Zellzyklus, Mitose, Meiose & Apoptose: Zellteilung erklärt

Der Zellzyklus: Phasen der Zellentwicklung

Der Zellzyklus ist die Abfolge von Schritten, die in einer Zelle ablaufen, von ihrer Entstehung bis zu ihrer Teilung. Er besteht hauptsächlich aus zwei Hauptstufen:

1. Interphase (Schnittstelle): Die Wachstums- und Vorbereitungsphase (keine Zellteilung). Sie nimmt den größten Teil (ca. 90 %) des Zelllebens ein.
2. Zellteilung (Mitose oder Meiose): Die eigentliche Teilung der Zelle.

Phasen der Interphase

• G1-Phase (Gap 1): Ein Zeitraum intensiven Wachstums und der Synthese von Proteinen und Organellen. Hier liegt der Restriktionspunkt (R-Punkt). Wird dieser Punkt überschritten, verpflichtet sich die Zelle zur DNA-Replikation und Teilung.
• G0-Phase: Zellen, die den Zellzyklus verlassen und sich nicht mehr teilen (z. B. Muskel-, Nerven- und Fettzellen), treten in diese Ruhephase ein.
• S-Phase (Synthese): Die Vervielfältigung des genetischen Materials (DNA-Replikation). Diese Phase hat eine relativ feste Dauer.
• G2-Phase (Gap 2): Vorbereitung auf die Zellteilung (Mitose/Meiose). Die Zelle überprüft die replizierte DNA auf Fehler.

Kontrolle des Zellzyklus

Der Zellzyklus wird auf verschiedenen Ebenen streng kontrolliert:

1. Enzymatische Ebene:

   Der Übergang zwischen den Phasen wird hauptsächlich durch Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) gesteuert. Diese Proteinkomplexe regulieren den Fortschritt, insbesondere am Restriktionspunkt (R-Punkt) in G1. Wenn die Konzentration der Cycline einen Schwellenwert überschreitet, wird die DNA-Replikation ausgelöst.

2. Chemische/Genetische Ebene:

   Bestimmte Substanzen, wie Wachstumsfaktoren (Proteine), stimulieren die DNA-Synthese, indem sie spezifische Gene aktivieren. Auch Hormone oder andere Signalstoffe können Gene aktivieren.

3. Andere Faktoren:
   • Zellgröße
   • Kontakthemmung (Zellen teilen sich nicht, wenn sie in Kontakt mit anderen Zellen stehen)
   • Temperatur
   • Alter der Zelle
   • Verfügbarkeit von Nährstoffen

Wichtige Kontrollpunkte (Checkpoints)

Der Zellzyklus besitzt mehrere Kontrollpunkte, um die Integrität des genetischen Materials und die korrekte Zellteilung sicherzustellen:

• G1/S-Kontrollpunkt (R-Punkt): Liegt zwischen G1 und S. Überprüft beschädigte DNA und die Zellgröße.
• G2/M-Kontrollpunkt: Liegt zwischen G2 und Mitose. Steuert, ob die DNA nach der Replikation vollständig und unbeschädigt ist.
• M-Kontrollpunkt (Spindel-Checkpoint): Liegt in der mitotischen Metaphase. Kontrolliert, ob alle Chromosomen korrekt an der Spindel ausgerichtet sind.

Zelltypen und G0-Phase

• Zellen, die den R-Punkt nie überschreiten, verbleiben dauerhaft in G0 (z. B. Neuronen und Muskelzellen).
• Andere Zellen verweilen vorübergehend in G0 und können den R-Punkt nach einem Stimulus überschreiten, um den Zellzyklus fortzusetzen (z. B. Oogonien).
• Zellen, die den R-Punkt ständig überschreiten, sind Stammzellen oder Krebszellen.

Apoptose: Der Programmierte Zelltod

Apoptose ist der programmierte Zelltod. Dieser Prozess tritt auf, wenn Zellen defekt sind oder im Rahmen der normalen Entwicklung (embryonal oder adult) überschüssige Strukturen entfernt werden müssen. Beispiele hierfür sind die Rückbildung der Interdigitalmembran beim Menschen oder die Metamorphose bei Amphibien und Insekten.

Ablauf der Apoptose

1. Spezifische Proteine zerlegen die DNA in Fragmente.
2. Die Zelle schrumpft und verliert Wasser (Bildung von Bläschen, „Blebbing“).
3. Die Zelle fragmentiert in sogenannte apoptotische Körper, die schnell von Phagozyten aufgenommen werden.

Mitose: Die Kernteilung

Die Mitose ist die Teilung des Zellkerns, gefolgt von der Zellteilung (Zytokinese). Sie führt zur Entstehung von zwei genetisch identischen Tochterzellen aus einer Mutterzelle.

Funktion der Mitose

• Einzellige Organismen: Mechanismus der asexuellen Fortpflanzung.
• Mehrzellige Organismen: Mechanismus für Wachstum, Entwicklung und Zellerneuerung.

