MITOSE: PHASEN UND IHRE EIGENSCHAFTEN, FUNKTIONEN UND ORGANISMEN - BIOLOGIE - 2025

Die Mitose ist ein Zellteilungsprozess, bei dem eine Zelle genetisch identische Tochterzellen produziert. Für jede Zelle werden zwei "Töchter" mit der gleichen Chromosomenlast erzeugt. Diese Teilung findet in den somatischen Zellen eukaryotischer Organismen statt.

Dieser Prozess ist eine der Stufen des Zellzyklus eukaryotischer Organismen, der aus 4 Phasen besteht: S (DNA-Synthese), M (Zellteilung), G1 und G2 (Zwischenphasen, in denen mRNAs und Proteine ​​produziert werden) . Zusammen werden die Phasen G1, G2 und S als Schnittstelle betrachtet. Die nukleare und zytoplasmatische Teilung (Mitose und Zytokinese) bilden die letzte Stufe des Zellzyklus.

Überblick über Mitose. Quelle: Viswaprabha

Auf molekularer Ebene wird die Mitose durch die Aktivierung einer Kinase (Protein) namens MPF (Maturation Promoting Factor) und die daraus resultierende Phosphorylierung einer signifikanten Anzahl von Zellkomponentenproteinen ausgelöst. Letzteres ermöglicht es der Zelle, die morphologischen Veränderungen darzustellen, die zur Durchführung des Teilungsprozesses erforderlich sind.

Mitose ist ein asexueller Prozess, da die Vorläuferzelle und ihre Töchter genau die gleiche genetische Information haben. Diese Zellen sind als diploid bekannt, da sie die vollständige Chromosomenlast (2n) tragen.

Meiose hingegen ist der Prozess der Zellteilung, der zur sexuellen Fortpflanzung führt. In diesem Prozess repliziert eine diploide Stammzelle ihre Chromosomen und teilt sich dann zweimal hintereinander (ohne ihre genetische Information zu replizieren). Schließlich werden 4 Tochterzellen mit nur der Hälfte der Chromosomenlast erzeugt, die als haploide (n) bezeichnet werden.

Überblick über Mitose

Mitose in einzelligen Organismen produziert im Allgemeinen Tochterzellen, die ihren Vorläufern sehr ähnlich sind. Im Gegensatz dazu kann dieser Prozess während der Entwicklung mehrzelliger Wesen zu zwei Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften führen (obwohl sie genetisch identisch sind).

Diese Zelldifferenzierung führt zu den verschiedenen Zelltypen, aus denen mehrzellige Organismen bestehen.

Während des Lebens eines Organismus findet der Zellzyklus kontinuierlich statt und bildet ständig neue Zellen, die wiederum wachsen und sich auf die Teilung durch Mitose vorbereiten.

Zellwachstum und Zellteilung werden durch Mechanismen wie Apoptose (programmierter Zelltod) reguliert, die es ermöglichen, ein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten und übermäßiges Gewebewachstum zu vermeiden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die defekten Zellen entsprechend den Anforderungen und Bedürfnissen des Körpers durch neue Zellen ersetzt werden.

Wie relevant ist dieser Prozess?

Die Fähigkeit zur Reproduktion ist eines der wichtigsten Merkmale aller Organismen (von einzellig bis mehrzellig) und der Zellen, aus denen sie bestehen. Diese Qualität gewährleistet die Kontinuität Ihrer genetischen Informationen.

Das Verständnis der Prozesse von Mitose und Meiose hat eine grundlegende Rolle beim Verständnis der faszinierenden zellulären Eigenschaften von Organismen gespielt. Zum Beispiel die Eigenschaft, die Anzahl der Chromosomen von einer Zelle zur anderen innerhalb eines Individuums und zwischen Individuen derselben Spezies konstant zu halten.

Wenn wir einen Schnitt oder eine Wunde auf unserer Haut haben, beobachten wir, wie sich die geschädigte Haut innerhalb weniger Tage erholt. Dies geschieht dank des Mitoseprozesses.

