Zellzyklus (Basiswissen)

Zellzyklus einfach erklärt

Unsere Zellen sind also in der Lage, sich zu vermehren. Dafür durchlaufen sie den Zellzyklus, der aus verschiedenen Phasen besteht. Dadurch können sich beispielsweise Gewebe oder Organe entwickeln. Zellteilungen spielen ebenfalls eine wichtige Rolle, wenn du wächst oder dich verletzt hast. Deshalb werden wir uns genauer ansehen, welche Phasen es im Zellzyklus gibt und welche Funktionen diese haben. Außerdem werden wir uns anschauen, wie der Zellzyklus gesteuert wird, was man unter Apoptose versteht und warum der Zellzyklus auch bei Krebszellen eine Rolle spielt. Aus welchen Phasen besteht der Zellzyklus?

Zellzyklus Phasen

Der Zellzyklus besteht aus zwei Hauptphasen, der M-Phase und der Interphase. Die M-Phase setzt sich aus der Mitose und Cytokinese zusammen. Die Mitose wird auch Kernteilungsphase genannt, weil hier die Teilung des genetischen Materials (DNA) aus dem Zellkern stattfindet. Diese umfasst wiederum vier Phasen: Prophase (P), Metaphase (M), Anaphase (A) und Telophase (T). Nach der Telophase ist die eigentliche Kernteilung abgeschlossen. Damit zwei Tochterzellen entstehen, folgt die Cytokinese (C), also die Durchschnürung des Zytoplasmas. Für eine ausführlichere Beschreibung der Mitose gibt es ein weiteres spannendes Video, das du dir ansehen kannst. Wir werden uns nun genauer mit der Interphase befassen.

Interphase

Der Zeitraum zwischen zwei M-Phasen wird als Interphase bezeichnet, was so viel wie Zwischenphase bedeutet. Das ist etwas undeutlich, da es so belanglos klingt. Tatsächlich führt die Zelle nämlich in dieser Phase ihre eigentliche Funktion aus. In zeitlicher Hinsicht befindet sich die Zelle also hauptsächlich in der Interphase, die sich aus drei Phasen zusammensetzt: der G₁/G₀-Phase, der S-Phase und der G₂-Phase.

G1-Phase

Nach der M-Phase geht die Zelle in die G₁-Phase über. Das „G“ steht für das englische Wort gap und bedeutet „Lücke“. Passender wäre aber die Bezeichnung growth, was übersetzt „Wachstum“ heißt, denn genau das passiert hier. Die Zelle nimmt an Volumen zu, es bilden sich Zellorganellen, RNA und Proteine.

G0-Phase

Wenn sich die Zelle vorerst nicht mehr teilen soll, geht sie von der G₁-Phase in die G₀-Phase über, eine reversible Ruhephase. Diese kann einige Tage oder sogar Jahre dauern. Die G₀‑Phase wird eingeleitet, wenn z. B. nicht genügend Nährstoffe zur Verfügung stehen, eine hohe Populationsdichte herrscht oder die Zelle einen bestimmten Differenzierungsgrad erreicht hat. Zellen, die dauerhaft in der G₀-Phase verbleiben, sind beispielsweise ausdifferenzierte Nervenzellen und Muskelzellen. Unter bestimmten Umständen ist es jedoch möglich, dass Zellen in den Zellzyklus zurückkehren und sich erneut teilen. Dies kann durch bestimmte Signalproteine wie z. B. Wachstumsfaktoren geschehen. Ein Beispiel hierfür wären die Leberzellen.

S-Phase

Wenn die Zelle eine ausreichende Größe erreicht hat oder aus der Ruhephase wieder in die G₁-Phase zurückkehrt, kann sie sich erneut teilen. Dazu wird zunächst die S-Phase eingeleitet. Das „S“ steht hier für „Synthese“, da das genetische Material (DNA) zunächst verdoppelt, also synthetisiert werden muss, bevor die Zelle in die M-Phase geht. Man spricht in der Biologie auch von der Replikation der DNA.

G2-Phase

Nach dem Übergang in die G₂-Phase bereitet sich die Zelle auf die bevorstehende Zellteilung vor. Zu diesem Zweck nimmt das Volumen durch Flüssigkeitsaufnahme stark zu. Darüber hinaus werden vermehrt RNA und mitotische Proteine gebildet. Je nach Zelltyp werden in dieser Phase auch Zell-Zell-Kontakte zu benachbarten Zellen gelöst.

Nach Abschluss dieser Phase tritt die Zelle wieder in die M-Phase ein und der Zyklus schließt sich. Dazu kannst du dir die einzelnen Phasen auch noch einmal in der Abbildung oben anschauen.

Nun kennen wir also alle Phasen der Interphase des Zellzyklus und deren Funktionen genauer, aber wie unterscheidet sich die M-Phase des Zellzyklus bei der Mitose und der Meiose?

M-Phase

Die M-Phase gliedert sich in die Kernteilung (Mitose) und die Zellteilung (Cytokinese). Aus einer diploiden Zelle entstehen zwei genetisch identische haploide Tochterzellen.

