Alle eukaryontischen Zellen durchlaufen einen Zyklus von Wachstum, DNA-Verdopplung, Wachstum und Zellteilung. Man nennt diesen Zellzyklus.

Der zyklische Ablauf wird in verschiedene Abschnitte unterteilt: G1 - S - G2 - M. G1 steht für Gap1 , S für Synthese und G2 für Gap2. Alle 3 genannten Phasen sind zusammen die Interphase zwischen 2 Zellteilungen. Zellen werden meist in dieser Phase beobachtet.

Während des Zellzyklus müssen die Chromosomen repliziert (S), kondensiert (M), getrennt und dekondensiert werden die Centrosomen verdoppelt (S) und getrennt werden und zu den entgegengesetzten Zellpolen wandern die Kernmembran abgebaut und aufgebaut werden (M) die Spindelfasern während der Mitose auf- und abgebaut werden (M) die Zellmembran ergänzt werden, um die Zellteilung zu vervollständigen

Die G1-Phase ist die Wachstumsphase, wo sich die Zelle unter ATP-Verbrauch vergrößert und sich die Zellorganellen vervielfachen. Nach einer bestimmten Zeit beginnt die DNA-Verdopplung. Man nennt die Phase S-Phase. Dies sorgt für einen erhöhten Energieverbrauch, weshalb sich eine weitere Wachstumsphase anschließt, die G2-Phase. Bei den eukaryontischen Zellen folgt nun die M-Phase, also die mitotische Zellteilung oder Mitose, bei der die Chromosomen (Kernteilung) und das Cytoplasma samt Organellen ( Plasmateilung) aufgeteilt werden. Der zeitliche Ablauf ist je nach Zelltyp unterschiedlich kürzer oder länger, im Mittel ca. 16 Std. (siehe links)

Regulation Der Zellzyklus wird durch verschiedene Protein-Faktoren der Nachbarzellen reguliert. Die Regulation ist komplex, bei Fehlregulation kann Krebs entstehen. Die wichtigsten sind: Cdk = Cyclin-abhängige Kinase ein phosphorylierendes Enzym ist mit Cyclinen ein Hauptregulator des Zyklus. Ihre Aktivität führt vom G1 zum S-Stadium und dann weiter zur G2- und M-Phase. Cycline sind Proteine, deren Konzentration während des Zellzyklus schwankt. Cycline aktivieren die Cyclin-abhängige Proteinkinasen (Cdk Proteine). MPF = (Reifungs-fördernder Faktor) schließt CdK und Cycline mit ein und steuert den Fortschritt durch den Zyklus. p53 ist ein Protein, was nach einem DNA-Defekt den Zyklus blockiert. Bei schweren DNA-Defekten führt diese Protein zum Zelltod (Aptose) Bei verletzten Zellen blockiert p53 den Fortschritt des Zyklus, um die DNA zu reparieren. P53-Mutationen sind die häufigsten Ursachen für Krebs. p27 ist ein Protein, das an Cyclin und CdK bindet und den Einstieg in die S-Phase verhindert. Es wird zur Krebsprognose bei Brustkrebs verwendet.

Mitose (M-Phase)

In der M-Phase entstehen aus einer diploiden Zelle (2n) zwei genetisch identische Kopien. Dabei können hauptsächlich im Zellkern höchst komplizierte Vorgänge beobachtet werden, die man in 4 Abschnitte einteilt: Prophase, Metaphase, Anaphase Telophase.   Links ist die Anaphase der Mitose zu sehen. Chromosomen (orange) werden mit Hilfe von Spindelfasern getrennt (grün).

Nachfolgend werden die einzelnen Phasen anhand des mikroskopischen Bildes einer typischen Zelle besprochen. Hierbei spielen Chromosomen, das Centrosom (= Centriol) und die Spindelfasern eine

besondere Rolle. Das Centrosom (siehe Biokurs Klasse 11) ist ein Zellorganell nahe dem Zellkern, das in der Interphase und Mitose die Mikrotubuli organisiert. Es unterscheidet sich von Art zu Art, typischerweise sieht es wie links abgebildet aus. Von ihm gehen Mikrotubuli in das Cytoplasma, die ein Zytoskelett bilden. Bei der Mitose werden die Spindelfasern gebildet.

Obwohl man von Chromosomen spricht, wenn man die Erbinformation der Zellen meint, treten diese nur während der Zellteilung (M) auf. In der G und S-Phase des Zellzyklus liegt die Erbinformation (DNA) als Chromatinfäden oder Chromatingerüst vor. Man bezeichnet einen Komplex von DNA und Protein, wie er in den Chromosomen vorliegt als Chromatin.

Das typische Bild der Chromosomen findet man in der Metaphase der Mitose vor, man spricht von Metaphasen-Chromosomen. Ein solches Chromosom ist allgemein wie links abgebildet aufgebaut. Es besteht aus 2 Hälften, Chromatiden genannt. Diese werden am Centromer zusammengehalten. So nennt man die Verengung, an der die Spindelfasern ansetzen. Das Centromer muß nicht immer mittig im Chromosom liegen.

An dieser Spindelfaseransatzstelle bildet sich kurz vor der Chromosomenteilung eine spezielle Struktur mit Mikrotubuli aus (=Kinetochor), an die die Spindelfasern anheften.

Jedes Chromatid enthält mindestens einen sehr stark aufspiralisierten DNA-Faden. Weiteres zum Feinbau der Chromosomen findet man nach der Mitose.

Die Chromosomen und Spindelfasern sind in den nachfolgenden Abbildungen angefärbt. Zunächst noch einmal zum Vergleich die Interphase (S):

Interphase Der Zellkern ist mit seiner Membran gut sichtbar. Die Chromosomen sind gerade verdoppelt worden und als lange Chromatinfäden sichtbar, jedoch kaum zu definieren. Tatsächlich existieren von jedem Chromatinfaden 2 Exemplare, die Zelle ist diploid. Die beiden identischen Fäden nennt man homolog.

