Zellzyklus

Definitionen

• Chromatin: Kombination von Nukleinsäuren Nukleinsäuren Nukleinsäuren und Proteinen, aus denen Chromosomen bestehen
• Histone:
  • Häufigstes Protein im Chromatin
  • Organisation der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA, sodass sie fester oder lockerer gewunden werden kann
• Chromosomen:
  • DNA- und proteinhaltige Untereinheiten, in denen Gene organisiert sind
  • Normalerweise fadenförmig und diffus im Zellkern verteilt → Kondensation während der Mitose zu stäbchenförmigen Strukturen
• Schwesterchromatid: eine von zwei identischen Hälften eines replizierten Chromosoms
• Zentriolen: zylindrische Organellen Organellen Die Zelle: Organellen, die als einer der Befestigungspole des mitotischen Spindelapparats in einer sich replizierenden Zelle fungieren (das andere Ende ist ein Kinetochor)
• Zentrosomen: Organelle mit Zentriolen, das als Mikrotubuli organisierendes Zentrums (Englisches Akronym: MTOC) fungiert
• Kinetochor: Proteinstruktur an der zentralen Zone eines Chromosoms (Zentromer), an die eines der Enden der Spindelapparats während der Mitose bindet (das andere Ende sind die Zentriolen)
• Zentromere: zentrale Region der Chromosomen, an der die Mikrotubuli des mitotischen Spindelapparats über das Kinetochor anhaften
• Spindelapparat: Mikrotubuli-Struktur, die sich aus dem Zytoskelett Zytoskelett Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett einer Zelle bildet und die Chromosomen während der Trennung in der Mitose zu den Polen der Zelle zieht

Überblick

Der Zellzyklus beschreibt die zyklische Abfolge verschiedener Prozesse, die eine eukaryotische Zelle bei der Teilung in zwei identische Tochterzellen durchläuft.

G0-Phase

• Reife, differenzierte Zellen außerhalb des Zellzyklus befinden sich in einem reversiblen Ruhezustand.
• Niedrige Wachstumsfaktorkonzentration und hohe Populationsdichte
• Es findet ein normaler Stoffwechsel statt, jedoch keine Zellteilung.
• Bestimmte Auslöser, wie Wachstumsfaktoren, veranlassen einige Zellen dazu, in die G1-Phase zurückzukehren.

Interphase

G1-, S- und G2-Phasen werden als Interphase zusammengefasst.

• G1 (Gap-1): Dauer = ca. 12 Stunden
  • Unmittelbar nach der Mitose (Zelle hat die Hälfte ihrer normalen Größe)
  • Periode des Zellvolumenwachstums
  • RNA- und Proteinsynthese
  • Synthese für die Mitose benötigter Proteine Proteine Proteine und Peptide und Zellbestandteile (z. B. Mikrotubuli)
• S (Synthese): Dauer = 8 – 12 Stunden
  • DNA-Replikation → Synthese identischer Paare von Schwesterchromatiden ( diploid Diploid Grundbegriffe der Genetik → tetraploid)
  • Qualitätssicherungsphase:
    • Gewährleistet die Genauigkeit der Replikation
    • DNA-Mismatch-Reparatur
  • Strukturen für die Mitose sind vorbereitet:
    • Duplizierte Zentrosomen
    • Getrennte Zentriolen
    • Histonsynthese
• G2 (Gap-2): Dauer = 1,5 – 3 Stunden
  • Replikation bestimmter Organellen Organellen Die Zelle: Organellen
  • Vorbereitung von Strukturen zur Bewegung der Chromosomen ( Zytoskelett Zytoskelett Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett wird abgebaut)
  • Synthese spezifischer Proteine Proteine Proteine und Peptide für die Zellteilung (z. B. RNA-Moleküle)
  • DNA-Reparaturmechanismen DNA-Reparaturmechanismen DNA-Reparaturmechanismen
  • Die Zelle schließt mit der Interphase ab und ist bereit für die Mitose.

Mitose (Kernteilung)

Während der Mitose wird die duplizierte DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA der Zelle getrennt und auf zwei identische Tochterzellen verteilt. Dieser Vorgang dauert ungefähr eine Stunde.

