Der Zellzyklus ist ein Prozess, bei dem eine Zelle wächst und sich teilt, um eine Kopie ihrer selbst zu erstellen. Einige Organismen reproduzieren sich ausschließlich durch diesen Prozess, während es im komplexen vielzelligen Leben einem Organismus ermöglicht, zu wachsen und Zellen zu ersetzen, wenn sie abgenutzt sind. Bei Tieren dauert der Zyklus bei den meisten Zelltypen von Anfang bis Ende etwa 24 Stunden, obwohl einige, wie die der Haut, diesen Zyklus ständig durchlaufen, während andere sich selten oder gar nicht teilen. Neuronen zum Beispiel wachsen und teilen sich nicht, wenn sie reif sind.
Organismen lassen sich in zwei Typen mit jeweils eigenem Zellzyklus einteilen. Bei Prokaryoten besteht die genetische Information des Organismus aus einem einzigen DNA-Strang, dem sogenannten Chromosom, der in keiner speziellen Struktur enthalten ist. Bakterien sind Beispiele für Prokaryoten, zusammen mit einigen anderen einzelligen Organismen. Eukaryoten bestehen aus allen mehrzelligen Organismen wie Pflanzen und Tieren sowie einigen Arten einzelliger Lebensformen. Sie unterscheiden sich von Prokaryoten hauptsächlich dadurch, dass sie einen Kern haben – eine in sich geschlossene Struktur, die das genetische Material in Form von Chromosomen aus DNA enthält.
Prokaryoten
Die Fortpflanzung in Prokaryoten wird als binäre Spaltung bezeichnet. Dabei repliziert sich die frei in der Zelle schwebende DNA. Die beiden neuen DNA-Stränge wandern dann zu entgegengesetzten Enden der Zelle, die sich in zwei identische Kopien mit jeweils eigener DNA teilt; Dieses Teilungsstadium wird als Zytokinese bezeichnet. Die neuen Zellen wachsen dann, bis sie eine bestimmte Größe erreichen, dann teilen sie sich unter günstigen Bedingungen erneut und beginnen einen neuen Zyklus. Bei diesen primitiven Organismen ist der Prozess normalerweise sehr schnell – unter idealen Bedingungen teilen sich einige Bakterien alle 20 Minuten, was zu einer sehr schnellen Vermehrung führt.
Eukaryoten
Eukaryontische Zellen sind komplexer als die von Prokaryonten, was die Teilung komplizierter macht. Neben einem Zellkern besitzen sie eine Reihe weiterer Strukturen, sogenannte Organellen, die spezifische Funktionen haben und bei der Teilung ebenfalls vervielfältigt werden müssen. Der eukaryotische Zyklus hat eine Reihe von unterschiedlichen Phasen, wobei die beiden wichtigsten die Interphase und die Mitose sind.
Während der Interphase – die bei weitem die längste Phase ist und den größten Teil des 24-Stunden-Zyklus ausmacht, der für die meisten tierischen Zellen typisch ist – wächst die Zelle normalerweise und nimmt an Größe zu. Die an der Teilung beteiligten Prozesse benötigen Energie, und die Interphase hat zwei Perioden, in denen Reserven des Energiespeichers Adenosintriphosphat (ATP) aufgebaut werden und das Wachstum stattfindet, getrennt durch eine Periode der DNA-Duplikation im Zellkern. Die erste Wachstumsphase wird als Gap 1 (G1) bezeichnet und tritt in den neuen Zellen nach der Teilung auf. Darauf folgt die Synthesestufe (S), bei der neue DNA-Stränge synthetisiert werden, die mit den Originalen identisch sind. Das Gap 2 (G2) Stadium beginnt dann vor der Mitose.
Im Gegensatz zur vorangegangenen Phase ist die Mitose relativ kurz und dauert typischerweise nur etwa eine Stunde. Dies ist der Prozess, bei dem die beiden identischen DNA-Sätze physisch voneinander getrennt werden, wodurch zwei Chromosomensätze gebildet werden, die dann an verschiedene Enden der Zelle gezogen werden, um separate Kerne zu bilden. Während dieser Phase teilen sich auch die Organellen, wie Mitochondrien bei Tieren und Chloroplasten bei Pflanzen. Diese Strukturen haben ihre eigene DNA, die sich auf die gleiche Weise wie in Prokaryonten repliziert, was einige Wissenschaftler zu der Annahme verleitet, dass es sich um unabhängige prokaryontische Organismen gehandelt haben könnte, die irgendwann in der fernen Vergangenheit in eukaryontische Zellen eingebaut wurden.
Die letzte Stufe ist die Zytokinese. Dies ist, wenn die Aufteilung in zwei verschiedene Einheiten tatsächlich stattfindet. Bei Tieren werden gegenüberliegende Zellwände etwa in der Mitte aufeinander zu gezogen, bis sie sich treffen und zwei Einheiten bilden, die sich voneinander abspalten. Bei Pflanzen baut sich an der Teilungsstelle eine neue Zellwand auf, die die beiden neuen Zellen trennt.
Regulierung und Fehler
Jeder Teil des Zyklus wird durch Proteine reguliert, die der Zelle sagen, was sie tun soll. Diese Proteine werden auch während der Interphase verwendet, um zu bestätigen, dass die Bedingungen für die Teilung geeignet sind. Wenn nicht genügend Nährstoffe vorhanden sind oder andere Probleme festgestellt werden, signalisieren diese Proteine der Zelle, inaktiv zu bleiben und darauf zu warten, dass sich die Bedingungen verbessern, ähnlich wie bei der Teilung.
Fehler können und werden während des Prozesses auftreten. Manchmal werden die Informationen während der Interphase nicht exakt kopiert und es entstehen Fehler im Genom. Diese Fehler können für die Zelle fatal oder harmlos sein. Sie können auch zu Krebs führen, bei dem ein Fehler zu wiederholter Replikation und unkontrollierter Teilung ohne Kontrolle führt, wodurch ein Tumor entsteht.
Glücklicherweise gibt es Proteine, die den Prozess stoppen können, wenn Fehler bei der DNA-Replikation auftreten. In einigen Fällen wird der Teilungsprozess ausgesetzt, um die Reparatur der DNA zu ermöglichen, und kann danach wieder aufgenommen werden. In anderen Fällen, bei denen die DNA stark geschädigt ist, können diese Proteine zum Absterben der Zelle führen, um eine weitere Replikation der fehlerhaften DNA zu verhindern. Krebs ist oft das Ergebnis von Veränderungen der DNA, die das ordnungsgemäße Funktionieren dieser Proteine verhindern, sodass sich Zellen mit beschädigter DNA vermehren können.