Die Mitose im einzelnen:

Prophase
	Links ist die frühe Prophase dargestellt. Die replizierten Chromatinfäden erscheinen als längliche Gebilde, die aus 2 Chomatiden bestehen und am Centromer zusammenhaften. Die Chromatinfäden verkürzen und verdicken sich zu Chromosomen. Die Kernmembran und das Kernkörperchen (Nukleolus) verschwinden. Das Centriol hat sich geteilt und wandert zu den Zellpolen.
Metaphase
	Die Spindelfasern haben sich ausgebildet. Die Chromosomen liegen maximal verkürzt in der Äqutorialebene der Zelle. Die Kernmembran ist aufgelöst. Jedes Chromosom ist am Kinetochor über zwei Spindelfasern mit beiden Centriolhälften verbunden, ein Chromatid eines Chromosoms mit dem einen Pol, das andere Chromatid mit dem anderen Pol.
Anaphase
	Die Chromatiden jedes Chromosoms wandern auseinander, von den Spindelfasern zu den Polen gezogen.
Telophase
	Die auseinandergewichenen Chromatiden haben die jeweiligen Zellpole erreicht. Sie verlängern sich. Die Spindelfasern verschwinden, neue Nukleoli werden sichtbar, die Kernmembranen bilden sich wieder. Die Zelle teilt sich.

Die Zellteilung also Teilung des Cytoplasmas direkt nach der Mitose nennt man Cytokinese.

Typischerweise läuft die Mitose der Zellen innerhalb ca. 80 Minuten ab.

Zusammenfassung der Mitose:

• Kernteilung und Zellteilung bei eukaryontischen Zellen, die 2 genetisch identische Produkte liefert
• In der Anaphase werden die Chromosomen in Chromatiden getrennt.
• Die Verdopplung der Chromatiden zu Chromosomen findet in der Interphase statt.

Feinbau des Metaphasenchromosoms

Die Chromosomen der Metaphase zeigen (angefärbt) ein typisches Bandenmuster, das die Variation des A-T-Gehalts und C-G-Gehalts wiederspiegelt. Dadurch können sie unterschieden werden. Die Banden entstehen, in dem sich die Farbstoffmoleküle in bestimmte Bereiche der extrem stark aufspiralisierten DNA einlagern. Links ist Chromosom 4 des Menschen in einer ELMI-Aufnahme zu sehen.

Würde man die DNA der menschlichen Chromosomen entspiralisieren, so wäre der DNA-Faden zwischen 1.7 and 8.5 cm lang. Da dies alle Zellmaße übersteigt, ist die DNA mit Hilfe von speziellen Proteinen kompakt organisiert. Ohne diese Struktur wäre die identische Verdopplung bei der Zellteilung kaum denkbar.

Ein Chromosom besteht nicht aus einer Hülle, die DNA beinhaltet, wie viele Abbildungen andeuten, sondern ist in etwa zu gleichen Teilen aus Protein und Nukleinsäure (DNA) aufgebaut. Die Proteine sind Histone, relativ basische Eiweiße, an die sich die negativ geladene DNA anlagert. Der genaue Feinbau ist aus der Abbildung links zu ersehen. Dabei ist das DNA-Molekül in regelmäßigem Abstand 2-fach um ein Histon-Komplex aus 8 Molekülen gewickelt, mit einem H1-Histon zur Befestigung.

Man nennt diese Proteinkomplexe Nukleosomen. Der so aufgewickelte Strang ist seinerseits extrem stark mehrfach spiralisiert, so daß eine dichte Packung an Nukleosomen in Form einer Superhelix entsteht. Zwei dieser Gebilde (Chromatiden) haften zusammen und bilden ein Chromosom. Dies stellt die Transportform der DNA während der Zellteilung dar.

Am Ende eines Chromosoms der Eukaryonten befinden sich die Telomere. Dies sind spezielle Nukleoprotein-Komplexe mit sich wiederholender Nukleotidsequenz (bei Wirbeltieren TTAGGG), die die Rekombination zwischen den Chromosomen verhindern, diese vor DNA-Verlust während der Verdopplung bewahren und eine Rolle beim Altern und Krebs spielen.

Die Telomere verkürzen sich bei jeder Zellteilung. Gealterte Zellen besitzen wesentlich kürzere Telomere als Chromosomen-Endstücke wie junge Zellen. In Keim-und Krebszellen bewirkt das Enzym Telomerase die Verlängerung der Telomere, so daß diese potentiell unsterblich werden.

Chromosomen bei Prokaryonten

Bakterien besitzen nur ein ringförmiges Chromosom. Es ist z. B. bei E. Coli nahzu 1 mm lang aber nur 2 nm breit und besteht aus ca. 4.6 Millionen Basenpaaren.

Ca. 1700 Gene haben auf einem solchen DNA-Faden Platz und es können somit 1700 Enzyme gebildet werden. Daneben besitzen viele Bakterien noch ein oder mehrere kleine DNA-Ringe: sogenannte Plasmide (siehe Abbildung links) mit wenigen Genen.. Üblicherweise teilen sich Bakterienzellen durch Zweiteilung, wobei wie bei der Mitose 2 genetisch identische Zellen entstehen. Zunächst verdoppelt sich das Chromosom und die beiden DNA-Kopien werden an unterschiedlichen Stellen der Membran angeheftet.

Bei der anschließenden Zellteilung (Cytokinese), werden dann die beiden DNA-Kopien auf die beiden Zellen verteilt.