Was ist der Zellzyklus?

Der Zellzyklus umfasst das gesamte Leben einer Zelle von der Geburt bis zu ihrem Tod. Es ist die Zeit von der Bildung einer Zelle aus ihrer Elternzelle bis zu ihrer Teilung in ihre Tochterzellen.Ein wichtiger Teil des Zellzyklus ist die Zellteilung, der Prozess, bei dem eine Zelle repliziert wird, um entweder zwei Tochterzellen durch den Prozess der Mitose oder asexuelle Reproduktion zu bilden; oder vier Tochterzellen durch den Prozess der Meiose oder sexuelle Reproduktion. Diese Teilung bildet jedoch nur einen kleinen Teil des Zellzyklus.

Phasen des Zellzyklus

Der Zellzyklus in Eukaryoten wird üblicherweise in zwei Hauptphasen unterteilt. Der Zyklus beginnt zuerst, wenn Mitose oder Meiose eine Tochterzelle produziert. Diese Zelle tritt in die Interphase ein, eine lange Phase, die etwa 90% des Zellzyklus ausmacht. Nach der Interphase tritt die Zelle in die Mitose oder Meiose ein, was zur Zellteilung (Zytokinese) und zum Beginn eines neuen Zellzyklus in jeder der Tochterzellen führt.

In der Mitose kann die Interphase weiter in drei Unterphasen unterteilt werden: Die erste ist als { G} _{1} für die erste Lücke oder das erste Wachstum bekannt; die zweite ist als S-Phase für die Synthese bekannt und die dritte ist als {G} _{2} für die zweite Lücke oder das zweite Wachstum bekannt. Während der beiden G-Phasen finden Zellwachstum, Proteinsynthese und Enzymsynthese statt, während während der S-Phase DNA repliziert wird. Die DNA-Replikation erfolgt ohne Erhöhung der Chromosomenzahl; Auf diese Weise befindet sich in der Zelle genügend DNA für zwei Tochterzellen, wobei die gleiche Ploidie (Anzahl der Chromosomensätze) wie in der Elternzelle erhalten bleibt. Verwechseln Sie nicht zwischen DNA-Replikation und Chromosomenreplikation. Die Chromosomenreplikation führt zu einer Veränderung der Ploidie, die DNA-Replikation jedoch nicht.

Bei der Meiose ist der Zellzyklus etwas komplizierter: So wie die Meiose in Meiose I und Meiose II aufgeteilt werden kann, kann auch die Interphase erfolgen. Interphase I geht der Meiose I voraus und ist in G- und S-Phasen unterteilt. Nachdem die Meiose I abgeschlossen ist, tritt die Interphase II auf, die jedoch nur aus einer G-Phase besteht. Danach tritt Meiose II auf. Die beiden G-Phasen sind essentiell für das Zellwachstum und die Proteinsynthese, während die S-Phase für die DNA-Replikation verantwortlich ist. Nach der Meiose I muss die DNA-Replikation nicht nach der Meiose I erfolgen, da die Replikation bereits vor der Meiose I stattgefunden hat.

Der Zellzyklus wird an mehreren Punkten gesteuert, um bestimmte Ereignisse auszulösen und zu koordinieren. Dazu gehören ein {G} _{1} -Kontrollpunkt, ein {G} _{2} -Kontrollpunkt und ein M-Kontrollpunkt sowie die Möglichkeit, in eine nicht teilende {G} _{0} -Phase zu wechseln, wenn kein Signal gegeben ist. Dies ist praktisch in Organismen, in denen Zellen abgenutzt werden und kontinuierlich ersetzt werden müssen (so wachsen wir und altern schließlich). Während des Wachstums werden neue Zellen benötigt, um die erhöhte Körpergröße (sowohl Gewicht als auch Größe) zu berücksichtigen.

An jedem Kontrollpunkt finden zahlreiche Ereignisse statt. Am Ende der zweiten Wachstumsphase, kurz bevor die Zelle in die M-Phase eintritt, findet eine Qualitätskontrolle statt; die Masse der Zelle wird überprüft, um sicherzustellen, dass sie sich verdoppelt hat, die DNA-Replikation abgeschlossen ist und dass die DNA nicht beschädigt ist. Dieser Punkt wird als mitotischer Kontrollpunkt bezeichnet. Kurz bevor die Zelle die M-Phase verlässt, findet eine weitere Qualitätskontrolle statt; hier wird die Chromosomenausrichtung überprüft und die Spindelbefestigung an allen Chromosomen überprüft. Bevor Zellen in die S-Phase der Interphase eintreten, durchlaufen sie den START- oder Restriktionspunkt; Hier wird der Ernährungszustand der Zelle überprüft und vor allem die DNA erneut auf Schäden überprüft. Wenn Sie aufgepasst haben, haben Sie vielleicht bemerkt, dass die Integrität der DNA bereits einmal am mitotischen Kontrollpunkt überprüft wurde, da die DNA-Integrität wohl das Wichtigste in der Zelle ist.

Die S-Phase der Interphase

Die S-Phase eines Zellzyklus tritt während der Interphase vor der Mitose oder Meiose auf und ist für die Synthese oder Replikation von DNA verantwortlich. Auf diese Weise wird das genetische Material einer Zelle verdoppelt, bevor es in die Mitose oder Meiose eintritt, so dass genügend DNA vorhanden ist, um in Tochterzellen aufgeteilt zu werden. Die S-Phase beginnt erst, wenn die Zelle den Kontrollpunkt {G } _{1 } passiert hat und genug gewachsen ist, um die doppelte DNA zu enthalten. Die S-Phase wird durch ein Protein namens p16 gestoppt, bis dies geschieht.Das p16-Protein ist wichtig bei der Unterdrückung von Tumoren und wurde als das Protein identifiziert, das das Auftreten einiger Krebsarten verhindert. Es wirkt den Aktivitäten von Cyclin-abhängigen Kinase-Proteinen entgegen, die für die Signalisierung verantwortlich sind, wenn die Zelle bereit ist, zur nächsten Phase überzugehen. Die Kinasen signalisieren dies, indem sie das Retinoblastom-Protein (pRB) phosphorylieren, das, wenn es aktiv ist, der Zelle mitteilt, in die nächste Phase überzugehen.

