Der Zellzyklus

Das Wachstum und die Teilung einer Zelle werden in einem stark kontrollierten und geordneten Prozess koordiniert, der als Zellzyklus bezeichnet wird.

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Der Zellzyklus enthält 4 Stufen; Gap 1 (G1) -Phase, Synthese (S) -Phase, Gap 2 (G2) -Phase und Mitose (M) -Phase. Bei den meisten menschlichen Zellen dauert ein einzelner Zellzyklus ungefähr 24 Stunden. In Geweben, in denen ein ständiger Bedarf an Zellerneuerung und -ersatz besteht, wie z. B. bei der Auskleidung des Darms, ist der Prozess jedoch viel kürzer und dauert nur 9 Stunden.

Interphase

G1-, S- und G2-Phasen werden alle kumulativ als Interphase bezeichnet, die das Wachstum einer Zelle und die Replikation ihrer DNA beinhaltet. Anfänglich in der G1-Phase wächst die Zelle physikalisch und erhöht das Volumen von Protein und Organellen. In der S-Phase kopiert die Zelle ihre DNA, um zwei Schwesterchromatiden zu produzieren, und repliziert ihre Nukleosomen. Schließlich beinhaltet die G2-Phase ein weiteres Zellwachstum und die Organisation des Zellinhalts.

Mitose

Während der M-Phase teilt sich die Zelle in zwei Tochterzellen. Die DNA kondensiert zunächst zu Chromosomen, die von einer mitotischen Spindel auseinandergezogen werden. Diese M-Phase ist weiter in 4 Stufen unterteilt; Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase.

Prophase: Die DNA kondensiert unter Bildung von Chromosomen und mitotische Spindeln beginnen sich zwischen den beiden Nukleosomen zu bilden. Diese Spindeln beginnen dann, sich an Kinetochoren auf den Chromosomen zu binden und diese im Zentrum der Zelle zu organisieren.

Metaphase: Chromosomen, die durch ihre Kinetochoren gebunden sind, werden in die Mitte der Zelle gezogen und bilden eine Linie namens die Metaphasenplatte. Die Zelle stellt dann sicher, dass alle Chromosomen in einer Phase, die als Spindelprüfpunkt bezeichnet wird, an zwei getrennte Kinetochoren gebunden sind, einen an jedes Schwesterchromatid. Dies bestätigt, dass jede neue Zelle nach der Teilung der Zelle eine gleichmäßige Menge an DNA-Material enthält.

Anaphase: Nachdem die Zelle diesen Kontrollpunkt erfolgreich durchlaufen hat, tritt sie in die Anaphase ein. Kohäsine, die Chromosomen zusammenhalten, werden gespalten und die gebundenen Mikrotubuli beginnen sich zu verkürzen. Dieser Prozess zieht die Schwesterchromatiden an entgegengesetzten Polen der Zelle auseinander. Die verbleibenden Mikrotubuli, die nicht an Chromosomen gebunden sind, verlängern sich dann und drücken die beiden Hälften der Zelle weiter voneinander weg.

Telophase: Zu diesem Zeitpunkt ist die Zelle fast vollständig geteilt. Innerhalb der Telophase dekondensiert die DNA und die mitotische Spindel wird abgebaut, bevor sich zwei separate Kerne entwickeln.

Zytokinese

Sobald die DNA gespalten ist, teilt sich die physikalische Zelle in einem Prozess, der als Zytokinese bezeichnet wird. Zunächst bildet sich in der Mitte ein kontraktiler Ring, der die Zelle in zwei Hälften teilt und einklemmt. Dies bildet eine Vertiefung, die als Spaltfurche bezeichnet wird und die Zelle schließlich in zwei identische Tochterzellen aufteilt.

Kontrolle des Zellzyklus

Insgesamt wird dieser Prozess stark von verschiedenen Proteinen gesteuert, die wirken, um den Zellzyklus sowohl zu stimulieren als auch zu hemmen. Cyclin und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) gehören zu den wichtigsten Proteinen, die an der Stimulation des Zyklus beteiligt sind. Die Cyclinspiegel werden in verschiedenen Stadien des Zyklus erhöht und gesenkt, was die Funktion von CDKs stimuliert, deren Anwesenheit stabil ist, aber nur in Gegenwart von Cyclinen funktionieren kann. CDKs dienen dazu, viele verschiedene Proteine zu phosphorylieren, die für das Passieren wichtiger Punkte im Zellzyklus erforderlich sind, sogenannte Checkpoints.

Diese Checkpoints befinden sich am Ende von G1 und am Anfang von G2 und dienen dazu, das Vital zu gewährleisten Prozesse jeder Stufe werden ausgeführt, bevor sich die Zelle in die S-Phase bewegt oder diese verlässt. Es gibt auch einen M-Phasen-Checkpoint (den Spindel-Checkpoint), der sicherstellt, dass die Chromosomen wie zuvor beschrieben korrekt ausgerichtet sind.

Insgesamt dienen diese Checkpoints dazu, die Integrität des Genoms sicherzustellen und DNA-Schäden zu verhindern. Wenn eine Zelle die Anforderungen des Kontrollpunkts nicht erfüllt, wird der Zellzyklus angehalten und die DNA kann repariert werden, oder wenn die DNA nicht mehr repariert werden kann, kann die Apoptose stimuliert werden.

Wenn diese Kontrollpunkte vorhanden sind Aufgrund mutierter Proteine verloren, wird der Zellzyklus nicht mehr kontrolliert und kann zu einer unregulierten Replikation führen. Beispielsweise führen Mutationen im TP53-Gen zu vielen Krebsarten.

Dieses Protein ist am Zellzyklus beteiligt Arrest und Transkription von Proteinen, die an der DNA-Reparatur oder Apoptose beteiligt sind. Daher bedeutet der Verlust dieses Gens, dass der Zellzyklus nicht gestoppt und die DNA nicht repariert werden kann, was zu Tumorwachstum führt. Insgesamt ist der Zellzyklus ein wesentlicher Prozess für das Wachstum und die Reparatur von Geweben. Es ist in 4 verschiedene Phasen unterteilt; G1-Phase, S-Phase, G2-Phase und M-Phase und gesteuert durch das Vorhandensein von Kontrollpunkten.Kontrollverlust ist mit Krebs verbunden, z. B. mit Mutationen, die zum Verlust des Zyklusstillstands und der DNA-Reparatur führen, was die Bedeutung einer korrekten Regulation zeigt.

Weiterführende Literatur

• Alle zellbiologischen Inhalte
• Struktur und Funktion des Zellkerns
• Was sind Organellen?
• Ribosomenstruktur
• Proteinproduktion: Initiation, Verlängerung und Beendigung

Zitate