Zellzyklus: Definition, Phasen, Regulation & Fakten

Zellteilung ist für das Wachstum und die Gesundheit eines Organismus von entscheidender Bedeutung. Fast alle Zellen beteiligen sich an der Zellteilung; manche tun es im Laufe ihres Lebens mehrmals. Ein wachsender Organismus, wie ein menschlicher Embryo, nutzt die Zellteilung, um die Größe und Spezialisierung einzelner Organe zu erhöhen. Sogar reife Organismen, wie ein erwachsener Mensch im Ruhestand, nutzen die Zellteilung, um Körpergewebe zu erhalten und zu reparieren. Der Zellzyklus beschreibt den Prozess, bei dem Zellen ihre vorgesehenen Aufgaben erfüllen, wachsen und sich teilen und dann den Prozess mit den beiden resultierenden Tochterzellen erneut beginnen. Im 19. Jahrhundert ermöglichten die technologischen Fortschritte in der Mikroskopie den Wissenschaftlern festzustellen, dass alle Zellen durch den Prozess der Zellteilung aus anderen Zellen hervorgehen. Dies widerlegte schließlich die früher weit verbreitete Annahme, dass Zellen spontan aus verfügbarer Materie entstehen. Der Zellzyklus ist für alles laufende Leben verantwortlich. Egal, ob es in den Zellen von Algen, die an einem Felsen in einer Höhle hängen, oder in den Zellen der Haut am Arm passiert, die Schritte sind die gleichen.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Die Zellteilung ist für das Wachstum und die Gesundheit eines Organismus von entscheidender Bedeutung. Der Zellzyklus ist der sich wiederholende Rhythmus des Zellwachstums und der Zellteilung. Es besteht aus den Stadien Interphase und Mitose sowie deren Unterphasen und dem Prozess der Zytokinese. Der Zellzyklus wird bei jedem Schritt an Kontrollpunkten durch Chemikalien streng reguliert, um sicherzustellen, dass Mutationen nicht auftreten und dass das Zellwachstum nicht schneller erfolgt als das, was für die Umgebung gesund ist Gewebe.

Der Zellzyklus besteht im Wesentlichen aus zwei Phasen. Die erste Phase ist Interphase. Während der Interphase bereitet sich die Zelle auf die Zellteilung in drei Subphasen vor, genannt G₁ Phase, S-Phase und G₂ Phase. Am Ende der Interphase sind die Chromosomen im Zellkern alle dupliziert. Durch all diese Stadien geht die Zelle auch weiterhin ihren täglichen Funktionen nach, was auch immer diese sind. Die Interphase kann Tage, Wochen, Jahre dauern – und in manchen Fällen sogar über die gesamte Lebensspanne des Organismus. Die meisten Nervenzellen verlassen das G. nie₁ Stadium der Interphase, daher haben Wissenschaftler ein spezielles Stadium für Zellen wie sie benannt, das G. genannt wird₀. Diese Phase ist für Nervenzellen und andere Zellen, die keinen Zellteilungsprozess durchlaufen. Manchmal liegt dies daran, dass sie einfach nicht bereit sind oder nicht dazu bestimmt sind, wie Nervenzellen oder Muskelzellen, und das wird als Ruhezustand bezeichnet. Manchmal sind sie zu alt oder beschädigt, und das wird als Seneszenz bezeichnet. Da Nervenzellen vom Zellzyklus getrennt sind, sind sie im Gegensatz zu a meist irreparabel geschädigt Knochenbrüche, und das ist der Grund, warum Menschen mit Wirbelsäulen- oder Hirnverletzungen oft bleibende Behinderungen.

Die zweite Phase des Zellzyklus heißt Mitose oder M-Phase. Während der Mitose teilt sich der Kern in zwei Teile und sendet eine Kopie jedes duplizierten Chromosoms an jeden der beiden Kerne. Es gibt vier Stadien der Mitose, und das sind prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Ungefähr zeitgleich mit der Mitose tritt ein anderer Prozess auf, genannt Zytokinese, die fast eine eigene Phase ist. Dies ist der Prozess, bei dem sich das Zytoplasma der Zelle und alles andere darin teilt. Auf diese Weise, wenn sich der Kern in zwei Teile teilt, gibt es zwei von allem in der umgebenden Zelle, die zu jedem Kern gehören. Sobald die Teilung abgeschlossen ist, schließt sich die Plasmamembran um jede neue Zelle und klemmt sich ab, wodurch die beiden neuen identischen Zellen vollständig voneinander getrennt werden. Sofort befinden sich beide Zellen wieder in der ersten Phase der Interphase: G₁.