Phasen der Mitose

1. Prophase:
   • Das Chromatin kondensiert zu sichtbaren Chromosomen.
   • Die Zentriolenpaare wandern zu den Zellpolen.
   • Die Spindelfasern (Mitosespindel) bilden sich.
   • Der Nucleolus (Kernkörperchen) und die Kernmembran lösen sich auf.
2. Metaphase:
   • Die Chromosomen, die über Kinetochoren mit den Spindelfasern verbunden sind, werden zur Mitte der Zelle geschoben.
   • Sie bilden die Metaphasenplatte (Äquatorialplatte).
3. Anaphase:
   • Die Mikrotubuli der Kinetochoren verkürzen sich.
   • Das Zentromer spaltet sich, und die Schwesterchromatiden werden voneinander getrennt und zu den entgegengesetzten Polen gezogen. Sie gelten nun als eigenständige Chromosomen.
4. Telophase:
   • Die Chromosomen dekondensieren wieder zu Chromatin.
   • Neue Kernmembranen bilden sich um jede Gruppe von Chromosomen.
   • Die Nucleoli erscheinen wieder.
   • Die Spindel verschwindet.

Zytokinese: Die Teilung des Zytoplasmas

Die Zytokinese ist die Teilung des Zytoplasmas. Sie folgt normalerweise der Mitose. Findet sie nicht statt, entstehen mehrkernige Zellen.

Unterschiede zwischen Tier- und Pflanzenzellen

• Tierzellen: Die Teilung erfolgt durch Einschnürung des Zytoplasmas mittels eines kontraktilen Rings aus Aktin- und Myosinfilamenten.
• Pflanzenzellen: Die Teilung erfolgt durch Septierung. Es bildet sich eine Zellplatte (aus dem Phragmoplasten), die zur Entstehung der neuen primären Zellwand führt.

Meiose: Reduktionsteilung und Rekombination

Die Meiose ist die Teilung einer diploiden Zelle (2n), die vier haploide Zellen (n) mit unterschiedlicher genetischer Kombination hervorbringt. Im diplonten Lebenszyklus dient die Meiose der Bildung von Gameten (Geschlechtszellen).

Gameten müssen die Hälfte der Chromosomenzahl (n) besitzen, damit bei der Befruchtung die artspezifische Chromosomenzahl (2n) erhalten bleibt.

Die Meiose besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Teilungen:

• Meiose I (Reduktionsteilung): Reduziert die Chromosomenzahl von 2n auf n. Es entstehen zwei Tochterzellen.
• Meiose II (Äquationsteilung): Ähnlich der Mitose. Die Schwesterchromatiden werden getrennt.

Hinweis: Die Chromosomen wurden vor Beginn der Meiose in der S-Phase verdoppelt.

Meiose I (Reduktionsteilung)

Meiose I ist die wichtigste und längste Teilung.

Prophase I (Unterphasen)

Die Prophase I ist komplex und wird in fünf Unterphasen unterteilt:

1. Leptotän: Die Chromosomen beginnen zu kondensieren.
2. Zygotän: Homologe Chromosomen paaren sich (Synapsis) und bilden den Synaptonemalen Komplex.
3. Pachytän: Crossing-over (Austausch von DNA-Fragmenten) zwischen homologen Chromatiden findet statt. Dies ist ein zufälliger Austausch.
4. Diplotän: Der Synaptonemale Komplex löst sich auf. Die homologen Chromosomen bleiben nur noch an den Überkreuzungsstellen, den Chiasmata, verbunden.
5. Diakinese: Die Chromosomen erreichen maximale Kondensation. Die Kernmembran und der Nucleolus verschwinden.

Metaphase I

Die homologen Chromosomenpaare ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle an. Die Äquatorialebene verläuft zwischen den Zentromeren der Homologen.

Anaphase I

Die Spindelfasern verkürzen sich und ziehen die homologen Chromosomen (die noch aus zwei Chromatiden bestehen) zu den entgegengesetzten Polen. Die Chiasmata lösen sich auf.

Telophase I

Die Chromosomen dekondensieren. Die Spindel verschwindet. Neue Kernmembranen und Nucleoli bilden sich. Das Ergebnis sind zwei haploide Zellen (n), deren Chromosomen jedoch noch dupliziert sind (bestehen aus zwei Chromatiden).

Hinweis: Zwischen Meiose I und Meiose II findet keine S-Phase (DNA-Replikation) statt.

Meiose II (Äquationsteilung)

Meiose II verläuft analog zur Mitose, trennt jedoch die Schwesterchromatiden der haploiden Zellen.

1. Prophase II:
   • Die Chromosomen kondensieren erneut.
   • Kernmembran und Nucleolus verschwinden.
   • Die Spindel bildet sich neu.
2. Metaphase II:

   Die Chromosomen ordnen sich einzeln in der Äquatorialebene an.

3. Anaphase II:

   Die Zentromere spalten sich, und die Schwesterchromatiden werden voneinander getrennt und zu den entgegengesetzten Polen gezogen.

4. Telophase II:
   • Neue Kernmembranen bilden sich.
   • Die Chromosomen dekondensieren.
   • Die Spindel verschwindet.
   • Nucleoli erscheinen wieder.

Zytokinese und Endergebnis

Die Zytokinese folgt der Telophase II.

Endergebnis: Vier haploide Zellen (n) mit unterschiedlicher genetischer Kombination.