Der Zellzyklus und seine Regulation
Ein Hautschnitt am Knie verheilt nach einigen Tagen, weil sich Hautzellen teilen. Nervenzellen im Gehirn dagegen teilen sich im Erwachsenenalter kaum noch. Und bei einer Chemotherapie fallen oft die Haare aus. Was haben diese Beobachtungen mit dem Zellzyklus zu tun? Wer steuert, wann sich eine Zelle teilt und wann nicht? Am Ende der Seite kannst du das erklären.
Interphase, M-Phase und G0
Unter dem Lichtmikroskop sieht man in einer wachsenden Zellkultur fast nur Zellen mit einem abgegrenzten Zellkern. Nur wenige zeigen kondensierte Chromosomen. Wie ist das Leben einer Zelle zwischen zwei Teilungen zeitlich gegliedert?
Die Phasen der Interphase im Überblick:
| Phase | Was geschieht? |
|---|---|
| G₁ | Wachstum, Bildung von Zellorganellen und Proteinen, normale Stoffwechselleistung |
| S | Verdopplung (Replikation) der gesamten DNA: aus Ein-Chromatid- werden Zwei-Chromatid-Chromosomen |
| G₂ | weiteres Wachstum, Vorbereitung der Teilung, Überprüfung der Replikation |
Im Diagramm des DNA-Gehalts bezeichnet man die DNA-Menge einer G₁-Zelle mit 1c. Nach der S-Phase beträgt sie 2c. Ohne vollständige Verdopplung der DNA würden die Tochterzellen nicht jeweils einen vollständigen Chromosomensatz erhalten. Deshalb muss die S-Phase abgeschlossen sein, bevor die Zelle in die M-Phase eintritt.
Nennen Sie die beiden Hauptabschnitte des Zellzyklus und die drei Phasen, in die die Interphase unterteilt ist, und geben Sie an, was in jeder Phase allgemein geschieht.
Nennen Sie die beiden Hauptabschnitte des Zellzyklus und die drei Phasen, in die die Interphase unterteilt ist, und geben Sie an, was in jeder Phase allgemein geschieht.
Was geschieht während der S-Phase des Zellzyklus? Begründen Sie, warum diese Phase unbedingt abgeschlossen sein muss, bevor die Zelle in die Teilung eintritt.
Was geschieht während der S-Phase des Zellzyklus? Begründen Sie, warum diese Phase unbedingt abgeschlossen sein muss, bevor die Zelle in die Teilung eintritt.
Das Schema stellt den vollständigen Zyklus einer Zelle dar, die $24\ \text{h}$ für eine Teilung benötigt. Berechnen Sie, wie viele Stunden ihre S-Phase dauert, und…
Das Schema stellt den vollständigen Zyklus einer Zelle dar, die $24\ \text{h}$ für eine Teilung benötigt. Berechnen Sie, wie viele Stunden ihre S-Phase dauert, und erklären Sie, welcher Zellvorgang währenddessen abläuft.
Die Kontrollpunkte
Der Zellzyklus läuft nicht von allein ab. An bestimmten Stellen wird geprüft, ob die Zelle weitermachen darf. Man nennt diese Stellen Kontrollpunkte (Checkpoints).
Was ist ein Kontrollpunkt des Zellzyklus? Nennen Sie einen davon und erklären Sie, was er überprüft, bevor er den Fortgang des Zyklus erlaubt.
Was ist ein Kontrollpunkt des Zellzyklus? Nennen Sie einen davon und erklären Sie, was er überprüft, bevor er den Fortgang des Zyklus erlaubt.
Mittels Durchflusszytometrie wird die DNA-Menge pro Zelle in einem sich vermehrenden tierischen somatischen Gewebe ($2n = 8$) untersucht. Die Analyse identifiziert drei…
Mittels Durchflusszytometrie wird die DNA-Menge pro Zelle in einem sich vermehrenden tierischen somatischen Gewebe ($2n = 8$) untersucht. Die Analyse identifiziert drei klar abgegrenzte Zellsubpopulationen: Subpopulation 1 mit 4 pg DNA, Subpopulation 2 mit kontinuierlichen Zwischenwerten zwischen 4 und 8 pg und Subpopulation 3 mit 8 pg DNA.
- a) Ordnen Sie jede Subpopulation begründet der entsprechenden Phase der Interphase (G1, S oder G2) zu. Bestimmen Sie, wie viele Chromosomen, wie viele Chromatiden und wie viele Doppelstrang-DNA-Moleküle eine einzelne Zelle der Subpopulation 3 besitzt.
- b) Wird der Kultur Colchicin zugesetzt (ein Wirkstoff, der die Mikrotubuli des Spindelapparats depolymerisiert), sagen Sie voraus, in welcher Subpopulation sich die Zellen anreichern werden, und leiten Sie ab, wie viele Chromosomen und wie viele Chromatiden eine Zelle enthält, wenn sie die Mitose ohne Teilung umgeht (Endomitose).