G₁ steht für Gap-Phase 1. Der Begriff „Lücke“ stammt aus einer Zeit, als Wissenschaftler die Zellteilung unter dem Mikroskop entdeckten und das Mitosestadium sehr spannend und wichtig fanden. Sie beobachteten die Zellkernteilung und den begleitenden zytokinetischen Prozess als Beweis dafür, dass alle Zellen von anderen Zellen stammten. Das Phasen der Interphase, jedoch schien statisch und inaktiv. Daher betrachteten sie sie als Ruhephasen oder Aktivitätslücken. Die Wahrheit ist jedoch, dass G₁ - und G₂ am Ende der Interphase – sind geschäftige Wachstumsphasen der Zelle, in denen die Zelle an Größe zunimmt und zum Wohlbefinden des Organismus beiträgt, in welcher Weise auch immer sie „geboren“ wurde. Neben ihren regulären zellulären Aufgaben baut die Zelle Moleküle wie Proteine ​​und Ribonukleinsäure (RNA) auf.

Wenn die DNA der Zelle nicht beschädigt ist und die Zelle genug gewachsen ist, geht sie in die zweite Phase der Interphase über, die als. bezeichnet wird S-Phase. Dies ist die Abkürzung für Synthesephase. Während dieser Phase wendet die Zelle, wie der Name schon sagt, viel Energie auf, um Moleküle zu synthetisieren. Insbesondere repliziert die Zelle ihre DNA und dupliziert ihre Chromosomen. Der Mensch hat 46 Chromosomen in seinen Körperzellen, das sind alles Zellen, die keine Fortpflanzungszellen sind (Samen und Eizellen). Die 46 Chromosomen sind in 23 homologe Paare organisiert, die miteinander verbunden sind. Jedes Chromosom in einem homologen Paar wird als Homolog des anderen bezeichnet. Wenn die Chromosomen während der S-Phase dupliziert werden, sind sie sehr eng um das Histonprotein gewickelt Stränge namens Chromatin, die den Duplikationsprozess weniger anfällig für DNA-Replikationsfehler machen, oder Mutation. Die beiden neuen identischen Chromosomen heißen jetzt jeweils Chromatiden. Histone-Stränge binden die beiden identischen Chromatiden so zusammen, dass sie eine Art X-Form bilden. Der Punkt, an dem sie gebunden sind, wird Zentromer genannt. Außerdem sind die Chromatiden noch mit ihrem Homolog verbunden, das nun ebenfalls ein X-förmiges Chromatidpaar ist. Jedes Chromatidpaar wird als Chromosom bezeichnet; Als Faustregel gilt, dass nie mehr als ein Chromosom an ein Zentromer gebunden ist.

Die letzte Phase der Interphase ist G₂, oder Lückenphase 2. Diese Phase erhielt ihren Namen aus den gleichen Gründen wie G₁. Genau wie bei G₁ und S-Phase bleibt die Zelle während der gesamten Phase mit ihren typischen Aufgaben beschäftigt, auch wenn sie die Arbeit der Interphase beendet und sich auf die Mitose vorbereitet. Um sich auf die Mitose vorzubereiten, teilt die Zelle ihre Mitochondrien sowie ihre Chloroplasten (sofern vorhanden). Es beginnt mit der Synthese der Vorläufer von Spindelfasern, die als Mikrotubuli bezeichnet werden. Es stellt diese her, indem es die Zentromere der Chromatidpaare in seinem Kern repliziert und stapelt. Spindelfasern werden für den Prozess der Kernteilung während der Mitose entscheidend sein, wenn die Chromosomen in die beiden sich trennenden Kerne auseinandergezogen werden müssen; sicherzustellen, dass die richtigen Chromosomen zum richtigen Kern gelangen und mit dem richtigen Homolog gepaart bleiben, ist entscheidend, um genetische Mutationen zu verhindern.

Die Teilungsmarker zwischen den Phasen des Zellzyklus und den Unterphasen Interphase und Mitose sind Kunstgriffe, mit denen Wissenschaftler den Prozess der Zellteilung beschreiben können. In der Natur ist der Prozess fließend und endlos. Das erste Stadium der Mitose heißt prophase. Es beginnt mit den Chromosomen in dem Zustand, in dem sie sich am Ende des G. befanden₂ Stadium der Interphase, repliziert mit Schwesterchromatiden, die durch Zentromere verbunden sind. Während der Prophase kondensiert der Chromatinstrang, wodurch die Chromosomen (dh jedes Paar von Schwesterchromatiden) unter dem Lichtmikroskop sichtbar werden. Die Zentromere wachsen weiter zu Mikrotubuli, die Spindelfasern bilden. Am Ende der Prophase bricht die Kernmembran zusammen und die Spindelfasern verbinden sich zu einem strukturellen Netzwerk im gesamten Zytoplasma der Zelle. Da die Chromosomen nun frei im Zytoplasma schweben, sind die Spindelfasern die einzige Stütze, die sie vor dem Abschweifen bewahrt.

