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Zellzyklus (Basiswissen)

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Dicty
Zellzyklus (Basiswissen)
lernst du in der Sekundarstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Grundlagen zum Thema Zellzyklus (Basiswissen)

Inhalt

Was ist der Zellzyklus? – Basiswissen Biologie

Unsere Zellen sind 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 in Krebszellen eine Rolle spielt.

Zellzyklus – Definition

Einfach erklärt umfasst der Zellzyklus die Wachstumsprozesse zwischen zwei Zellteilungen durch die periodische Abfolge festgelegter Phasen. Das bedeutet, dass sich eine Zelle verdoppeln kann. Sobald der Zellzyklus abgeschlossen ist, kann jede der neu gebildeten Zellen ihn erneut durchlaufen. Auf diese Weise können also immer mehr Zellen entstehen. Doch aus welchen Phasen besteht der Zellzyklus eigentlich?

Zellzyklusphasen – Mitose und Interphase

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.

Zellzyklus – Interphase

Der Zeitraum zwischen zwei M-Phasen wird als Interphase bezeichnet, was so viel wie Zwischenphase bedeutet. Das ist etwas unfair, 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 anschauen.

Zellzyklus

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

Zellzyklus – Mitose und Meiose

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.
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 – 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.

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.

Wie oft teilen sich gesunde Zellen?

Die Häufigkeit der Zellteilungen hängt stark von der Art der Zelle und ihrer Funktion ab. Nerven- und Muskelzellen teilen sich fast nie. Leberzellen teilen sich etwa einmal im Jahr. Darmzellen hingegen, die jeden Tag stark beansprucht werden, teilen sich etwa einmal am Tag.

Zellzyklus – Zusammenfassung

In diesem Video hast du den Zellzyklus kennengelernt. Die wichtigsten Punkte fassen wir noch einmal zusammen:

  • Zellen können sich durch den Zellzyklus vermehren.
  • Die Hauptphasen des Zellzyklus werden M-Phase und Interphase genannt.
  • Die M-Phase setzt sich aus der Mitose und der Cytokinese zusammen.
  • Die Interphase gliedert sich in die G1/G0-Phase, die S-Phase und die G2-Phase.
  • Wenn die Zellen in die G0-Phase eintreten, befinden sie sich in der Ruhephase.
  • Wenn sich die Zelle erneut teilen soll, wird das genetische Material in der S-Phase verdoppelt.
  • In der G2-Phase bereitet sich die Zelle auf die nächste Teilung vor.
  • Damit der Zellzyklus korrekt abläuft, gibt es Kontrollpunkte (Checkpoints).
  • Wenn etwas nicht richtig funktioniert, leitet die Zelle Reparaturmechanismen oder Apoptose ein.
  • In Krebszellen ist der Zellzyklus oft verändert.
  • Je nach Zelltyp und Funktion teilen sich Zellen unterschiedlich oft.

Wenn du dein Wissen zum Zellzyklus überprüfen möchtest, findest du interaktive Übungsaufgaben zu dem Video. Ein Referat zum Thema Zellzyklus ist damit sicher kein Problem für dich!

Transkript Zellzyklus (Basiswissen)