• Prophase:
  • Kondensation der Chromosomen (werden sichtbar)
  • Mikrotubuli bauen sich zusammen und bilden den mitotischen Spindelapparat, der an den Zentriolen befestigt ist.
  • Zentrosomen wandern zu entgegengesetzten Polen der Zelle.
  • Nukleolus ist nicht mehr sichtbar.
  • Kernhülle beginnt sich aufzulösen.
• Prometaphase:
  • Anlagerung der Kinetochore an die Chromosomen-Zentromere
  • Verbindung des freien Endes der Mikrotubuli mit den Kinetochoren
  • Zentrosomen erreichen die entgegengesetzten Pole.
• Metaphase:
  • Anordnung der Chromosomen in der Äquatorialebene (Metaphasenplatte) der Zelle
  • Jedes Schwesterchromatid ist an einer mitotischen Spindel befestigt, die von den entgegengesetzten Polen stammt.
  • Vollständige Auflösung der Kernhülle
• Anaphase:
  • Teilung der Kinetochore
  • Trennung der Schwesterchromatiden
  • Chromatiden werden durch den Spindelapparat zu entgegengesetzten Polen gezogen.
  • Ovale Verformung der Zelle durch Verlängerung der Spindelfasern
• Telophase:
  • Ausbildung neuer Kernhüllen um die dekondensierten Chromosomen
  • Auflösung des Spindelapparats

• Zytokinese:
  • Spaltung der Zelle in zwei vollständig voneinander getrennten Tochterzellen
  • Jede der Tochterzellen entwickelt eine vollständige Zellmembran Zellmembran Die Zelle: Zellmembran.

Regulation des Zellzyklus

Der Zellzyklus ist streng reguliert. Das Nichtpassieren eines Checkpoints führt zum programmierten Zelltod Zelltod Zellschäden und Zelltod (Apoptose). Wird die Apoptose bei Nichtpassieren eines Checkpoints nicht eingeleitet, führt das zur Akkumulation von Mutationen zur Entstehung von Krankheiten.

Beginn des Zellzyklus:

• Ausreichende Mindestgröße
• Angemessene Ernährungsbedingungen
• Stimulation durch Wachstumsfaktoren
• Fehlen von anti-mitogenen Signalen

Moleküle, die den Zellzyklus regulieren

• Positive Regulatoren: Anwesenheit in geeigneten Konzentrationen ermöglicht das Fortschreiten des Zellzyklus.
  • Cycline:
    • Regulatorische Proteine Proteine Proteine und Peptide, die als Reaktion auf interne und externe Reize in bestimmten Stadien des Zellzyklus freigesetzt werden.
    • Die Konzentrationen der vier verschiedenen Cycline schwankt während des Zellzyklus in einem bestimmten Muster.
  • Cyclin-abhängige Kinasen (Englisches Akronym: CDK):
    • Aktivierung durch Cycline und Proteinkinasen (über Phosphorylierung)
    • Hemmung durch Proteinphosphatasen (über Dephosphorylierung) und Cyclin-abhängige Kinase-Inhibitoren (Englisches Akronym: CKIs)
  • Das Kernlokalisierungssignal (Englisches Akronym: NLS) ermöglicht es Cyclinen, als Heterodimer mit CDKs in den Zellkern einzudringen.
• Negative Regulatoren: Die Aktivierung dieser Faktoren blockiert den Zellzyklus.
  • p53 und p21: Arretierung des Zellzyklus, wenn DNA-Schäden erkannt werden
  • Retinoblastom-Protein (pRb): Verhinderung des G1-S-Übergangs
  • Hyperphosphorylierung des pRb durch den Cyclin-D/CDK 4/6-Komplex → Beginn der Transkription von Cyclin E und anderen Proteinen → Progression in die S-Phase

Kontrollpunkte

• Späte G1-Phase (G1-Kontrollpunkt): irreversibel
  • Regulation durch CDK2 und Cyclin E
  • Der Übergang zwischen der G1- und S-Phase bestimmt die Progression zur Zellteilung oder den Übergang zur G0-Phase.
• Ende der G2-Phase (G2-Kontrollpunkt):
  • Regulation durch CDK1 und Cyclin B
  • Checkpoint für günstige Umweltbedingungen und korrekte und vollständige DNA-Replikation
    • Ein unvollständiges Genom Genom Grundbegriffe der Genetik in diesem Stadium führt zur Apoptose.
    • Mitose-promoting factors (Cyclin-CDK-Heterodimere) spielen bei diesem Kontrollpunkt eine wichtige Rolle.
• Metaphase (M-Kontrollpunkt): irreversibel
  • Sicherstellung, dass alle Chromosomen vor der Trennung in der Anaphase an den Spindelapparat gebunden sind
  • Spannung der Spindelfasern → Produktion des Anaphase-Promoting Complex (APC)
  • APCs fördern den Abbau von Connexin (Kinetochor)-Proteinen zwischen Schwesterchromatiden.
• In der G1- und G2-Phase gibt es weitere Kontrollpunkte für DNA-Schäden.
  • Der Zellzyklus kann arretiert werden, bis der Schaden behoben ist.
  • Ist die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA irreparabel geschädigt, wird die Apoptose eingeleitet.