Ein Antitumorwirkstoff blockiert irreversibel die Aktivität der DNA-Helikase während der Interphase. Er wird einer Kultur sich aktiv vermehrender menschlicher…
Ein Antitumorwirkstoff blockiert irreversibel die Aktivität der DNA-Helikase während der Interphase. Er wird einer Kultur sich aktiv vermehrender menschlicher somatischer Zellen zugesetzt.
- a) Begründen Sie, an welchem Kontrollpunkt des Zellzyklus die Zellen blockiert werden, die bei Zugabe der Substanz bereits mit der Replikation ihrer DNA begonnen hatten, und erklären Sie, welche Folgen es für die Zelle hätte, diesen Punkt ohne abgeschlossene Replikation zu überschreiten.
- b) Ein Schüler behauptet, nach zwei Stunden seit der Zugabe des Wirkstoffs seien 100 % der Zellen der Kultur in der S-Phase arretiert. Widerlegen Sie seine Vorhersage, indem Sie ableiten, was zunächst mit den Zellen geschieht, die sich zum Zeitpunkt der Verabreichung in G2 und Mitose befanden, und in welcher Phase sie sich schließlich anreichern, wenn der Wirkstoff im Medium verbleibt.
Cycline und CDK: der molekulare Taktgeber
In frühen Embryonen teilen sich die Zellen gleichzeitig. Dabei steigt die Konzentration bestimmter Proteine langsam an und bricht kurz vor jeder Teilung plötzlich ein. Welcher Mechanismus gibt den Takt vor?
Erklären Sie, was Cycline und cyclinabhängige Kinasen (CDK) sind und wie sie gemeinsam das Voranschreiten des Zellzyklus regulieren.
Erklären Sie, was Cycline und cyclinabhängige Kinasen (CDK) sind und wie sie gemeinsam das Voranschreiten des Zellzyklus regulieren.
Einige Zellen, wie ausgewachsene Nervenzellen, verlassen den Zellzyklus und verbleiben in einer Phase, die G0 genannt wird. Erklären Sie, was es bedeutet, sich in G0 zu…
Einige Zellen, wie ausgewachsene Nervenzellen, verlassen den Zellzyklus und verbleiben in einer Phase, die G0 genannt wird. Erklären Sie, was es bedeutet, sich in G0 zu befinden, und welche Konsequenz dies für die Regenerationsfähigkeit des Nervengewebes hat.
p53 und Zytostatika: wenn die Steuerung eingreift oder versagt
Zytostatika: Eingriff in den Zellzyklus
Bei einer Chemotherapie setzt man Zytostatika ein, Wirkstoffe, die das Zellwachstum hemmen. Sie wirken besonders auf Zellen, die sich häufig teilen. Je nach Wirkstoff blockieren sie die Replikation in der S-Phase oder stören den Spindelapparat in der Mitose (Spindelgifte). Tumorzellen teilen sich schnell und werden deshalb stark getroffen.
Zytostatika unterscheiden aber nicht zwischen Tumorzellen und gesunden Zellen, die sich ebenfalls oft teilen. Das erklärt typische Nebenwirkungen:
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Haarwurzelzellen: Haarausfall
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Schleimhäute von Mund und Darm: Entzündungen, Übelkeit
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Knochenmark (Blutbildung): Anfälligkeit für Infektionen, Blutarmut
Damit schließt sich der Kreis zum Anfang: Hautzellen teilen sich nach Verletzungen, weil Cycline CDK aktivieren und die Kontrollpunkte den Weg freigeben. Nervenzellen in G₀ teilen sich nicht. Zytostatika treffen Zellen mit schneller Teilung, darunter Tumor- und Haarwurzelzellen.
In einem onkologischen Labor werden zwei Kulturen menschlicher Zellen untersucht, die einer mäßigen Dosis ultravioletter Strahlung ausgesetzt wurden: Kultur A: Die…
In einem onkologischen Labor werden zwei Kulturen menschlicher Zellen untersucht, die einer mäßigen Dosis ultravioletter Strahlung ausgesetzt wurden:
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Kultur A: Die meisten Zellen halten ihren Zyklus am G1/S-Übergang an; nach 24 Stunden reparieren sie die Schäden oder leiten die Apoptose ein.
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Kultur B: Die Zellen replizieren trotz nicht reparierter Thymindimere weiterhin aktiv ihre DNA in der S-Phase und sammeln in den folgenden Mitosen Chromosomenaberrationen an.
- a) Leiten Sie begründet ab, welche Veränderung im Signalweg des TP53-Gens das Verhalten von Kultur B im Vergleich zu Kultur A erklärt.
- b) Wird beiden Kulturen ein Wirkstoff verabreicht, der die Cyclin-CDK-Komplexe hemmt, die für den Eintritt in die S-Phase verantwortlich sind, sagen Sie die Reaktion jeder Kultur voraus und begründen Sie, warum diese Behandlung die Vermehrung bremst, die bereits fixierten Mutationen in Kultur B aber nicht rückgängig macht.