Zellzyklus, DNA-Replikation und Mitose: Ablauf und Steuerung

1. Der Zellzyklus: Definition und Funktion

Der Zellzyklus umfasst die Gesamtheit der Veränderungen, die eine Zelle von ihrer Entstehung bis zu ihrer eigenen Teilung in zwei Tochterzellen durchläuft. Er beinhaltet die Verdoppelung des Erbmaterials und die anschließende gleichmäßige Verteilung auf die Tochterzellen sowie die Teilung des Zytoplasmas (Zytokinese).

Steuerung des Zellzyklus (Checkpoints)

Die Steuerung des Zellzyklus findet auf molekularer Ebene statt. Er wird durch eine Reihe von zytoplasmatischen Proteinen in einer Schleife reguliert, darunter Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (Cdks). Sogenannte Checkpoints (Kontrollpunkte) überwachen den Ablauf. Nur wenn die Zelle ein Teilungssignal empfängt, wird der Zyklus fortgesetzt. Fehlt dieses Signal, verbleibt die Zelle in einem Zustand der Nicht-Teilung (Ruhephase).

Die Interphase: Wachstum und DNA-Duplikation

Die Interphase ist die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Mitosen und nimmt den größten Teil des Zellzyklus ein. In dieser Phase wächst die Zelle und dupliziert ihr genetisches Material. Sie gliedert sich in drei Hauptphasen:

1. Phase G₁ (Gap 1)

   Dies ist die längste Phase. Proteine werden synthetisiert, die Zelle wächst an Größe, und die Vorbereitung für die DNA-Replikation beginnt. Zellen, die sich nicht mehr teilen, verlassen den Zyklus in dieser Phase und treten in die G₀-Phase ein (Ruhezustand). In G₁ werden auch beschädigte DNA, RNA und Proteine repariert. Die Phase dauert bis zum Beginn der DNA-Replikation.

2. Phase S (Synthese)

   In dieser Phase findet die eigentliche DNA-Replikation statt. Histone werden synthetisiert. Neben jedem Zentriol wird ein weiteres Zentriol gebildet, und die Synthese von mRNA und Proteinen (insbesondere Histonen) wird fortgesetzt.

3. Phase G₂ (Gap 2)

   Diese Phase ist von sehr kurzer Dauer. Die Zelle wächst weiter. Protein-kodierende Gene werden transkribiert und translatiert. Die Zentriolen sind nun vollständig vorhanden. Diese Phase endet mit dem Beginn der Chromosomenkondensation, die zur Mitose führt.

2. DNA-Replikation (Vervielfältigung)

Die DNA-Replikation ist ein wesentlicher Prozess im Zellzyklus und findet während der S-Phase der Interphase statt. Sie ist notwendig für die Zellteilung.

Der allgemeine Mechanismus wurde von Watson und Crick abgeleitet, basierend auf der Komplementarität der Basen. Sie schlugen vor, dass sich die Doppelhelix öffnet und die beiden Nukleotidstränge trennen. Jeder ursprüngliche Strang dient dann als Matrize für die Synthese eines neuen, komplementären Strangs. Um diesen Prozess zu beweisen, wurden drei mögliche Modelle für die Replikation diskutiert:

• Konservatives Modell

  Die beiden ursprünglichen Stränge bleiben erhalten, und es wird eine komplett neue Doppelhelix synthetisiert.

• Dispersives Modell

  Jeder Tochterstrang enthält Fragmente sowohl des ursprünglichen als auch des neu synthetisierten Materials.

• Semikonservatives Modell

  Dieses Modell wurde von Watson und Crick vorgeschlagen. Jede neue Doppelhelix behält einen Strang des ursprünglichen Moleküls bei und synthetisiert einen neuen, komplementären Strang.

Beweis durch den Meselson-Stahl-Versuch

Der Meselson-Stahl-Versuch lieferte den entscheidenden Beweis dafür, dass die DNA-Replikation semikonservativ abläuft. Durch Experimente mit E. coli konnte gezeigt werden, dass nur das semikonservative Modell (wie von Watson und Crick postuliert) zutrifft.

3. Mitose (Karyokinese) und Zytokinese

Die Mitose, auch Karyokinese genannt, ist der Prozess der Kernteilung, der in allen Körperzellen stattfindet. Das in der S-Phase duplizierte Erbmaterial wird gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt. Die Mitose gliedert sich in mehrere aufeinanderfolgende Phasen. (Das Vorhandensein von Zentriolen unterscheidet tierische Zellen von Pflanzenzellen).

Die Phasen der Mitose

Prophase

• Das Chromatin kondensiert, wodurch die Chromosomen sichtbar werden. Da die Replikation bereits in der S-Phase erfolgte, besteht jedes Chromosom aus zwei am Zentromer verbundenen Chromatiden.
• Die Zentriolen trennen sich und wandern zu den entgegengesetzten Polen. Durch Polymerisation bilden sich die polaren Mikrotubuli, die den Spindelapparat bilden.
• Die Kernmembran und der Nukleolus (Kernkörperchen) lösen sich auf.
• An den Zentromeren jedes Chromosoms bilden sich die Kinetochore, von denen die Kinetochor-Mikrotubuli ausgehen. Diese sind notwendig, um die Chromatiden später auseinanderzuziehen.

Metaphase

• Die Chromosomen erreichen den maximalen Kondensationsgrad.
• Der Spindelapparat ist vollständig ausgebildet.
• Die Kinetochor-Mikrotubuli ziehen die Chromosomen zur Mitte der Zelle, wo sie die Metaphaseplatte (oder Äquatorialplatte) bilden.
• Die Zentromere sind so auf der Äquatorialebene ausgerichtet, dass jede Chromatide des Metaphasechromosoms einem entgegengesetzten Pol zugewandt ist.

Anaphase

• Die beiden Schwesterchromatiden beginnen sich zu trennen.
• Sie werden von den Kinetochor-Mikrotubuli, die sich durch Depolymerisation verkürzen, zu den entgegengesetzten Polen gezogen.
• Die polaren Mikrotubuli verlängern sich durch Polymerisation und tragen zur weiteren Trennung der Pole bei.

Telophase

• Die Chromosomen dekondensieren (entfalten sich).
• Um jede Gruppe von Chromosomen bildet sich eine neue Kernmembran.
• Die Nukleoli (Kernkörperchen) erscheinen wieder.