Phasen und ihre Eigenschaften

Im Allgemeinen folgt die Mitose in allen eukaryotischen Zellen der gleichen Abfolge von Prozessen (Phasen). In diesen Phasen treten viele morphologische Veränderungen in der Zelle auf. Dazu gehören die Kondensation von Chromosomen, das Aufbrechen der Kernmembran, die Trennung der Zelle von der extrazellulären Matrix und anderen Zellen sowie die Teilung des Zytoplasmas.

In einigen Fällen werden Kernteilung und zytoplasmatische Teilung als unterschiedliche Phasen betrachtet (Mitose bzw. Zytokinese).

Zur besseren Untersuchung und zum besseren Verständnis des Prozesses wurden sechs (6) Phasen bezeichnet: Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Die Zytokinese wird als sechste Phase betrachtet, die sich während der Anaphase zu entwickeln beginnt.

Telophase ist die letzte Phase der Mitose. Entnommen aus https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitosepanel.jpg. Über Wikimedia Commons

Diese Phasen wurden seit dem 19. Jahrhundert durch das Lichtmikroskop untersucht, so dass sie heute anhand der morphologischen Eigenschaften der Zelle wie Chromosomenkondensation und Bildung der mitotischen Spindel leicht erkennbar sind.

Prophase

Prophase. Leomonaci98 von Wikimedia Commons

Prophase ist die erste sichtbare Manifestation der Zellteilung. In dieser Phase kann das Auftreten von Chromosomen aufgrund der fortschreitenden Verdichtung von Chromatin als unterscheidbare Form angesehen werden. Diese Kondensation von Chromosomen beginnt mit der Phosphorylierung von Histon-H1-Molekülen durch MPF-Kinase.

Der Kondensationsprozess besteht aus der Kontraktion und damit der Verringerung der Größe der Chromosomen. Dies geschieht aufgrund des Aufwickelns der Chromatinfasern, wodurch leichter verschiebbare Strukturen (mitotische Chromosomen) erzeugt werden.

Chromosomen, die zuvor während der S-Periode des Zellzyklus dupliziert wurden, erhalten ein doppelsträngiges Aussehen, das als Schwesterchromatiden bezeichnet wird. Diese Stränge werden durch eine Region zusammengehalten, die als Zentromer bezeichnet wird. In dieser Phase verschwinden auch die Nukleolen.

Mitotische Spindelbildung

Von Silvia3 aus Wikimedia Commons

Während der Prophase wird die mitotische Spindel gebildet, die aus Mikrotubuli und Proteinen besteht, die einen Satz Fasern bilden.

Während sich die Spindel bildet, werden die Mikrotubuli des Zytoskeletts zerlegt (durch Deaktivieren der Proteine, die ihre Struktur beibehalten), wodurch das notwendige Material für die Bildung der mitotischen Spindel bereitgestellt wird.

Das an der Grenzfläche duplizierte Zentrosom (eine membranlose Organelle, die im Zellzyklus funktionsfähig ist) fungiert als Montageeinheit der Spindel-Mikrotubuli. In tierischen Zellen hat das Zentrosom in der Mitte ein Paar Zentriolen; Diese fehlen jedoch in den meisten Pflanzenzellen.

Die duplizierten Zentrosomen beginnen sich voneinander zu trennen, während sich die Spindel-Mikrotubuli in jedem von ihnen ansammeln und zu entgegengesetzten Enden der Zelle wandern.

Am Ende der Prophase beginnt der Bruch der Kernhülle, der in getrennten Prozessen auftritt: der Zerlegung der Kernporen, der Kernschicht und der Kernmembranen. Durch diese Unterbrechung können die mitotische Spindel und die Chromosomen miteinander interagieren.