Die Zelle geht in die Metaphase über, sobald sich die Kernmembran auflöst. Die Spindelfasern bewegen die Chromosomen zum Äquator der Zelle. Diese Ebene wird als Spindeläquator oder Metaphasenplatte bezeichnet. Da ist nichts Greifbares; es ist einfach eine Ebene, in der alle Chromosomen ausgerichtet sind und die die Zelle entweder horizontal oder halbiert vertikal, je nachdem, wie Sie die Zelle betrachten oder sich vorstellen (eine visuelle Darstellung davon finden Sie unter Ressourcen). Beim Menschen gibt es 46 Zentromere, und jedes ist an ein Paar Chromatid-Schwestern gebunden. Die Anzahl der Zentromere hängt vom Organismus ab. Jedes Zentromer ist mit zwei Spindelfasern verbunden. Beim Verlassen des Zentromers divergieren die beiden Spindelfasern, so dass sie sich mit Strukturen an gegenüberliegenden Zellpolen verbinden.

Die Zelle wechselt in die Anaphase, die kürzeste der vier Mitosephasen. Die Spindelfasern, die die Chromosomen mit den Polen der Zelle verbinden, verkürzen sich und bewegen sich zu ihren jeweiligen Polen hin. Dabei ziehen sie die Chromosomen auseinander, an denen sie hängen. Die Zentromere teilen sich auch in zwei Teile, wenn eine Hälfte mit jeder Chromatidschwester zu einem entgegengesetzten Pol wandert. Da nun jedes Chromatid ein eigenes Zentromer besitzt, wird es wieder als Chromosom bezeichnet. Währenddessen verlängern sich verschiedene Spindelfasern, die an beiden Polen befestigt sind, wodurch der Abstand zwischen den beiden Polen der Zelle wächst, so dass die Zelle abflacht und sich verlängert. Der Prozess der Anaphase läuft so ab, dass am Ende jede Seite der Zelle eine Kopie jedes Chromosoms enthält.

Telophase ist das vierte und letzte Stadium der Mitose. In diesem Stadium entrollen sich die extrem dicht gepackten Chromosomen – die zur Erhöhung der Replikationsgenauigkeit kondensiert wurden – von selbst. Die Spindelfasern lösen sich auf und eine Zellorganelle namens endoplasmatisches Retikulum synthetisiert neue Kernmembranen um jeden Chromosomensatz. Damit besitzt die Zelle nun zwei Kerne mit jeweils einem vollständigen Genom. Die Mitose ist abgeschlossen.

Nachdem der Zellkern geteilt wurde, muss sich auch der Rest der Zelle teilen, damit sich die beiden Zellen trennen können. Dieser Vorgang ist bekannt als Zytokinese. Es ist ein von der Mitose getrennter Prozess, obwohl er oft zusammen mit der Mitose auftritt. Bei tierischen und pflanzlichen Zellen passiert das unterschiedlich, denn wo tierische Zellen nur eine Plasmazellmembran haben, haben Pflanzenzellen eine starre Zellwand. In beiden Zellarten befinden sich nun zwei verschiedene Kerne in einer Zelle. In tierischen Zellen bildet sich in der Mitte der Zelle ein kontraktiler Ring. Dabei handelt es sich um einen Ring aus Mikrofilamenten, der sich um die Zelle schlängelt und die Plasmamembran im Zentrum wie ein Korsett zusammenzieht, bis eine sogenannte Spaltfurche entsteht. Mit anderen Worten, der kontraktile Ring bewirkt, dass die Zelle eine Sanduhrform bildet, die immer ausgeprägter wird, bis sich die Zelle vollständig in zwei separate Zellen abschneidet. In Pflanzenzellen erzeugt eine Organelle namens Golgi-Komplex Vesikel, bei denen es sich um membrangebundene Flüssigkeitstaschen entlang der Achse handelt, die die Zelle zwischen den beiden Kernen teilt. Diese Vesikel enthalten Polysaccharide, die zur Bildung der Zellplatte und schließlich der Zellplatte benötigt werden verschmilzt mit und wird Teil der Zellwand, die einst die ursprüngliche Einzelzelle beherbergte, jetzt aber zwei beherbergt Zellen.

Der Zellzyklus erfordert viel Regulierung, damit er nicht abläuft, ohne dass bestimmte Bedingungen innerhalb und außerhalb der Zelle erfüllt sind. Ohne diese Regulierung gäbe es ungeprüfte genetische Mutationen, außer Kontrolle geratenes Zellwachstum (Krebs) und andere Probleme. Der Zellzyklus hat eine Reihe von Kontrollpunkten, um sicherzustellen, dass die Dinge richtig ablaufen. Ist dies nicht der Fall, werden Reparaturen durchgeführt oder der programmierte Zelltod eingeleitet. Einer der wichtigsten chemischen Regulatoren des Zellzyklus ist die Cyclin-abhängige Kinase (CDK). Es gibt verschiedene Formen dieses Moleküls, die an verschiedenen Stellen im Zellzyklus wirken. Zum Beispiel das Protein p53 wird von geschädigter DNA in der Zelle produziert und deaktiviert den CDK-Komplex am G₁/S Checkpoint, wodurch der Fortschritt der Zelle gestoppt wird.