ZELLTEILUNG: TYPEN, PROZESSE UND BEDEUTUNG - BIOLOGIE - 2025

Die Zellteilung ist der Prozess, bei dem alle lebenden Organismen wachsen und sich vermehren können. Bei Prokaryoten und Eukaryoten sind Tochterzellen das Ergebnis der Zellteilung, die die gleiche genetische Information wie die ursprüngliche Zelle besitzen. Dies geschieht, weil vor der Teilung die in der DNA enthaltenen Informationen dupliziert werden.

Bei Prokaryoten erfolgt die Teilung durch binäre Spaltung. Das Genom der meisten Prokaryoten ist ein zirkuläres DNA-Molekül. Obwohl diese Organismen keinen Kern haben, liegt die DNA in einer kompakten Form vor, die als Nukleoid bezeichnet wird und sich von dem sie umgebenden Zytoplasma unterscheidet.

Quelle: Retama

Bei Eukaryoten erfolgt die Teilung durch Mitose und Meiose. Das eukaryotische Genom besteht aus großen Mengen an DNA, die im Kern organisiert sind. Diese Organisation basiert auf der Verpackung von DNA mit Proteinen, die Chromosomen bilden, die Hunderte oder Tausende von Genen enthalten.

Die sehr unterschiedlichen einzelligen und metazoischen Eukaryoten haben Lebenszyklen, die zwischen Mitose und Meiose wechseln. Diese Zyklen sind solche mit: a) gametischer Meiose (Tiere, einige Pilze und Algen), b) zygotischer Meiose (einige Pilze und Protozoen); und c) Wechsel zwischen gametischer und zygotischer Meiose (Pflanzen).

Typen

Die Zellteilung kann durch binäre Spaltung, Mitose oder Meiose erfolgen. Jeder der Prozesse, die an diesen Arten der Zellteilung beteiligt sind, wird nachstehend beschrieben.

Zellteilung

Prokaryontische Spaltung, binäre Spaltung, ist eine Form der asexuellen Fortpflanzung.

Die binäre Spaltung besteht aus der Teilung der Zelle, aus der zwei Tochterzellen mit jeweils einer identischen Kopie der DNA der ursprünglichen Zelle hervorgehen.

Vor der Teilung der prokaryotischen Zelle findet eine DNA-Replikation statt, die an einer bestimmten Stelle auf der doppelsträngigen DNA beginnt, die als Replikationsursprung bezeichnet wird. Replikationsenzyme bewegen sich vom Ursprung in beide Richtungen und produzieren eine Kopie von jedem der Stränge doppelsträngiger DNA.

Nach der DNA-Replikation verlängert sich die Zelle und die DNA wird innerhalb der Zelle getrennt. Sofort beginnt eine neue Plasmamembran in der Mitte der Zelle zu wachsen und bildet ein Septum.

Dieser Prozess wird durch das FtsZ-Protein erleichtert, das in Prokaryoten, einschließlich Archaea, evolutionär hoch konserviert ist. Schließlich teilt sich die Zelle.

Der Zellzyklus und die Mitose

Die Stadien, die eine eukaryotische Zelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellteilungen durchläuft, werden als Zellzyklus bezeichnet. Die Dauer des Zellzyklus variiert je nach Zelltyp zwischen einigen Minuten und Monaten.

Der Zellzyklus ist in zwei Stufen unterteilt, nämlich die M-Phase und die Grenzfläche. In der M-Phase treten zwei Prozesse auf, Mitose und Zytokinese. Mitose besteht aus Kernteilung. Die gleiche Anzahl und Art von Chromosomen, die im ursprünglichen Kern vorhanden sind, findet sich in den Tochterkernen. Somatische Zellen mehrzelliger Organismen teilen sich durch Mitose.

Die Zytokinese besteht aus der Teilung des Zytoplasmas unter Bildung von Tochterzellen.

Die Schnittstelle besteht aus drei Phasen: 1) G1, Zellen wachsen und verbringen die meiste Zeit in dieser Phase; 2) S, Genomduplikation; und 3) G2, Replikation von Mitochondrien und anderen Organellen, Kondensation von Chromosomen und Zusammenbau von Mikrotubuli unter anderen Ereignissen.