Das wichtigste Ereignis in der S-Phase ist die Replikation von DNA. Ziel dieses Verfahrens ist es, die doppelte Menge an DNA zu produzieren, die die Grundlage für die Chromosomensätze der Tochterzellen bildet. Die DNA-Replikation beginnt an einem Punkt, an dem regulatorische Präreplikationskomplexe in der Phase {G } _{1} an die DNA gebunden sind. Diese Komplexe fungieren als Signal dafür, wo die DNA-Replikation beginnen soll. Sie werden in der S-Phase entfernt, bevor die Replikation beginnt, so dass die DNA-Replikation nicht mehr als einmal auftritt.

Zusätzlich zur DNA-Replikation findet das Zellwachstum weiterhin in der S-Phase statt, und es werden weiterhin Proteine und Enzyme produziert, die für die DNA-Synthese notwendig sind.

DNA-Synthese

Das DNA-Molekül hat die Form einer Doppelhelix. Während der S-Phase wickelt ein Enzym namens Helikase den DNA-Strang auf die gleiche Weise ab, wie Sie einen Reißverschluss öffnen würden. Die beiden Einzel-DNA-Stränge können dann als Templates verwendet werden, um zwei identische Doppel-DNA-Stränge zu bilden.Ein Enzym namens DNA-Polymerase bindet dann Nukleotide an jeden der einzelnen Template-DNA-Stränge unter Verwendung der komplementären Basenpaarungsregel: Adenin bindet an Thymin und Cytosin bindet an Guanin. Auf diese Weise wird eine neue Doppelhelix der DNA gebildet, die mit dem Original identisch ist.

Abbildung 3: DNA-Synthese während der S-Phase.

Nachdem die gesamte DNA entpackt und zu zwei neuen DNA-Strängen synthetisiert wurde, bewegt sich die Zelle von dieser Phase in die { G } _{1 } -Phase der Mitose oder Prophase I der Meiose.

Warum die S-Phase wichtig ist

Die DNA-Synthese muss schnell erfolgen, da die ungepaarten Basenpaare des DNA-Strangs während der Replikation anfällig für schädliche Mutagene sind, die zu genetischen Anomalien, Zellerkrankungen oder sogar zum Zelltod führen können. Diese Phase ist aufgrund ihrer Bedeutung für die Erhaltung des genetischen Materials stark reguliert. Wenn die DNA in einer Zelle beschädigt ist, kann sie in der S-Phase identifiziert und fixiert werden.

Neben der DNA-Replikation sind die zahlreichen Kontrollen, die für den reibungslosen Ablauf der Show sorgen, entscheidend dafür, dass die Zelle in dieser Phase nicht mehr Zeit als nötig verbringt. Verzögerungen können einen Kaskadeneffekt auf die Wachstumsraten und den Zellersatz haben, was sich nachteilig auf den gesamten Organismus auswirken würde.

Biology Review

Der Zellzyklus ist der Prozess von der Bildung einer Zelle durch Teilung bis zu dem Punkt, an dem sie sich in Tochterzellen teilt. Dazu gehören Mitose oder Meiose und Interphase. In einem mitotischen Zyklus wird die Interphase in eine erste Gap-Phase ({G }_{1 }), eine Synthesephase (S) und eine zweite Gap-Phase ({G }_{2 }) aufgeteilt. Während { G }_{ 1 } und { G }_{ 2 } wächst die Zelle und Proteine und Enzyme werden synthetisiert. Während der S-Phase wird DNA im Prozess der DNA-Replikation synthetisiert. Im meiotischen Zyklus wird die Interphase in Interphase I und Interphase II aufgeteilt. Interphase I umfasst eine Gap-Phase (G) und eine Synthesephase (S), während Interphase II nur eine Gap-Phase (G) umfasst.Die S-Phase wird durch regulatorische Präreplikationskomplexe reguliert, die signalisieren, wo die DNA-Synthese beginnen soll; Protein p16 und seine assoziierten Partner, die die Zelle daran hindern, in die S-Phase einzutreten, bis sie groß genug ist; und regulatorische Wege während der DNA-Replikation. Fehler in dieser Phase können zu genetischen Anomalien, Krankheiten oder zum Zelltod führen (ungeplanter Zelltod, nicht zu verwechseln mit Apoptose). Die S-Phase ist auch wichtig für den Nachweis und die Korrektur von DNA-Schäden.

Auf der Suche nach Biologie Praxis?

Schauen Sie sich unsere anderen Artikel über Biologie an.

Sie können auch Tausende von Übungsfragen auf Albert.io. Albert.io hier können Sie Ihre Lernerfahrung anpassen Praxis zu zielen, wo Sie die meiste Hilfe benötigen. Wir geben Ihnen herausfordernde Übungsfragen, damit Sie die Biologie beherrschen können.

Beginnen Sie hier zu üben.

Sind Sie Lehrer oder Administrator, der daran interessiert ist, die Ergebnisse von Biologiestudenten zu verbessern?

Erfahren Sie hier mehr über unsere Schullizenzen.