Phasen des Zellzyklus und Interphase
Der Zellzyklus läuft in der festen Folge G1, S, G2 und M ab, und jede Phase der Interphase hat ihre eigene Syntheseleistung.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Zellzyklus ist die Abfolge von Wachstum, DNA-Verdopplung und Teilung zwischen zwei Zellteilungen. Er gliedert sich in Interphase und M-Phase.
- Die Phasen folgen in der Reihenfolge \(\mathrm{G_1}\) → S → \(\mathrm{G_2}\) → M. Ihre Dauer ist zwischen Organismen unterschiedlich.
- Die DNA wird ausschließlich in der S-Phase semikonservativ repliziert. Der DNA-Gehalt steigt dabei von 2C auf 4C.
- Die Replikation erzeugt zwei identische Schwesterchromatiden. In der S-Phase werden auch die Histone synthetisiert.
- In \(\mathrm{G_1}\) und \(\mathrm{G_2}\) laufen mRNA- und Proteinsynthese ab. Der Zellkern ist in der Interphase aktiv.
Worum es geht
Jede Körperzelle, die sich teilt, durchläuft einen festen Ablauf aus Wachstum, DNA-Verdopplung und Teilung. Dieser Ablauf gehört zu den Grundlagen der Genetik. Er erklärt auch, warum viele Zytostatika gezielt in bestimmten Phasen angreifen.
Was ist der Zellzyklus?
Der Zellzyklus ist die Folge von Ereignissen vom Ende einer Zellteilung bis zum Ende der nächsten. Er gliedert sich in zwei Hauptabschnitte. In der langen Interphase wächst die Zelle und verdoppelt ihr Erbgut. In der kurzen M-Phase (Mitosephase) teilt sie erst den Kern und dann das Cytoplasma.
Ziel des Zyklus sind zwei genetisch identische Tochterzellen. Dafür muss jedes Chromosom vor der Teilung genau einmal kopiert werden. Bei der Teilung erhält dann jede Tochterzelle exakt eine Kopie.
Abfolge der Phasen
Die Interphase besteht aus drei Phasen. Zusammen mit der M-Phase ergibt sich eine feste Reihenfolge. Das „G“ steht für gap (Lücke), denn unter dem Mikroskop schien zwischen Teilung und DNA-Synthese wenig zu geschehen.
- \(\mathrm{G_1}\)-Phase: Wachstum nach der Teilung
- S-Phase: Synthese, also Replikation der DNA
- \(\mathrm{G_2}\)-Phase: Vorbereitung auf die Teilung
- M-Phase: Mitose und Cytokinese
G1 → S → G2 → M. Die Interphase umfasst die drei Phasen vor dem M.
Wie lange die Phasen dauern, unterscheidet sich zwischen Organismen und Zelltypen. Eine menschliche Zelle in Kultur braucht für einen Zyklus etwa 24 Stunden. Davon entfallen rund 11 h auf \(\mathrm{G_1}\), 8 h auf S, 4 h auf \(\mathrm{G_2}\) und nur etwa 1 h auf die Mitose. Frühe Embryonalzellen des Frosches teilen sich dagegen in rund einer halben Stunde, weil die G-Phasen fast ganz fehlen.
Zellen, die sich nicht mehr teilen, verlassen den Zyklus aus \(\mathrm{G_1}\) in eine Ruhephase \(\mathrm{G_0}\). Nervenzellen bleiben dort dauerhaft. Wann eine Zelle in die nächste Phase eintritt, steuern Cycline und Kontrollpunkte.
S-Phase: DNA-Replikation
Die S-Phase ist die einzige Phase des Zellzyklus, in der die Zelle ihre DNA repliziert. In \(\mathrm{G_1}\) liegt jedes Chromosom noch als einfaches DNA-Molekül vor. In der Mitose wird nur noch verteilt, nicht mehr kopiert. Das gilt für alle Mitosephasen von der Prophase bis zur Telophase.
Gut sichtbar wird das am DNA-Gehalt pro Zelle. Man gibt ihn in C an, wobei 1C der DNA-Menge eines einfachen Chromosomensatzes entspricht. Eine diploide Zelle hat in \(\mathrm{G_1}\) 2C. Während der S-Phase steigt der Gehalt stetig auf 4C. In \(\mathrm{G_2}\) und Mitose bleibt er bei 4C und fällt erst mit der Teilung wieder auf 2C.