Prometaphase

Leomonaci98

Zu diesem Zeitpunkt ist die Kernhülle vollständig fragmentiert, so dass die Mikrotubuli der Spindel in diesen Bereich eindringen und mit den Chromosomen interagieren. Die beiden Zentrosomen haben sich getrennt und befinden sich jeweils an den Polen der mitotischen Spindel an entgegengesetzten Enden der Zellen.

Die mitotische Spindel besteht nun aus den Mikrotubuli (die sich von jedem Zentrosom zum Zentrum der Zelle erstrecken), den Zentrosomen und einem Asternpaar (Strukturen mit einer radialen Verteilung kurzer Mikrotubuli, die sich von jedem Zentrosom entfalten).

Die Chromatiden entwickelten jeweils eine spezielle Proteinstruktur, die als Kinetochor bezeichnet wird und sich im Zentromer befindet. Diese Kinetochoren befinden sich in entgegengesetzten Richtungen und einige Mikrotubuli, sogenannte Kinetochor-Mikrotubuli, haften an ihnen.

Diese am Kinetochor gebundenen Mikrotubuli beginnen sich zum Chromosom zu bewegen, von dessen Ende sie sich erstrecken; einige von einem Pol und andere vom gegenüberliegenden Pol. Dies erzeugt einen "Pull and Shrink" -Effekt, der es dem Stabilosom ermöglicht, sich bei Stabilisierung zwischen den Enden der Zelle zu befinden.

Metaphase

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

In der Metaphase befinden sich Zentrosomen an entgegengesetzten Enden von Zellen. Die Spindel zeigt eine klare Struktur, in deren Zentrum sich die Chromosomen befinden. Die Zentromere dieser Chromosomen sind an die Fasern gebunden und in einer imaginären Ebene ausgerichtet, die als Metaphasenplatte bezeichnet wird.

Die Chromatidkinetochoren bleiben an die Kinetochor-Mikrotubuli gebunden. Mikrotubuli, die nicht an den Kinetochoren haften und sich von entgegengesetzten Polen der Spindel erstrecken, interagieren jetzt miteinander. Zu diesem Zeitpunkt haben die Mikrotubuli der Astern Kontakt mit der Plasmamembran.

Dieses Wachstum und die Wechselwirkung von Mikrotubuli vervollständigen die Struktur der mitotischen Spindel und verleihen ihr das Aussehen eines "Vogelkäfigs".

Morphologisch gesehen ist diese Phase die Phase mit den geringsten Änderungen, weshalb sie als Ruhephase angesehen wurde. Obwohl sie nicht leicht erkennbar sind, treten darin viele wichtige Prozesse auf und sie sind nicht nur das längste Stadium der Mitose.

Anaphase

Quelle: Leomonaci98, aus Wikimedia Commons

Während der Anaphase beginnt sich jedes Chromatidenpaar zu trennen (aufgrund der Inaktivierung der Proteine, die sie zusammenhalten). Getrennte Chromosomen bewegen sich zu entgegengesetzten Enden der Zelle.

Diese Migrationsbewegung ist auf die Verkürzung der Mikrotubuli des Kinetochors zurückzuführen, wodurch ein "Pull" -Effekt erzeugt wird, der bewirkt, dass sich jedes Chromosom von seinem Zentromer entfernt. Abhängig von der Position des Zentromers auf dem Chromosom kann es eine bestimmte Form wie V oder J annehmen.

Die Mikrotubuli, die nicht am Kinetochor haften, wachsen und dehnen sich durch die Adhäsion von Tubulin (Protein) und durch die Wirkung von Motorproteinen, die sich über sie bewegen, wodurch der Kontakt zwischen ihnen aufhören kann. Wenn sie sich voneinander entfernen, verlängern auch die Pole der Spindel die Zelle.

Am Ende dieser Phase befinden sich die Chromosomengruppen an entgegengesetzten Enden der mitotischen Spindel, so dass an jedem Ende der Zelle ein vollständiger und äquivalenter Chromosomensatz verbleibt.

