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Zellzyklus: Phasen und Kontrolle verstehen
Der Zellzyklus beschreibt den Weg einer teilungsfähigen Zelle von einer Zellteilung bis zur nächsten. In der Interphase wächst sie und verdoppelt ihre DNA. Danach verteilt die Mitose das Erbgut auf zwei Zellkerne, und die Cytokinese trennt die gesamte Zelle.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum durchlaufen Zellen einen Zyklus?
Wenn du wächst oder eine Wunde heilt, müssen neue Zellen entstehen. Dazu teilt sich eine Mutterzelle so, dass zwei genetisch weitgehend identische Tochterzellen entstehen. Vor der Teilung muss die Zelle ihr Erbgut vollständig kopieren und anschließend gleichmäßig verteilen.
Zellzyklus
Der Zellzyklus ist die geordnete Abfolge von Interphase und M-Phase. Die M-Phase umfasst die Mitose als Kernteilung und die Cytokinese als Teilung der gesamten Zelle.
Die Dauer eines Zellzyklus ist nicht für alle Zellen gleich. Sie hängt unter anderem von Zellart, Entwicklungszustand und äußeren Bedingungen ab. Manche Zellen teilen sich schnell, andere verlassen den aktiven Zyklus für längere Zeit oder dauerhaft.
Erst wird die DNA kopiert, dann wird sie verteilt und zuletzt wird die Zelle vollständig getrennt.
Wie bereitet die Interphase die Teilung vor?
Die Interphase ist keine Ruhepause. Die Zelle wächst, stellt Zellbestandteile her, verdoppelt ihre DNA und prüft die Vorbereitung auf die Teilung. Sie besteht aus G1-, S- und G2-Phase.
G1-Phase: wachsen und aufbauen
Direkt nach einer Teilung wächst die junge Zelle. Sie bildet unter anderem RNA, Proteine und Zellorganellen. Ihre Chromosomen liegen locker als Chromatin vor und bestehen jeweils aus einem Chromatid.
Eine Zelle kann den aktiven Zyklus aus G1 verlassen und in die G0-Phase übergehen. Dort erfüllt sie ihre spezialisierte Aufgabe, ohne sich weiter zu teilen. Manche Zellen können später durch passende Signale nach G1 zurückkehren; andere bleiben dauerhaft in G0.
S-Phase: DNA verdoppeln
Das S steht für Synthese. In dieser Phase findet die DNA-Replikation, also die Verdopplung der DNA, statt. Danach besteht jedes Chromosom aus zwei identischen Schwesterchromatiden, die am Zentromer verbunden sind.
Chromatid
Ein Chromatid ist eine DNA-Protein-Einheit eines Chromosoms. Vor der S-Phase besitzt ein Chromosom ein Chromatid. Nach der Replikation besitzt es zwei weitgehend identische Schwesterchromatiden.
Wichtig: Durch die Replikation verdoppelt sich die DNA-Menge. Die Zahl der Chromosomen wird dabei nicht verdoppelt, weil die beiden Schwesterchromatiden zunächst gemeinsam als ein Chromosom gezählt werden.
G2-Phase: prüfen und vorbereiten
Nach der Replikation wächst die Zelle weiter. Sie bildet Bestandteile für die Mitose und kontrolliert, ob die DNA vollständig kopiert wurde und Schäden repariert werden müssen.
Eine Zelle befindet sich zuerst in G1. Jedes ihrer Chromosomen besteht aus einem Chromatid.
- In der S-Phase wird die DNA repliziert.
- Danach besitzt jedes Chromosom zwei Schwesterchromatiden.
- In G2 bleiben diese Schwesterchromatiden miteinander verbunden.
- Erst während der Mitose werden sie getrennt und auf zwei Zellkerne verteilt.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
In der wächst die Zelle nach der Teilung. Die DNA wird in der repliziert. Danach besteht ein Chromosom aus . In der wird die Mitose weiter vorbereitet.
Wie werden die Chromatiden verteilt?
Die Mitose verteilt das zuvor verdoppelte Erbgut auf zwei neue Zellkerne. Sie ist ein kontinuierlicher Vorgang, wird zum Lernen aber in mehrere Phasen gegliedert.
- Prophase: Das lockere Chromatin kondensiert. Dadurch werden die Zwei-Chromatid-Chromosomen deutlich erkennbar. Der Spindelapparat beginnt sich zu bilden, und die Kernhülle löst sich allmählich auf.
- Prometaphase: In Darstellungen mit einer eigenen Prometaphase ist die Kernhülle nun aufgelöst. Spindelfasern können über Proteinstrukturen am Zentromer an die Chromosomen binden. Manche Modelle rechnen diesen Abschnitt zur Prophase.
- Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene in der Zellmitte an. Schwesterchromatiden sind mit entgegengesetzten Spindelpolen verbunden.
- Anaphase: Die Schwesterchromatiden werden getrennt und zu entgegengesetzten Zellpolen gezogen. Ab diesem Moment gilt jedes getrennte Chromatid als eigenes Ein-Chromatid-Chromosom.
- Telophase: Um beide Chromosomensätze entstehen neue Kernhüllen. Die Chromosomen lockern sich wieder zu Chromatin, und der Spindelapparat wird abgebaut.
Spindelapparat
Der Spindelapparat besteht aus Mikrotubuli. Er verbindet sich mit den Chromosomen und bewegt die getrennten Schwesterchromatiden zu entgegengesetzten Zellpolen.
