WAS IST ZYTOKINESE UND WIE WIRD SIE PRODUZIERT? - BIOLOGIE - 2025

Die Zytokinese ist der Prozess der Aufteilung des Zytoplasmas einer Zelle, der während der Zellteilung zu zwei Tochterzellen führt. Es tritt sowohl bei Mitose als auch bei Meiose auf und ist in tierischen Zellen häufig.

Bei einigen Pflanzen und Pilzen findet keine Zytokinese statt, da diese Organismen ihr Zytoplasma niemals teilen. Der Zyklus der Zellreproduktion gipfelt in der Aufteilung des Zytoplasmas durch den Prozess der Zytokinese.

In einer typischen tierischen Zelle tritt die Zytokinese während des Mitoseprozesses auf. Es kann jedoch einige Zelltypen wie Osteoklasten geben, die den Mitoseprozess durchlaufen können, ohne dass eine Zytokinese stattfindet.

Der Zytokineseprozess beginnt während der Anaphase und endet während der Telophase. Er findet vollständig zu dem Zeitpunkt statt, an dem die nächste Schnittstelle beginnt.

Das Telophasen- und Zytokinese-Stadium der Mitose. Quelle: Kelvin Song CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) über Wikimedia Commons,

Die erste sichtbare Veränderung der Zytokinese in tierischen Zellen wird deutlich, wenn eine Teilungsrille auf der Zelloberfläche erscheint. Diese Rille wird schnell ausgeprägter und dehnt sich um die Zelle herum aus, bis sie sich vollständig in der Mitte teilt.

In tierischen Zellen und vielen eukaryotischen Zellen ist die Struktur, die den Zytokineseprozess begleitet, als "kontraktiler Ring" bekannt, eine dynamische Anordnung, die aus Aktinfilamenten, Myosin II-Filamenten und vielen strukturellen und regulatorischen Proteinen besteht. Es setzt sich unter der Plasmamembran der Zelle ab und zieht sich zusammen, um sie in zwei Teile zu teilen.

Ciliaten, die sich einer Zytokinese unterziehen. Quelle: Der Alpha Wolf CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) über Wikimedia Commons

Das größte Problem einer Zelle, die sich einer Zytokinese unterzieht, besteht darin, sicherzustellen, dass dieser Prozess zur richtigen Zeit und am richtigen Ort stattfindet. Da die Zytokinese nicht früh in der Mitosephase auftreten darf, kann sie die korrekte Verteilung der Chromosomen unterbrechen.

Mitotische Spindeln und Zellteilung

Vergleich des Zytokineseprozesses in pflanzlichen und tierischen Zellen. Quelle: Mathilda Brinton CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) über Wikimedia Commons,

Mitotische Spindeln in tierischen Zellen sind nicht nur für die Trennung der resultierenden Chromosomen verantwortlich, sondern geben auch den Ort des kontraktilen Rings und damit die Ebene der Zellteilung an.

Der kontraktile Ring hat eine unveränderliche Form in der Ebene der Metaphasenplatte. Im richtigen Winkel verläuft es entlang der Achse der mitotischen Spindel, um sicherzustellen, dass die Teilung zwischen den beiden getrennten Chromosomensätzen erfolgt.

Der Teil der mitotischen Spindel, der die Teilungsebene angibt, kann je nach Zelltyp variieren. Die Beziehung zwischen den Mikrotubuli der Spindel und der Position des kontraktilen Rings wurde von Wissenschaftlern eingehend untersucht.

Sie haben befruchtete Eier von Wirbeltieren manipuliert, um die Geschwindigkeit zu beobachten, mit der die Rillen in den Zellen erscheinen, ohne den Wachstumsprozess zu unterbrechen.

Wenn das Zytoplasma klar ist, kann die Spindel leichter gesehen werden sowie der Moment in Echtzeit, in dem sie sich im frühen Anaphasenzustand an einer neuen Position befindet.

Asymmetrische Teilung

In den meisten Zellen erfolgt die Zytokinese symmetrisch. Beispielsweise wird bei den meisten Tieren der kontraktile Ring um die Äquatorlinie der Stammzelle gebildet, so dass die beiden resultierenden Tochterzellen die gleiche Größe und ähnliche Eigenschaften haben.

Diese Symmetrie ist dank der Position der mitotischen Spindel möglich, die sich mithilfe der astralen Mikrotubuli und der Proteine, die sie von einem Ort zum anderen ziehen, auf das Zytoplasma konzentriert.

Innerhalb des Zytokineseprozesses gibt es viele Variablen, die synchron arbeiten müssen, um erfolgreich zu sein. Wenn sich jedoch eine dieser Variablen ändert, können sich die Zellen asymmetrisch teilen und zwei Tochterzellen unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichem zytoplasmatischen Gehalt produzieren.

Normalerweise sind die beiden Tochterzellen dazu bestimmt, sich unterschiedlich zu entwickeln. Damit dies möglich ist, muss die Stammzelle einige schicksalsbestimmende Komponenten auf eine Seite der Zelle absondern und dann die Teilungsebene so lokalisieren, dass die angegebene Tochterzelle diese Komponenten zum Zeitpunkt der Teilung erbt.

Um die Teilung asymmetrisch zu positionieren, muss die mitotische Spindel innerhalb der zu teilenden Zelle kontrolliert bewegt werden.