Telophase

Telophase. Leomonaci98

Die Telophase ist die letzte Phase der Kernteilung. Die Mikrotubuli des Kinetochors zerfallen, während die polaren Mikrotubuli weiter verlängert werden.

Die Kernmembran beginnt sich um jeden Chromosomensatz herum zu bilden, wobei die Kernhüllen der Vorläuferzelle verwendet werden, die wie Vesikel im Zytoplasma waren.

In diesem Stadium werden die Chromosomen an den Zellpolen aufgrund der Dephosphorylierung der Histonmoleküle (H1) vollständig dekondensiert. Die Bildung der Elemente der Kernmembran wird durch verschiedene Mechanismen gesteuert.

Während der Anaphase begannen viele der phosphorylierten Proteine ​​in der Prophase zu dephosphorylieren. Dies ermöglicht zu Beginn der Telophase, dass sich die Kernvesikel wieder zusammensetzen und sich mit der Oberfläche der Chromosomen verbinden.

Andererseits wird die Kernporen wieder zusammengesetzt, was das Pumpen von Kernproteinen ermöglicht. Die Proteine ​​der Kernschicht werden dephosphoryliert, so dass sie sich wieder verbinden können, um die Bildung dieser Kernschicht zu vervollständigen.

Nachdem die Chromosomen vollständig dekondensiert sind, wird die RNA-Synthese wieder aufgenommen, wobei die Nukleolen wieder gebildet werden und somit die Bildung der neuen Interphasenkerne der Tochterzellen abgeschlossen wird.

Zytokinese

Die Zytokinese wird als ein von der Kernteilung getrenntes Ereignis betrachtet, und üblicherweise begleitet in typischen Zellen der zytoplasmatische Teilungsprozess jede Mitose, beginnend bei der Anaphase. Mehrere Studien haben gezeigt, dass bei einigen Embryonen vor der zytoplasmatischen Teilung mehrere Kernteilungen auftreten.

Der Prozess beginnt mit dem Auftreten einer Rille oder Spalte, die in der Ebene der Metaphasenplatte markiert ist, um sicherzustellen, dass die Aufteilung zwischen Gruppen von Chromosomen erfolgt. Die Stelle der Spalte wird durch die mitotische Spindel spezifisch angezeigt, die Mikrotubuli der Astern.

In der markierten Spalte befindet sich eine Reihe von Mikrofilamenten, die einen Ring bilden, der auf die zytoplasmatische Seite der Zellmembran gerichtet ist und größtenteils aus Aktin und Myosin besteht. Diese Proteine ​​interagieren miteinander, wodurch sich der Ring um die Rille zusammenzieht.

Diese Kontraktion wird durch das Gleiten der Filamente dieser Proteine ​​erzeugt, wenn sie miteinander interagieren, genauso wie sie es beispielsweise in Muskelgeweben tun.

Die Kontraktion des Rings vertieft sich und übt einen "Klemmeffekt" aus, der schließlich die Vorläuferzelle teilt und die Trennung der Tochterzellen mit ihrem sich entwickelnden zytoplasmatischen Inhalt ermöglicht.

Zytokinese in Pflanzenzellen

Pflanzenzellen haben eine Zellwand, daher unterscheidet sich ihr zytoplasmatischer Teilungsprozess von dem zuvor beschriebenen und beginnt in der Telophase.

Die Bildung einer neuen Zellwand beginnt, wenn die Mikrotubuli der Restspindel zusammengesetzt sind und den Fragmoplasten bilden. Diese zylindrische Struktur besteht aus zwei Sätzen von Mikrotubuli, die an ihren Enden verbunden sind und deren positive Pole in einer elektronischen Platte in der Äquatorialebene eingebettet sind.

Kleine Vesikel aus dem Golgi-Apparat, die mit Zellwandvorläufern gefüllt sind, wandern durch die Mikrotubuli des Fragmoplasten in die Äquatorregion und bilden zusammen eine Zellplatte. Der Inhalt der Vesikel wird während des Wachstums in diese Platte ausgeschieden.