Hallo, ich bin Katia. Nachdem ich im letzten Video "Mitose" und "Cytokinese" erklärt hab, geht es heute um "die Phasen des Zellzyklus". Die Dauer von einer Zellteilung bis zur nächsten hängt vom Zelltyp ab. Die Zellen im menschlichen Organismus teilen sich mit äußerst unterschiedlicher Geschwindigkeit. Nerven und Muskelzellen eines Erwachsenen teilen sich fast nie, Leberzellen etwa 1 Mal im Jahr und Zellen der Darmwand, die durch die Verdauung sehr stark beansprucht werden, mindestens 1 Mal pro Tag. Kommt die Zellteilung vollständig zum Erliegen, zum Beispiel weil die DNA durch Röntgenstrahlung stark geschädigt wurde, muss das Individuum innerhalb weniger Tage sterben. Die Phasen des Zellzyklus, die wir schon besprochen haben, sind die Kernteilung, die Mitose, und die Teilung des Zellkörpers, die Cytokinese. Die Phasen der Mitose sind die Pro-, Meta-, Ana- und Tilophase. Anschließend wird in der Cytokinese der Zellkörper geteilt. Die Mitose und die Cytokinese zusammen werden als M-Phase bezeichnet. Die Dauer der M-Phase beträgt in der Regel weniger als 1 Stunde. Die Zeitspanne zwischen 2 M-Phasen wird Inter-, also Zwischenphase genannt. Sie erscheint bei der Beobachtung durch's Mikroskop irrtümlicher Weise als relativ ereignisloses Stadium, bei dem die Zelle lediglich an Größe gewinnt. Allerdings ist die Interphase für die meisten Zellen die Phase, in der sie ihre eigentliche Funktion ausüben. Während der gesamten Interphase setzt die Zelle die Transkription von Genen, die Synthese von Proteinen und die Massenzunahme fort und bereitet sich auf die nächste Teilung vor. Die Interphase setzt sich wiederum aus 3 Phasen zusammen. Als erstes die G1-Phase. G steht für "gap", englisch = "Lücke". Besser wäre jedoch die Bezeichnung "grows" wie "Wachstum". In der G1-Phase werden durch Transkription und Translation neue Proteine synthetisiert. Zum Beispiel auch die Proteine, die zur Replikation der DNA notwendig sind. Außerdem werden neue Organellen produziert und das Volumen des Zytoplasmas vergrößert sich. In der S-Phase wird die Kern-DNA der Zelle verdoppelt. Es wird also neue DNA synthetisiert. Das S steht für "Synthese". Am Ende dieses Abschnitts besteht jedes Chromosom wieder aus 2 Chromatiden. Auch die Zentriolen werden verdoppelt. Die Replikation der DNA ist die Voraussetzung für eine weitere Zellteilung. Wenn die G1- und die S-Phase erfolgreich abgeschlossen sind, tritt die Zelle in die G2-Phase ein. In dieser Phase wächst die Zelle erneut. Wenn sich die Zelle erst mal nicht weiter teilt, braucht sie natürlich auch ihre DNA nicht zu verdoppeln und geht von der G1- direkt in die G0-Phase über, noch bevor die S-Phase beginnt. Die G0-Phase wird auch als verlängerte G1-Phase betrachtet und deshalb als Ruhe-Phase bezeichnet. Beispiele für Zellen, die sich nicht mehr teilen, sind Nerven- und Muskelzellen. Auch wenn nicht genug Nährstoffe vorhanden sind, kann die Zelle in der G0-Phase verharren. Durch bestimmte Signale von außen, wie Wachstumsfaktoren, kann die Zelle von der G0-Phase wieder in den Zellzyklus, also in die S-Phase, eintreten. In allen Phasen des Zellzyklus gibt es sogenannte Checkpoints. Dabei wird kontrolliert, ob die DNA intakt ist und die Zelle normal funktioniert. Wird bei der Überprüfung ein Fehler registriert, wird der Zellzyklus gestoppt, bis der Fehler behoben ist. Wenn das nicht möglich ist, wird eine Art Selbstzerstörung eingeleitet: die Apoptose. Dadurch wird verhindert, dass entartete oder nicht funktionstüchtige Zellen sich weiter vermehren. Wenn das doch passiert, kann zum Beispiel Krebs entstehen. Normale Körperzellen sind während des gesamten Zellzyklus diploid; das heißt, es sind immer alle Chromosomen-Paare vorhanden, auch wenn nach der Mitose jedes Chromosom nur noch aus einem Chromatid besteht, das erst wieder verdoppelt werden muss. Nur bei der Meiose wird die Anzahl der Chromosomen halbiert und die Zelle haploid. Damit ist der Kurs über die Zelle, die Zellteilung und den Zellzyklus abgeschlossen. Ich hoffe, die Videos haben euch weiter geholfen. Vielen Dank für's Zuschauen. Tschüss!

14 Kommentare

14 Kommentare
  1. Hallo Janina Weselmann,
    da hast du völlig recht! Der Fehler wurde vermerkt und wird baldmöglichst korrigiert. Vielen Dank für den Hinweis!
    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor 9 Monaten
  2. da hat sich ein kleiner Rechtschreibfehler eingeschlichen bei der Apoptose =program(m!)ierter Zelltod!

    Von Janina Weselmann, vor 10 Monaten
  3. Wieso sind all diese Videos von Biologie für die 11.KLasse? Gibt es solche videos für das Thema auch etwas einfacher erklärt?

    Von Eugster 1, vor 12 Monaten
  4. Bitte ein video dazu auf lk niveau

    Von Paolo O., vor etwa 6 Jahren
  5. Wirklich sehr gut, verständlich und anschaulich erklärt!!
    Bitte mach weiter so :)

    Von Praxis 6, vor fast 7 Jahren
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Zellzyklus (Basiswissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Zellzyklus (Basiswissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die Phasen des Zellzyklus.

    Tipps

    Die M-Phase unterteilt man in 5 weitere Phasen.

    Die Interphase ist deutlich länger als die M-Phase.

    Lösung

    Der Zellzyklus lässt sich grob in zwei Phasen einteilen, die M-Phase und die Interphase.

    In der M-Phase findet die Mitose & Zytokinese statt.
    Sie lässt sich somit in fünf weitere Phasen unterteilen (Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase und die Zellkörperteilung).

    In der Interphase wächst die Zelle und bereitet sich auf die nächste Zellteilung vor.
    Auch die Interphase besteht aus drei weiteren Phasen.
    In der G1-Phase wächst die Zelle.
    In der folgenden S-Phase (Synthese) repliziert die Zelle die DNA.
    In der anschließenden G2-Phase wächst die Zelle erneut.

  • Beschreibe die Vorgänge, die in den jeweiligen Phasen des Zellzyklus ablaufen.

    Tipps

    Die M-Phase umfasst die Mitose und Zytokinese.

    Das „S“ der „S-Phase“ steht für „Synthese“.

    Die G2-Phase findet kurz vor der Mitose statt.

    Lösung

    In der M-Phase findet die Kern- und Zellkörperteilung statt.