Stadien der Mitose

Die Mitose beginnt mit dem Ende der G2-Phase und ist in fünf Phasen unterteilt: Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Sie alle passieren ununterbrochen.

Prophase

Prophase. Leomonaci98 von Wikimedia Commons

In diesem Stadium ist die Montage der mitotischen Spindel oder des mitotischen Apparats das Hauptereignis. Die Prophase beginnt mit der Verdichtung des Chromatins unter Bildung der Chromosomen.

Jedes Chromosom hat ein Schwesterchromatidenpaar mit identischer DNA, die in der Nähe ihrer Zentromere fest gebunden sind. Proteinkomplexe, sogenannte Kohäsine, sind an dieser Vereinigung beteiligt.

Jedes Zentromer ist an ein Kinetochor gebunden, bei dem es sich um einen Proteinkomplex handelt, der an Mikrotubuli bindet. Diese Mikrotubuli ermöglichen die Übertragung jeder Kopie der Chromosomen auf die Tochterzellen. Mikrotubuli strahlen von jedem Ende der Zelle aus und bilden den Mitoseapparat.

In tierischen Zellen tritt vor der Prophase die Duplikation der Zentrosomen auf, die das Hauptorganisationszentrum für Mikrotubuli und der Ort ist, an dem sich die Eltern- und Kinderzentriolen treffen. Jedes Zentrosom erreicht den gegenüberliegenden Pol der Zelle und bildet eine Brücke von Mikrotubuli zwischen ihnen, die als Mitoseapparat bezeichnet wird.

In neueren Pflanzen gibt es im Gegensatz zu tierischen Zellen keine Zentrosomen und die Herkunft der Mikrotubuli ist unklar. In photosynthetischen Zellen älteren evolutionären Ursprungs wie Grünalgen gibt es Zentrosomen.

Prometaphase

Leomonaci98

Die Mitose muss die Trennung der Chromosomen und die Verteilung der Kernhülle des Kernporenkomplexes und der Nukleolen sicherstellen. Abhängig davon, ob die Kernhülle (EN) verschwindet oder nicht, und dem Grad der Densintegration der EN reicht die Mitose von geschlossen bis vollständig offen.

Beispielsweise ist bei S. cerevisae die Mitose geschlossen, bei A. nidulans ist sie halboffen und beim Menschen ist sie offen.

Bei der geschlossenen Mitose befinden sich die Polkörper der Spindel in der Kernhülle und bilden die Keimbildungspunkte der nuklearen und zytoplasmatischen Mikrotubuli. Die zytoplasmatischen Mikrotubuli interagieren mit der Zellrinde und den Kinetochoren der Chromosomen.

Bei der halboffenen Mitose wird der Kernraum durch kernhaltige Mikrotubuli aus den Zentrosomen und durch zwei Öffnungen in der EN in den Kernraum eingedrungen, wobei Bündel gebildet werden, die von der EN umgeben sind, da die EN teilweise zerlegt ist.

Bei offener Mitose tritt eine vollständige Zerlegung des EN auf, der Mitoseapparat ist abgeschlossen und die Chromosomen beginnen sich in Richtung der Mitte der Zelle zu verschieben.

Metaphase

Chromosomen, die während der mitotischen Metaphase in der Äquatorplatte der Zelle ausgerichtet sind

In der Metaphase richten sich die Chromosomen am Äquator der Zelle aus. Die imaginäre Ebene senkrecht zur Achse der Spindel, die durch den Innenumfang der Zelle verläuft, wird als Metaphasenplatte bezeichnet.

In Säugetierzellen ist der Mitoseapparat in einer zentralen Mitosespindel und einem Asternpaar organisiert. Die mitotische Spindel besteht aus einem bilateralen symmetrischen Bündel von Mikrotubuli, das am Äquator der Zelle geteilt ist und zwei gegenüberliegende Hälften bildet. Astern bestehen aus einer Gruppe von Mikrotubuli an jedem Pol der Spindel.