Dass die DNA ausschließlich in der S-Phase der Interphase verdoppelt wird, ist ein Examensklassiker. Achte darauf, dass die Replikation nicht in \(\mathrm{G_1}\) und nicht in der Prophase beginnt, auch wenn die Chromosomen erst dort zweiteilig sichtbar werden.
Die Replikation verläuft semikonservativ: Jedes neue Doppelstrang-Molekül besteht aus einem alten und einem neu synthetisierten Strang. Den Mechanismus behandelt die Seite zur Replikation der DNA. Hier zählt das Ergebnis. Aus jedem Chromosom entstehen zwei identische DNA-Moleküle.
Die beiden identischen DNA-Moleküle eines Chromosoms nach der Replikation. Sie bleiben am Centromer verbunden, bis sie in der Mitose getrennt werden.
Doppelt so viel DNA braucht doppelt so viele Verpackungsproteine. Deshalb synthetisiert die Zelle die Histone während der S-Phase. So lässt sich die frische DNA sofort zu Nucleosomen aufwickeln.
Die Replikation in einer S-Phase geht nicht nur der Mitose voraus, sondern auch der Meiose. Auch Keimbahnzellen verdoppeln ihre DNA also vorher in der Interphase.
G1- und G2-Phase
In der \(\mathrm{G_1}\)-Phase wächst die junge Tochterzelle auf ihre normale Größe heran. Dazu synthetisiert sie in großem Umfang mRNA und Proteine. Sie bildet auch die Enzyme und Bausteine, die sie später für die Replikation braucht. Eine DNA-Synthese in größerem Umfang findet in dieser Phase nicht statt.
In der \(\mathrm{G_2}\)-Phase laufen Transkription und Proteinsynthese weiter. Die Zelle stellt nun vor allem Proteine für die Teilung her, etwa Tubulin für den Spindelapparat. Jede Phase der Interphase hat damit ihre typischen Synthesen. \(\mathrm{G_1}\) und \(\mathrm{G_2}\) liefern RNA und Proteine, die S-Phase DNA und Histone.
Der Zellkern ist in der Interphase also hochaktiv. Das Chromatin liegt locker vor, und die Gene sind für die RNA-Polymerase zugänglich. Man kann sich den Interphasekern wie eine geöffnete Bibliothek vorstellen, in der ständig gelesen wird. Erst in der Mitose kondensieren die Chromosomen, und die Transkription ruht weitgehend. Heterochromatin ist übrigens ein dicht gepackter Zustand des Chromatins und kein Produkt, das in \(\mathrm{G_1}\) oder \(\mathrm{G_2}\) synthetisiert wird.
Quiz
Aussage 1
Histone werden vor allem während der S-Phase synthetisiert.
Die neu replizierte DNA braucht zusätzliche Histone, damit sie sofort zu Nucleosomen verpackt werden kann.
Aussage 2
Der Zellkern ist während der Interphase physiologisch weitgehend inaktiv.
Der Interphasekern ist hochaktiv. In \(\mathrm{G_1}\) und \(\mathrm{G_2}\) wird intensiv transkribiert, in der S-Phase repliziert.
Aussage 3
Die Replikation der Chromosomen findet in der \(\mathrm{G_1}\)-Phase statt.
In \(\mathrm{G_1}\) wachsen die Zellen und bilden mRNA und Proteine. Die DNA wird erst in der S-Phase repliziert.
Aussage 4
Im Zellzyklus folgt auf die \(\mathrm{G_1}\)-Phase die S-Phase, danach die \(\mathrm{G_2}\)-Phase und zuletzt die M-Phase.
Die feste Abfolge lautet \(\mathrm{G_1}\) → S → \(\mathrm{G_2}\) → M.
Aussage 5
Die Verdopplung der DNA beginnt in der Prophase, sobald die Chromosomen kondensieren.
Die DNA wird ausschließlich in der S-Phase der Interphase repliziert. In der Prophase sind die Chromosomen bereits verdoppelt und werden nur sichtbar.
Aussage 6
Nach der semikonservativen Replikation besteht jedes DNA-Doppelstrang-Molekül aus einem alten und einem neuen Strang.
Semikonservativ heißt: Ein Elternstrang bleibt erhalten, der Partnerstrang wird neu synthetisiert.
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