Diese Plaque wächst und verschmilzt mit der Plasmamembran entlang des Zellumfangs. Dies geschieht aufgrund der ständigen Umlagerung der Mikrotubuli des Fragmoplasten am Rand der Platte, wodurch sich mehr Vesikel in Richtung dieser Ebene bewegen und ihren Inhalt entleeren können.

Auf diese Weise erfolgt die zytoplasmatische Trennung der Tochterzellen. Schließlich ermöglicht der Inhalt der Zellplatte zusammen mit den darin enthaltenen Cellulosemikrofasern die Vervollständigung der Bildung der neuen Zellwand.

Eigenschaften

Mitose ist ein Mechanismus der Teilung in Zellen und Teil einer der Phasen des Zellzyklus bei Eukaryoten. Auf einfache Weise können wir sagen, dass die Hauptfunktion dieses Prozesses die Reproduktion einer Zelle in zwei Tochterzellen ist.

Für einzellige Organismen bedeutet Zellteilung die Erzeugung neuer Individuen, während für mehrzellige Organismen dieser Prozess Teil des Wachstums und der korrekten Funktion des gesamten Organismus ist (Zellteilung erzeugt die Entwicklung von Geweben und die Aufrechterhaltung von Strukturen).

Der Mitoseprozess wird entsprechend den Anforderungen des Körpers aktiviert. Beispielsweise beginnen sich bei Säugetieren rote Blutkörperchen (Erythrozyten) zu teilen und bilden mehr Zellen, wenn der Körper eine bessere Sauerstoffaufnahme benötigt. Ebenso vermehren sich weiße Blutkörperchen (Leukozyten), wenn eine Infektion bekämpft werden muss.

Im Gegensatz dazu fehlt einigen spezialisierten tierischen Zellen praktisch der Mitoseprozess oder er ist sehr langsam. Beispiele hierfür sind Nervenzellen und Muskelzellen.

Im Allgemeinen handelt es sich um Zellen, die Teil des Bindegewebes und des Strukturgewebes des Körpers sind und deren Fortpflanzung nur dann erforderlich ist, wenn eine Zelle einen Defekt oder eine Verschlechterung aufweist und ersetzt werden muss.

Regulation des Zellwachstums und der Zellteilung.

Das Zellteilungs- und Wachstumskontrollsystem ist bei mehrzelligen Organismen viel komplexer als bei einzelligen. In letzterem Fall ist die Reproduktion grundsätzlich durch die Verfügbarkeit von Ressourcen begrenzt.

In tierischen Zellen wird die Teilung angehalten, bis ein positives Signal zur Aktivierung dieses Prozesses vorliegt. Diese Aktivierung erfolgt in Form von chemischen Signalen von benachbarten Zellen. Dies ermöglicht es, das unbegrenzte Wachstum von Geweben und die Reproduktion defekter Zellen zu verhindern, was das Leben des Organismus ernsthaft schädigen kann.

Einer der Mechanismen, die die Zellvermehrung steuern, ist die Apoptose, bei der eine Zelle stirbt (aufgrund der Produktion bestimmter Proteine, die die Selbstzerstörung aktivieren), wenn sie erhebliche Schäden aufweist oder mit einem Virus infiziert ist.

Es gibt auch die Regulation der Zellentwicklung durch die Hemmung von Wachstumsfaktoren (wie Proteinen). Somit bleiben die Zellen an der Grenzfläche, ohne zur M-Phase des Zellzyklus überzugehen.

Organismen, die es ausführen

Der Prozess der Mitose findet in der überwiegenden Mehrheit der eukaryotischen Zellen statt, von einzelligen Organismen wie Hefe, die ihn als asexuellen Fortpflanzungsprozess verwenden, bis zu komplexen mehrzelligen Organismen wie Pflanzen und Tieren.