Im Mitoseapparat gibt es drei Gruppen von Mikrotubuli: 1) Astral, die die Aster bilden, vom Zentrosom ausgehen und in Richtung der Zellrinde strahlen; 2) des Kinetochors, die über den Kinetochor an Chromosomen gebunden sind; und 3) polar, die mit Mikrotubuli vom Gegenpol interdigitalisieren.

Bei allen oben beschriebenen Mikrotubuli sind die (-) Enden dem Zentrosom zugewandt.

Wenn in Pflanzenzellen kein Zentrosom vorhanden ist, ähnelt die Spindel der von tierischen Zellen. Die Spindel besteht aus zwei Hälften mit entgegengesetzter Polarität. Die Enden (+) befinden sich auf der Äquatorplatte.

Anaphase

Quelle: Leomonaci98, aus Wikimedia Commons

Die Anaphase ist in früh und spät unterteilt. In der frühen Anaphase tritt eine Trennung der Schwesterchromatiden auf.

Diese Trennung erfolgt, weil die Proteine, die die Vereinigung aufrechterhalten, gespalten werden und weil die Mikrotubuli des Kinetochors verkürzt sind. Wenn sich die beiden Schwesterchromatiden trennen, werden sie Chromosomen genannt.

Während der Poleward-Verschiebung der Chromosomen bewegt sich der Kinetochor entlang der Mikrotubuli desselben Kinetochors, während sein (+) Ende dissoziiert. Aus diesem Grund ist die Bewegung von Chromosomen während der Mitose ein passiver Prozess, für den keine Motorproteine ​​erforderlich sind.

In der späten Anaphase tritt eine größere Trennung der Pole auf. Ein KRP-Protein, das im Bereich der Überlappung derselben an das (+) Ende polarer Mikrotubuli gebunden ist, wandert zum (+) Ende benachbarter antiparalleler polarer Mikrotubuli. Somit drückt KRP die benachbarten polaren Mikrotubuli in Richtung des (-) Endes.

In Pflanzenzellen verbleibt nach der Trennung der Chromosomen ein Raum mit interdigitalen oder überlagerten Mikrotubuli in der Mitte der Spindel. Diese Struktur ermöglicht die Initiierung des zytokinetischen Apparats, der als Fragmoplast bezeichnet wird.

Telophase

Telophase. Leomonaci98

In der Telophase passieren verschiedene Ereignisse. Chromosomen erreichen die Pole. Das Kinetochor verschwindet. Die polaren Mikrotubuli verlängern sich weiter und bereiten die Zelle auf die Zytokinese vor. Die Kernhülle wird aus Fragmenten der Mutterhülle neu geformt. Der Nucleolus erscheint wieder. Die Chromosomen werden dekondensiert.

Zytokinese

Die Zytokinese ist die Phase des Zellzyklus, in der sich die Zelle teilt. In tierischen Zellen erfolgt die Zytosinese mittels eines Verengungsgürtels aus Aktinfilamenten. Diese Filamente gleiten aneinander vorbei, der Durchmesser des Bandes nimmt ab und um den Umfang der Zelle bildet sich eine Spaltnut.

Während die Verengung anhält, vertieft sich der Sulkus und es bildet sich eine interzelluläre Brücke, die den Mittelkörper enthält. Im zentralen Bereich der interzellulären Brücke befinden sich die Mikrotubuli-Bündel, die von einer elektrodensen Matrix bedeckt sind.

Der Abbau der interzellulären Brücke zwischen postmitotischen Schwesterzellen erfolgt durch Abszision. Es gibt drei Arten der Abszision: 1) mechanischer Durchschlagmechanismus; 2) Mechanismus des Füllens durch innere Vesikel; 3) Verengung der Plasmamembran zur Spaltung.

In Pflanzenzellen sammeln sich Membrankomponenten in ihnen und die Zellplatte wird gebildet. Diese Plaque wächst, bis sie die Oberfläche der Plasmamembran erreicht, verschmilzt mit ihr und teilt die Zelle in zwei Teile. Dann wird die Cellulose auf der neuen Plasmamembran abgelagert und bildet die neue Zellwand.