Zellzyklus – Mitose

Eukaryotische Zellen können sich auf zwei verschiedene Arten teilen. Körperzellen vermehren sich durch Mitose. Dazu gehören z. B. Haut- und Leberzellen. Sie sind diploid, das heißt, sie haben einen doppelten Chromosomensatz (2n). Diese Zellen durchlaufen die oben beschriebenen Phasen des Zellzyklus einmal für die Zellteilung. Die Tochterzellen sind somit genetisch identisch mit der Mutterzelle und ebenfalls diploid. Es entstehen also Kopien einer Zelle. Die Mitose lässt sich ebenfalls in Phasen einteilen:

In der Prophase spiralisieren sich die Chromosomen und werden somit unter dem Mikroskop sichtbar.

In der Prometaphase löst sich die Kernhülle auf und der Spindelapparat bildet sich aus.

In der Metaphase ordnen sich die Chromosomen auf der Äquatorialebene an und die Spindelfasern verbinden sich mit den Centromeren der Chromosomen.

In der Anaphase werden die Schwesterchromatiden getrennt und jeweils zu den Spindelpolen gezogen.

In der Telophase bilden sich dann schließlich neue Kernhüllen um die Chromosomensätze an den Polen.

Cytokinese

Nach der Telophase liegen lediglich zwei Kernhüllen vor. So muss anschließend die Teilung des Cytoplasmas erfolgen. Diesen Vorgang nennt man Cytokinese. Aus einer Mutterzelle sind schließlich zwei identische Tochterzellen entstanden.

Zellzyklus – Meiose

Keimzellen, zu denen z. B. die Eizelle gehört, vermehren sich durch Meiose. Diese findet im Gegensatz zur Mitose in zwei Zyklen statt und besteht aus der Reduktionsteilung oder Reifeteilung I (Meiose I) und der Äquationsteilung oder Reifeteilung II (Meiose II), die der mitotischen Teilung entspricht. Alle Phasen des Zellzyklus laufen also insgesamt zweimal ab, sodass vier Zellen mit einem haploiden Chromosomensatz (1n) entstehen. Das Besondere an der Interphase zwischen der Meiose I und der Meiose II ist jedoch, dass keine Replikation der DNA stattfindet. Diese Interphase fällt deshalb viel kürzer aus als zwischen zwei mitotischen Teilungen. Die haploiden Zellen sind nicht mit der Mutterzelle identisch, sodass die genetische Vielfalt gewährleistet ist. Wie die Meiose im Detail funktioniert, erfährst du in einem weiteren interessanten Video.

Wir werden uns nun genauer ansehen, wie der Zellzyklus reguliert wird und welche Möglichkeiten die Zelle hat, wenn etwas nicht korrekt abläuft.

Zellzyklus – Regulation

Innere Faktoren – Kontrollpunkte und Apoptose

Um den kritischen Prozess der Zellteilung und das genetische Material zu schützen, werden die Phasenübergänge durch Kontrollpunkte überwacht. Diese werden als Checkpoints bezeichnet. Sie sind deshalb so wichtig, weil der Eintritt in die M-Phase irreversibel ist, das heißt, er kann nicht rückgängig gemacht werden. Die Zelle muss also vorher sicherstellen, dass zum Beispiel die Zellgröße stimmt und das genetische Material (DNA) richtig repliziert wurde. Andernfalls können Mutationen entstehen. Infolgedessen könnte die Zelle beispielsweise ihre eigentliche Funktion nicht erfüllen. Darum kontrollieren spezifische Proteine die DNA-Synthese. Wenn Nukleotide fehlen oder die Basenfolge nicht stimmt, stoppt die Zelle den Zellzyklus und leitet Reparaturmechanismen ein. Sobald das Problem behoben wurde, wird der Zellzyklus fortgesetzt. Ist die Schädigung des Erbguts (DNA) hingegen zu groß und kann nicht repariert werden, beispielsweise durch Röntgenstrahlung, leitet die Zelle den programmierten Zelltod, die Apoptose, ein. Dadurch wird die defekte Zelle eliminiert und das geschädigte genetische Material (DNA) wird nicht weitergegeben.

Äußere Faktoren

Nährstoffangebot und Zellgröße sind Beispiele für äußere Faktoren, die Einfluss auf den Zellzyklus nehmen können. Sind Zellen zum Beispiel relativ groß und liegen dicht aneinander, wird der Zelle damit signalisiert, dass nicht mehr viel Platz für weitere Zellteilungen vorhanden ist und der Zellzyklus wird unterbunden.

Zellzyklus – Krebszellen

In Krebszellen werden die genannten Kontrollmechanismen oft durch Mutationen manipuliert. Dadurch können DNA-Reparaturen und Apoptose nicht mehr stattfinden. Dies verschafft Krebszellen einen Vorteil gegenüber gesunden Zellen, weil sie sich dadurch unkontrolliert vermehren können. In diesem Zusammenhang spricht man auch von entarteten Zellen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Zellzyklus