Obwohl der Zellzyklus im Allgemeinen für alle eukaryotischen Zellen gleich ist, gibt es bemerkenswerte Unterschiede zwischen einzelligen und mehrzelligen Organismen. Im ersteren Fall wird das Wachstum und die Teilung von Zellen durch natürliche Selektion begünstigt. In mehrzelligen Organismen ist die Proliferation durch strenge Kontrollmechanismen begrenzt.

In einzelligen Organismen erfolgt die Fortpflanzung beschleunigt, da der Zellzyklus konstant arbeitet und die Tochterzellen schnell eine Mitose einleiten, um diesen Zyklus fortzusetzen. Während die Zellen mehrzelliger Organismen erheblich länger brauchen, um zu wachsen und sich zu teilen.

Es gibt auch einige Unterschiede zwischen den mitotischen Prozessen pflanzlicher und tierischer Zellen, da in einigen Phasen dieses Prozesses der Mechanismus in diesen Organismen im Prinzip auf ähnliche Weise funktioniert.

Zellteilung in prokaryotischen Zellen

Prokaryotische Zelle

Prokaryontische Zellen wachsen und teilen sich im Allgemeinen schneller als eukaryotische Zellen.

Organismen mit prokaryotischen Zellen (im Allgemeinen einzellig oder in einigen Fällen mehrzellig) fehlt eine Kernmembran, die das genetische Material innerhalb eines Kerns isoliert, so dass es in der Zelle in einem Bereich verteilt ist, der als Nukleoid bezeichnet wird. Diese Zellen haben ein kreisförmiges Hauptchromosom.

Die Zellteilung in diesen Organismen ist daher viel direkter als in eukaryotischen Zellen, da der beschriebene Mechanismus fehlt (Mitose). In ihnen wird die Reproduktion durch einen Prozess namens binäre Spaltung durchgeführt, bei dem die DNA-Replikation an einer bestimmten Stelle auf dem zirkulären Chromosom beginnt (Replikationsursprung oder OriC).

Es werden dann zwei Ursprünge gebildet, die bei der Replikation zu entgegengesetzten Seiten der Zelle wandern, und die Zelle wird auf das Doppelte ihrer Größe gedehnt. Am Ende der Replikation wächst die Zellmembran in das Zytoplasma hinein und teilt die Vorläuferzelle in zwei Töchter mit demselben genetischen Material.

Entwicklung der Mitose

Die Entwicklung eukaryotischer Zellen brachte eine Zunahme der Komplexität im Genom mit sich. Dies beinhaltete die Entwicklung ausgefeilterer Teilungsmechanismen.

Was ging der Mitose voraus?

Es gibt Hypothesen, die darauf hinweisen, dass die bakterielle Teilung der Vorgängermechanismus der Mitose ist. Es wurde eine gewisse Beziehung zwischen Proteinen gefunden, die mit der binären Spaltung assoziiert sind (die möglicherweise Chromosomen an bestimmten Stellen auf der Plasmamembran von Töchtern verankert), mit Tubulin und Actin in eukaryotischen Zellen.

Einige Studien weisen auf bestimmte Besonderheiten bei der Aufteilung moderner einzelliger Protisten hin. In ihnen bleibt die Kernmembran während der Mitose intakt. Die replizierten Chromosomen bleiben an bestimmten Stellen auf dieser Membran verankert und trennen sich, wenn sich der Kern während der Zellteilung zu dehnen beginnt.

Dies zeigt eine gewisse Übereinstimmung mit dem Prozess der binären Spaltung, bei dem die replizierten Chromosomen an bestimmten Stellen auf der Zellmembran anhaften. Die Hypothese legt dann nahe, dass die Protisten, die diese Qualität während ihrer Zellteilung aufweisen, diese Eigenschaft einer prokaryotischen Ahnenzelle beibehalten haben könnten.

Derzeit wurden noch keine Erklärungen dafür entwickelt, warum in eukaryotischen Zellen mehrzelliger Organismen die Kernmembran während des Zellteilungsprozesses zerfallen muss.

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