Prophase: verpacken – Metaphase: anordnen – Anaphase: trennen – Telophase: neue Kerne bilden.
Wie entstehen zwei vollständige Tochterzellen?
Nach der Kernteilung muss auch das Zellplasma getrennt werden. Dieser Vorgang heißt Cytokinese.
Cytokinese
Die Cytokinese ist die Teilung des Zellplasmas und damit der gesamten Zelle. Sie erzeugt aus der Mutterzelle zwei voneinander abgegrenzte Tochterzellen.
Bei Tierzellen schnürt sich die Zellmembran von außen nach innen ein. Es entsteht eine Teilungsfurche. Bei Pflanzenzellen verhindert die feste Zellwand eine solche Einschnürung. Stattdessen bildet sich von innen nach außen eine Zellplatte, aus der die Trennwand zwischen den Tochterzellen hervorgeht.
Mitose und Cytokinese sind deshalb nicht dasselbe:
- Die Mitose teilt und ordnet das Erbgut in zwei Zellkerne.
- Die Cytokinese trennt das Zellplasma und die gesamte Zelle.
Nach der Anaphase liegen an beiden Zellpolen vollständige Sätze aus Ein-Chromatid-Chromosomen. In der Telophase entstehen daraus zwei Zellkerne. Erst die Cytokinese grenzt anschließend zwei eigenständige Tochterzellen voneinander ab.
Wie verhindern Kontrollpunkte Fehler?
Der Zellzyklus läuft nicht einfach automatisch weiter. An Kontrollpunkten prüft die Zelle, ob wichtige Voraussetzungen erfüllt sind. Bei Problemen kann der Zyklus angehalten werden, damit Reparaturen möglich sind.
Zu den entscheidenden Prüfungen gehören:
- vor der S-Phase: Ist die Zelle groß genug, und stehen passende Nährstoffe sowie Wachstumssignale zur Verfügung?
- vor der Mitose: Wurde die DNA vollständig und möglichst fehlerfrei repliziert?
- vor der Anaphase: Sind alle Chromosomen korrekt mit dem Spindelapparat verbunden?
Cycline und CDKs
Cycline sind Regulationsproteine, deren Konzentration sich während des Zellzyklus verändert. Sie binden an cyclinabhängige Kinasen, kurz CDKs. Die entstehenden Cyclin-CDK-Komplexe steuern wichtige Übergänge zwischen den Phasen.
Kontrollproteine können bei DNA-Schäden einen Zellzyklusarrest, also einen vorübergehenden Stopp, auslösen. Ist ein Schaden nicht reparierbar, kann die Zelle den programmierten Zelltod einleiten. Dadurch wird verhindert, dass eine stark geschädigte Zelle ihr Erbgut weitergibt.
Ein Kontrollpunkt ist kein eigener Abschnitt wie G1 oder S. Er ist eine Sicherungsstelle an einem Phasenübergang. Erst wenn die geprüften Bedingungen erfüllt sind, wird der nächste Schritt freigegeben.
Warum kann Kontrollverlust Tumoren begünstigen?
Gene enthalten die Bauanleitungen für Proteine, die den Zellzyklus antreiben oder bremsen. Mutationen in solchen Kontrollgenen können dazu führen, dass eine Zelle trotz Schäden oder fehlender Signale weiter in den nächsten Zyklusabschnitt eintritt.
Fallen mehrere Sicherungen aus, können sich betroffene Zellen wiederholt teilen. Aus einer veränderten Ausgangszelle entsteht dann eine wachsende Gruppe genetisch verwandter Zellen. Diese unkontrollierte Zellvermehrung kann zur Bildung eines Tumors beitragen.
Ein einzelner Fehler bedeutet nicht automatisch Krebs. Das Risiko steigt, wenn entscheidende Kontrollen ausfallen, Schäden weitergegeben werden und betroffene Zellen dem programmierten Zelltod entgehen.
Bei einer Zelle ist die DNA beschädigt. Zusätzlich funktioniert ein Protein nicht, das den Zyklus normalerweise stoppt.
- Der Schaden wird am Kontrollpunkt nicht wirksam aufgehalten.
- Die Zelle repliziert oder verteilt die fehlerhafte DNA.
- Beide Tochterzellen können die Veränderung tragen.
- Wiederholen sich Teilungen und kommen weitere Kontrollfehler hinzu, kann unkontrolliertes Zellwachstum entstehen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Zellzyklus
- Interphase
- G1: wachsen und Zellbestandteile bilden
- S: DNA replizieren
- G2: prüfen und Mitose vorbereiten
- G0: aktiven Zyklus verlassen
- M-Phase
- Mitose: Erbgut auf zwei Kerne verteilen
- Cytokinese: gesamte Zelle trennen
- Sicherung
- Kontrollpunkte prüfen Voraussetzungen
- Cycline und CDKs steuern Übergänge
- Stopp und Reparatur begrenzen Schäden
- Kontrollverlust
- Schäden können weitergegeben werden
- unkontrollierte Teilung kann Tumoren begünstigen
- Interphase
Abschluss-Check
Prüfe dich zum Schluss: Kannst du den Weg eines Chromosoms als Ein-Chromatid-Chromosom in G1, als Zwei-Chromatid-Chromosom nach der S-Phase und wieder als Ein-Chromatid-Chromosom nach der Anaphase erklären? Dann hast du die zentrale Logik des Zellzyklus verstanden.