    Die Zelle wächst in der G1-Phase und neue Proteine werden gebildet. Die Chromosomen bestehen aus einem Chromatid, weil die DNA noch nicht verdoppelt wurde.

    In der S-Phase wird die DNA verdoppelt.

    In der darauf folgenden G2-Phase bestehen die Chromosomen aus zwei Schwester-Chromatiden. Außerdem wächst die Zelle in dieser Phase weiter und die Proteinbiosynthese findet erneut statt.
    Danach folgt die Prophase der Mitose.

    Von der G1-Phase aus können Zellen in die G0-Phase übergehen. In dieser Ruhephase teilt sich die Zelle nicht.

  • Erkläre die Funktion der Checkpoints im Zellzyklus.

    Tipps

    In welcher Phase heften sich die Spindelfasern an die Chromosomen?

    Lösung

    Während des Zellzyklus gibt es mehrere Checkpoints. Sie überprüfen, ob die Vorgänge in den Phasen korrekt ablaufen. Sonst kann die Zelle funktionsunfähig werden und absterben oder unkontrollierbar werden. So können Krebszellen entstehen, die sich unkontrolliert teilen.

    Die Zelle kann den programmierten Zelltod (Apoptose) einleiten, wenn im Zellzyklus ein schwerwiegender Fehler auftritt.

    An den Checkpoints übernehmen zum Beispiel Proteine die Reparaturmaßnahmen. Sie können den Zellzyklus verlangsamen, die DNA reparieren und die Entstehung von Krebszellen verhindern.

    Während der Metaphase (nicht S-Phase!) wird die Funktion des Spindelapparates überwacht, damit die Spindelfasern sich richtig an die Chromosomen heften können.
    Der Kontrollmechanismus der Mitose kann den Start der Anaphase so lang verzögern, bis alle Fasern an den richtigen Stellen anhaften.

  • Vergleiche die M-Phase mit der Interphase.

    Tipps

    Die Interphase ist die Zeitspanne zwischen zwei Kernteilungen.

    Aus der M-Phase gehen zwei Zellen hervor.

    Lösung

    Die Interphase dauert deutlich länger als die M-Phase.

    In der M-Phase findet die Kern- und Zellteilung statt.
    Dabei werden nur wenige Proteine synthetisiert und es gibt keine Ruhephase.

    In der Interphase wächst die Zelle.
    Es findet eine intensive Proteinbiosynthese in der G1- & G2-Phase statt und die DNA wird in der S-Phase verdoppelt.
    In der G0-Phase kann die Zelle in einen Ruhemodus verfallen.

  • Benenne die Zellen, die sich in der G0-Phase des Zellzyklus befinden.

    Tipps

    Die Haut erneuert sich ständig.

    Rote Blutkörperchen haben keinen Zellkern.

    Lösung

    Muskel- und Nervenzellen teilen sich fast nie wieder, wenn sie sich fertig entwickelt haben.
    Auch rote Blutkörperchen können sich nicht teilen, da sie keinen Zellkern haben, der die Mitose koordinieren kann.

    Dagegen teilen sich Leber-, Darm- und Hautzellen regelmäßig, damit die entsprechenden Gewebe und Organe funktionsfähig bleiben.

  • Bewerte die folgenden Aussagen zum Zellzyklus.

    Tipps

    In der M-Phase wird das Erbgut auf zwei Tochterzellen aufgeteilt.

    Chromatin bezeichnet das Material im Zellkern, das aus Proteinen und darauf aufgewickelter DNA besteht.

    Aufgelockerte DNA kann besser gelesen und kopiert werden.

    Lösung

    Die Ruhephase (G0-Phase) kann während der G1-Phase eintreten. Wachstumsfaktoren zum Beispiel können die Zelle wieder zurück in die G1-Phase und damit in den gewöhnlichen Zellzyklus bringen. Dieser läuft immer nur nach einem bestimmten Ablauf ab, aber niemals rückwärts.

    Der Zellzyklus wird an bestimmten Punkten überwacht. Diese Checkpoints oder Kontrollpunkte sorgen dafür, dass der Zellzyklus wie vorgesehen abläuft und die Zellen auch nach der Teilung einwandfrei funktionieren.

    In der M-Phase liegen die Chromosomen erst als Zwei-Chromatid-Chromosomen vor. In der Metaphase werden die Chromosomen auf die Tochterzellen aufgeteilt.
    In der Interphase bestehen die Chromosomen deshalb erst aus einem Chromatid. In der S-Phase wird das Erbgut verdoppelt, die Chromosomen bestehen dann aus zwei Chromatiden.

    In der Interphase ist das Chromatin aufgelockert, damit die Replikation und Proteinbiosynthese stattfinden können. Nur wenn das Chromatin aufgelockert ist, können Enzyme an die DNA heran, um die Basenabfolge richtig abzulesen und sie zu kopieren.
    In der Metaphase findet keine Proteinbiosynthese oder Replikation statt. Das Chromatin liegt eng zusammen, also in kondensierter Form vor. So kann das Chromatin in dieser Phase der Mitose besser auf die Tochterzellen aufgeteilt werden.

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