, S. R. Pelc: Synthesis of Desoxyribonuclein Acid in Normal and Irradiated Cells and its Relation to Chromosome Breakage, Heredity 6, Suppl. 261 (1953)
  2. Lehrbuch der molekularen Zellbiologie - Bruce Alberts, 3. Aufl., S. 652
  3. Pedrali-Noy, G. et al.: Synchronization of HeLa cell cultures by inhibition of DNA polymerase alpha with aphidicolin, in: Nucleic Acids Res. 1980 8(2):377–387; PMID 6775308; PDF (freier Volltextzugriff, auf Englisch)
  4. Hamid Emminger, Christian Benz: Physikum exakt: Das gesamte Prüfungswissen für die 1. Äp. 4. Auflage, Georg Thieme Verlag, 2005, ISBN 978-3-13-107034-0, S. 18
  5. Nobelpreis für Medizin und Physiologie 2001

News mit dem Thema Zellzyklus

Die News der letzten Tage

16.08.2022
Parasitologie | Insektenkunde
Fächerflügler kennen keinen Schmerz
Ein Forschungsteam hat untersucht, wie weibliche Fächerflügler das Trauma der Paarung überstehen.
12.08.2022
Taxonomie
Eine neue Orchideenart aus den Bergen Tansanias
Der Bayreuther Biologe Andreas Hemp hat im Nordosten Tansanias eine bisher unbekannte Orchideenart der Gattung Rhipidoglossum entdeckt.
11.08.2022
Biodiversität | Insektenkunde | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Wie die Biodiversität in Weinbergen am besten gefördert wird
Forschende haben untersucht, wie sich eine biologische, biodynamische und konventionelle Bewirtschaftung in Weinbergen auf die Insektenfauna auswirkt.
11.08.2022
Ökologie | Säugetierkunde
Worin unterscheidet sich eine Stadtfledermaus von einer Landfledermaus?
Manche Fledermausarten kommen eher in Städten als auf dem Land vor.
10.08.2022
Ethologie | Säugetierkunde
Seehunden über die Schulter schauen
Wo finden Seehunde ihre Nahrung?
10.08.2022
Ethologie | Biodiversität
Der soziale Faktor der Tierwanderungen
Eine breite Spanne an Tierarten begibt sich auf große Wanderschaft – von kleinsten Insekten bis hin zu den größten Meeressäugetieren unseres Planeten.
10.08.2022
Mykologie | Genetik | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Wie ein Schadpilz seine Wirtspflanze wehrlos macht
Der Pilz Ustilago maydis befällt Mais und kann seinen Wirt erheblich schädigen.
09.08.2022
Biodiversität
Ursachen für die Vielfalt von Baumarten erforscht
Die Anzahl der in den äquatornahen Regionen wachsenden Baumarten ist signifikant höher als in den weiter nördlichen und südlichen Regionen der Erde.
09.08.2022
Evolution
Spurensuche: Abstammungslinien von Pseudoskorpionen
Die tropischen Wälder der Westghats, einer riesigen Gebirgskette in Westindien, sind die Heimat vieler diverser, insbesondere endemischer Arten.
09.08.2022
Neurobiologie
Können Springspinnen träumen?
Die Konstanzer Biologin Dr.
09.08.2022
Ökologie | Paläontologie | Primatologie
Neues von Orang-Utans und ihren ausgestorbenen Vorfahren
Ökologische Kontinuität zwischen Orang-Utans und ausgestorbenen Vorfahren zeigt Abhängigkeit von intakten Regenwäldern.
04.08.2022
Taxonomie
Neue Spinnengattung nach David Bowie benannt
Der bekannte Spinnenforscher Peter Jäger hat eine neue Gattung aus der Familie der Kammspinnen nach dem verstorbenen Popmusiker David Bowie benannt.
03.08.2022
Mikrobiologie | Toxikologie
Wie bakterielle Toxine bei tödlichen Angriffen wirken
Von Bakterien gebildete Toxine sind schädliche und oft tödliche Substanzen, sie treffen den Wirtsorganismus, wo es am meisten weh tut und fördern Infektionen und Krankheiten.
29.07.2022
Ethologie | Evolution | Primatologie
Kommunikation erleichtert den Schimpansen die Jagd
Ähnlich wie Menschen nutzen Schimpansen Kommunikation, um ihr kooperatives Verhalten zu koordinieren – etwa bei der Jagd.
29.07.2022
Meeresbiologie
Bestäubung durch Krebstiere
Biene des Meeres: Eine kleine Meerassel hilft bei der Befruchtung von Rotalgen.
22.07.2022
Anthropologie | Physiologie | Immunologie
Ekelerregende Videos mit Krankheitsbezug lösen Immunantwort aus
Personen, die mit krankheitsbezogenen ekelerregenden Videos konfrontiert werden, weisen eine erhöhte Konzentration der Antikörper Immunglobulin A im Speichel auf.