Aufgaben: Die Phasen des Zellzyklus

Erkläre, was der Zellzyklus ist, und nenne seine beiden großen Abschnitte. Gib an, was jeweils allgemein geschieht.

Das Schema stellt den Zellzyklus als einen in vier nummerierte Phasen unterteilten Kreis dar. Benenne die Phasen 1, 2, 3 und 4 und erkläre, warum der Zyklus als Kreis und nicht als Linie mit Anfang und Ende dargestellt wird.

Welches grundlegende Ereignis findet während der S-Phase des Zellzyklus statt? Erkläre, warum es unbedingt vor der Zellteilung stattfinden muss.

Ordne diese Phasen des Zellzyklus in der zeitlichen Reihenfolge: M-Phase, G1-Phase, G2-Phase, S-Phase. Beschreibe kurz, was die Zelle in jeder Phase tut.

In einer Zellkultur dauert der gesamte Zellzyklus $24\ \text{h}$ und die Interphase nimmt $90\ \%$ der Zeit ein. Berechne, wie viele Stunden jede Zelle in der Interphase und wie viele in der Teilungsphase verbringt.

Eine Zelle in der G1-Phase hat eine bestimmte DNA-Menge. Gib an, zu welchem Zeitpunkt des Zyklus sich diese Menge verdoppelt hat und wann sie sich in jeder Tochterzelle wieder halbiert.

In einem onkologischen Labor werden zwei Kulturen von Tumorzellen untersucht:

• Linie A: Das Gen p53 ist inaktiviert, sodass die Zellen den Kontrollpunkt $G_1/S$ passieren, obwohl ihre DNA Brüche und Schäden durch ultraviolette Strahlung aufweist.

• Linie B: Der Kontrollpunkt der Metaphase (Spindelkontrollpunkt) ist inaktiviert, sodass die Zellen die Anaphase beginnen, obwohl es Chromosomen gibt, die nicht richtig an den Mikrotubuli befestigt sind.

1. a) Sage voraus, welche Art genetischer Veränderung in den Tochterzellen jeder Kultur nach mehreren Teilungen überwiegen wird: Punktmutationen auf Ebene der DNA-Sequenz oder Veränderungen des Karyotyps in der Chromosomenzahl (Aneuploidien)? Begründe deine Schlussfolgerung jeweils.
2. b) Ein Krebsmedikament, das die Mikrotubuli der Teilungsspindel destabilisiert, wird getestet. Begründe, bei welcher der beiden Zelllinien ($A$ oder $B$) dieses Medikament das Fortschreiten des Zellzyklus nicht aufhalten kann.

Nach einem Schlaganfall werden zerstörte Nervenzellen nicht ersetzt, und es bleiben oft dauerhafte neurologische Folgeschäden. Dagegen kann sich die Haut nach einer oberflächlichen Verbrennung, die Tausende Zellen der Epidermis zerstört, innerhalb weniger Tage vollständig regenerieren.

1. a) Begründe diesen medizinischen Unterschied, indem du den Zustand im Zellzyklus erklärst, in dem sich die ausgereiften Zellen beider Gewebe befinden.
2. b) Ein Forschungsteam schlägt vor, den Zellzyklus in erwachsenen Nervenzellen wieder zu aktivieren, um Hirnverletzungen zu reparieren, indem man sie zwingt, die G0-Phase zu verlassen. Sage voraus, welche Schwierigkeiten oder funktionellen Risiken es mit sich bringen könnte, die Mitose in hochspezialisierten Zellen zu erzwingen, die in stabile synaptische Schaltkreise eingebunden sind.

Betrachte zwei kugelförmige Modellzellen, Zelle A (Radius = 1 µm) und Zelle B (Radius = 3 µm).

1. a) Die Oberfläche einer Kugel beträgt $S = 4\pi r^2$ und ihr Volumen $V = \frac{4}{3}\pi r^3$. Berechne für beide Zellen das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ($S/V$).
2. b) Der Austausch von Gasen und Nährstoffen mit der Umgebung hängt von der Fläche der Membran ab, der Stoffwechselbedarf dagegen vom Volumen des Zytoplasmas. Begründe anhand deiner Rechenergebnisse, warum Zelle B an einer kritischen Grenze der Lebensfähigkeit liegt, wenn sie sich nicht teilt.
3. c) Bestimmte sehr aktive menschliche Zellen, wie die Enterozyten des Darmepithels, erreichen eine beträchtliche Größe, ohne sich zu teilen. Leite ab, welche Anpassung der Form ihrer Membran es ihnen ermöglicht, ein hohes Verhältnis $S/V$ aufrechtzuerhalten.