Anscheinend wird diese Bewegung der Spindel durch Veränderungen in regionalen Bereichen der Zellrinde und durch lokalisierte Proteine ​​angetrieben, die helfen, einen der Spindelpole mit Hilfe der astralen Mikrotubuli zu verschieben.

Kontraktiler Ring

Wenn die astralen Mikrotubuli länger und weniger dynamisch reagieren, beginnt sich unter der Plasmamembran der kontraktile Ring zu bilden.

Ein Großteil der Vorbereitung auf die Zytokinese erfolgt jedoch früher im Mitoseprozess, noch bevor sich das Zytoplasma zu teilen beginnt.

Während der Grenzfläche verbinden sich die Aktin- und Myosin-II-Filamente und bilden ein kortikales Netzwerk. Selbst in einigen Zellen erzeugen sie große zytoplasmatische Bündel, die als Stressfasern bezeichnet werden.

Wenn eine Zelle den Mitoseprozess einleitet, brechen diese Anordnungen zusammen und ein Großteil des Aktins wird neu angeordnet und die Myosin II-Filamente werden freigesetzt.

Während sich die Chromatiden während der Anaphase trennen, beginnt sich Myosin II schnell anzusammeln, um den kontraktilen Ring zu bilden. In einigen Zellen ist es sogar erforderlich, Proteine ​​aus der Kinasefamilie zu verwenden, um die Zusammensetzung sowohl der mitotischen Spindel als auch des kontraktilen Rings zu regulieren.

Wenn der kontraktile Ring vollständig bewaffnet ist, enthält er viele andere Proteine ​​als Actin und Myosin II. Die überlappenden Matrizen von bipolaren Aktin- und Myosin-II-Filamenten erzeugen die Kraft, die erforderlich ist, um das Zytoplasma in zwei Teile zu teilen, ähnlich wie bei glatten Muskelzellen.

Die Art und Weise, wie sich der kontraktile Ring zusammenzieht, ist jedoch immer noch ein Rätsel. Anscheinend funktioniert es nicht im Auftrag eines Kordelmechanismus, bei dem sich Aktin- und Myosin-II-Filamente übereinander bewegen, wie dies bei Skelettmuskeln der Fall wäre.

Wenn sich der Ring zusammenzieht, behält er während des gesamten Prozesses die gleiche Steifigkeit bei. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Filamente abnimmt, wenn sich der Ring schließt.

Organellenverteilung in Tochterzellen

Der Mitoseprozess muss sicherstellen, dass jede der Tochterzellen die gleiche Anzahl von Chromosomen erhält. Wenn sich jedoch eine eukaryotische Zelle teilt, muss jede Tochterzelle auch eine Reihe wesentlicher zellulärer Komponenten erben, einschließlich der in der Zellmembran eingeschlossenen Organellen.

Zellorganellen wie Mitochondrien und Chloroplasten können nicht spontan aus ihren einzelnen Bestandteilen erzeugt werden, sondern können nur aus dem Wachstum und der Teilung bereits vorhandener Organellen entstehen.

In ähnlicher Weise können Zellen kein neues endoplasmatisches Retikulum bilden, es sei denn, ein Teil davon ist in der Zellmembran vorhanden.

Einige Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten sind in zahlreichen Formen in der Stammzelle vorhanden, um sicherzustellen, dass die beiden Tochterzellen sie erfolgreich erben.

Das endoplasmatische Retikulum während der Periode der zellulären Grenzfläche ist kontinuierlich zusammen mit der Zellmembran und wird von den Mikrotubuli des Zytoskeletts organisiert.

Nach dem Eintritt in die Mitosephase setzt die Reorganisation der Mikrotubuli das endoplasmatische Retikulum frei, das fragmentiert wird, wenn auch die Hülle des Kerns aufgebrochen wird. Der Golgi-Apparat ist wahrscheinlich ebenfalls fragmentiert, obwohl es in einigen Zellen den Anschein hat, dass er über das Retikulum verteilt war und später in der Telophase auftrat.

Mitose ohne Zytokinese

Obwohl auf die Zellteilung normalerweise eine Teilung des Zytoplasmas folgt, gibt es einige Ausnahmen. Einige Zellen durchlaufen verschiedene Prozesse der Zellteilung, ohne dass das Zytoplasma gebrochen wird.

Beispielsweise durchläuft der Fruchtfliegenembryo 13 Stadien der Kernteilung, bevor eine zytoplasmatische Teilung stattfindet, was zu einer großen Zelle mit bis zu 6.000 Kernen führt.

Diese Anordnung zielt hauptsächlich darauf ab, den frühen Entwicklungsprozess zu beschleunigen, da die Zellen nicht so lange brauchen müssen, um alle Stadien der Zellteilung zu durchlaufen, die die Zytokinese beinhaltet.

Nachdem diese schnelle Kernteilung stattgefunden hat, werden Zellen um jeden Kern in einem einzigen Prozess der Zytokinese erzeugt, der als Celurisierung bekannt ist. Auf der Oberfläche der Zellen bilden sich kontraktile Ringe, und die Plasmamembran erstreckt sich nach innen und zieht sich zusammen, um jeden Kern einzuschließen.

Der Nicht-Zytokinese-Prozess der Mitose tritt auch bei einigen Arten von Säugetierzellen auf, wie Osteoklasten, Trophoblasten und einigen Hepatozyten und Herzmuskelzellen. Diese Zellen wachsen zum Beispiel mehrkernig wie die einiger Pilze oder der Fruchtfliege.

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