Meiose

Meiose ist eine Art der Zellteilung, die die Anzahl der Chromosomen halbiert. Somit teilt sich eine diploide Zelle in vier haploide Tochterzellen. Meiose tritt in Keimzellen auf und führt zu Gameten.

Die Stadien der Meiose bestehen aus zwei Abteilungen des Kerns und des Zytoplasmas, nämlich Meiose I und Meiose II. Während der Meiose I trennen sich die Mitglieder jedes Paares homologer Chromosomen. Während der Meiose II trennen sich die Schwesterchromatiden und es werden vier haploide Zellen produziert.

Jedes Stadium der Mitose ist in Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase und Telophase unterteilt.

Meiose I.

- Prophase I. Chromosomen kondensieren und die Spindel beginnt sich zu bilden. Die DNA hat sich verdoppelt. Jedes Chromosom besteht aus Schwesterchromatiden, die an das Zentromer gebunden sind. Homologe Chromosomen paaren sich während der Synapse und ermöglichen so eine Überkreuzung, was der Schlüssel zur Produktion verschiedener Gameten ist.

- Metaphase I. Das Paar homologer Chromosomen richtet sich entlang der Metaphasenplatte aus. Das Chiasma hilft, das Paar zusammenzuhalten. Mikrotubuli des Kinetochors an jedem Pol binden an ein Zentromer eines homologen Chromosoms.

- Anaphase I. Die Mikrotubuli des Kinetochors werden verkürzt und die homologen Paare getrennt. Ein doppeltes Homolog geht zu einem Pol der Zelle, während das andere doppelte Homolog zur anderen Seite des Pols geht.

- Telophase I. Separate Homologe bilden an jedem Pol der Zelle eine Gruppe. Die nukleare Hülle bildet sich neu. Zytokinese passiert. Die resultierenden Zellen haben die Hälfte der Chromosomenzahl der ursprünglichen Zelle.

Meiose II

- Prophase II. In jeder Zelle bildet sich eine neue Spindel und die Zellmembran verschwindet.

- Metaphase II. Die Spindelbildung ist abgeschlossen. Chromosomen haben Schwesterchromatiden, die am Zentromer verbunden sind und entlang der Metaphasenplatte ausgerichtet sind. Die Mikrotubuli des Kinetochors, die von entgegengesetzten Polen ausgehen, binden an die Zentromere.

- Anaphase II. Mikrotubuli verkürzen sich, Zentromere teilen sich, Schwesterchromatiden trennen sich und bewegen sich in Richtung entgegengesetzter Pole.

- Telophase II. Die Kernhülle wird um vier Gruppen von Chromosomen gebildet: Es werden vier haploide Zellen gebildet.

Bedeutung

Einige Beispiele veranschaulichen die Bedeutung verschiedener Arten der Zellteilung.

- Mitose. Der Zellzyklus weist irreversible Punkte (DNA-Replikation, Trennung von Schwesterchromatiden) und Kontrollpunkte (G1 / S) auf. Das p53-Protein ist der Schlüssel zum G1-Checkpoint. Dieses Protein erkennt DNA-Schäden, stoppt die Zellteilung und stimuliert die Aktivität von Enzymen, die Schäden reparieren.

Bei mehr als 50% der Krebserkrankungen beim Menschen weist das p53-Protein Mutationen auf, die seine Fähigkeit zur Bindung spezifischer DNA-Sequenzen zunichte machen. Mutationen in p53 können durch Karzinogene wie Benzopyren in Zigarettenrauch verursacht werden.

- Meiose. Es ist mit der sexuellen Fortpflanzung verbunden. Aus evolutionärer Sicht wird angenommen, dass die sexuelle Reproduktion als ein Prozess zur Reparatur von DNA entstanden ist. Somit kann eine Schädigung eines Chromosoms basierend auf Informationen aus dem homologen Chromosom repariert werden.

Es wird angenommen, dass der diploide Staat in alten Organismen vorübergehend war, aber mit zunehmender Größe des Genoms relevanter wurde. In diesen Organismen hat die sexuelle Reproduktion die Funktion der Komplementation, DNA-Reparatur und genetischen Variation.

Verweise

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