Mitose
Die Mitose ist ein faszinierender Prozess der Zellteilung, bei dem aus einer Mutterzelle zwei identische Tochterzellen entstehen. Dieser grundlegende biologische Mechanismus ermöglicht Wachstum, Regeneration und Erhaltung von Organismen. In diesem Artikel erfahren Sie alles Wichtige über die Phasen der Mitose, den Zellzyklus und die Bedeutung dieses lebenswichtigen Vorgangs für alle mehrzelligen Lebewesen.
Was ist Mitose? – Die indirekte Kernteilung einfach erklärt
Die Mitose (griechisch: Mitos = Faden) ist die indirekte Kernteilung, bei der aus einem Zellkern zwei identische Tochterkerne mit gleichem genetischem Material und gleicher Chromosomenzahl entstehen. Dieser fundamentale Prozess ermöglicht das Wachstum und die Regeneration aller mehrzelligen Organismen.
Definition der Mitose
Die Mitose ist ein Prozess der Zellteilung, bei dem aus einer diploiden Mutterzelle zwei genetisch identische diploide Tochterzellen entstehen. Sie wird auch als Äquationsteilung bezeichnet, da die Chromosomenzahl gleichbleibt. Die Mitose umfasst die Teilung des Zellkerns (Karyokinese) und meist auch die Teilung des Zellplasmas (Cytokinese).
Die biologische Bedeutung der Mitose
Menschen, Tiere und Pflanzen bestehen aus Millionen bis Billionen von Zellen, die zu komplexen Geweben und Organen organisiert sind. Alle diese Zellen gehen durch wiederholte Zellteilung aus einer einzigen befruchteten Eizelle hervor. Die Mitose gewährleistet dabei:
- Wachstum: Organismen können von einer einzelnen Zelle zu komplexen Lebewesen heranwachsen
- Regeneration: Verletzte oder abgestorbene Zellen werden ersetzt
- Asexuelle Fortpflanzung: Bei einigen Organismen dient die Mitose der Vermehrung
- Genetische Stabilität: Jede Tochterzelle erhält eine exakte Kopie der genetischen Information
Die vier Phasen der Mitose im Detail
Die Mitose wird klassisch in vier aufeinanderfolgende Phasen unterteilt, die einen fließenden Übergang bilden. Bereits vor Beginn der eigentlichen Mitose haben die Chromosomen in der S-Phase ihre DNA-Substanz verdoppelt, sodass jedes Chromosom aus zwei identischen Schwesterchromatiden besteht, die am Centromer verbunden sind.
Prophase
Die Vorbereitungsphase
Dauer: 30-60 Minuten
- Die Chromosomen kondensieren und werden als spiralisierte Strukturen sichtbar
- Jedes Chromosom besteht aus zwei Schwesterchromatiden, die am Centromer verbunden sind
- Die Zentriolen wandern zu den entgegengesetzten Zellpolen
- Der Spindelapparat aus Mikrotubuli beginnt sich zu bilden
- Die Kernhülle löst sich auf und die Nukleoli verschwinden
- Die Chromosomen liegen frei im Cytoplasma
Anaphase
Die Trennungsphase
Dauer: 3-15 Minuten
- Die Schwesterchromatiden trennen sich am Centromer
- Die Spindelfasern verkürzen sich durch Depolymerisation
- Die Chromatiden (nun eigenständige Ein-Chromatid-Chromosomen) werden zu den entgegengesetzten Zellpolen gezogen
- Die Zellpole bewegen sich voneinander weg
- Die Einschnürung des Zellplasmas beginnt bei tierischen Zellen
- Jeder Pol erhält einen identischen Chromosomensatz
Telophase
Die Abschlussphase
Dauer: 30-60 Minuten
- Die Chromosomen dekondensieren und gehen in die Arbeitsform über
- Um jeden Chromosomensatz bildet sich eine neue Kernhülle aus Membranen des Endoplasmatischen Retikulums
- Die Nukleoli (Kernkörperchen) werden wieder sichtbar
- Der Spindelapparat wird abgebaut
- Die Cytokinese (Zellteilung) wird abgeschlossen
- Zwei identische Tochterzellen entstehen
Wichtiger Hinweis zur Chromatiden-Verdopplung
Die Verdopplung der DNA und damit die Bildung der Schwesterchromatiden erfolgt nicht während der Mitose selbst, sondern bereits vorher in der S-Phase des Zellzyklus. Dies ist essentiell, da nur so aus einer Mutterzelle zwei vollständige Tochterzellen mit jeweils einem kompletten Chromosomensatz entstehen können. Ohne diese vorangegangene DNA-Replikation wäre eine Zellteilung nicht möglich.
Der Zellzyklus – Der Rahmen der Mitose
Die Mitose ist nur ein Teil eines größeren Prozesses, des sogenannten Zellzyklus. Dieser beschreibt die Periode von einer Zellteilung bis zur nächsten und umfasst mehrere aufeinanderfolgende Phasen.
Die Phasen des Zellzyklus
Interphase – G1-Phase
Gap 1 / Wachstumsphase
Dauer: Stunden bis Jahre
Die neu entstandenen Tochterzellen wachsen und differenzieren sich. Intensive Stoffwechselaktivität und Synthese von Proteinen und Zellorganellen. Die Zelle nimmt ihre spezifische Funktion wahr.
Interphase – S-Phase
Synthese-Phase
Dauer: 6-8 Stunden
Die gesamte DNA wird repliziert (verdoppelt). Aus jedem Chromosom entsteht ein Zwei-Chromatiden-Chromosom. Die Histone werden ebenfalls verdoppelt. Dies ist die Voraussetzung für die kommende Zellteilung.
Interphase – G2-Phase
Gap 2 / Vorbereitungsphase
Dauer: 2-5 Stunden
Kurze Vorbereitungsphase auf die Mitose. Synthese von Proteinen für den Spindelapparat und Überprüfung der DNA-Replikation. Die Zelle bereitet sich auf die Teilung vor.
M-Phase
Mitose & Cytokinese
Dauer: 0,5-2 Stunden
Die eigentliche Kern- und Zellteilung mit den vier Phasen (Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase) und der anschließenden Teilung des Zytoplasmas.
Zeitliche Dauer der Mitose
Gesamte Mitose
30 Minuten – 2 Stunden
Je nach Zelltyp und Organismus
Menschliche Zellen
Bis zu 22 Stunden
Kompletter Zellzyklus
DNA-Verdopplung
6-12 Stunden
Nach Abschluss der Mitose
Der Spindelapparat – Das Transportsystem der Chromosomen
Aufbau und Funktion
Der Spindelapparat ist eine komplexe Struktur aus Mikrotubuli (Proteinfasern), die für die korrekte Verteilung der Chromosomen verantwortlich ist:
- Zentriolen: Organisationszentren an den Zellpolen
- Spindelfasern: Mikrotubuli, die sich an die Chromosomen heften
- Kinetochore: Proteinstrukturen am Centromer als Andockstellen
Mechanismus
Die Spindelfasern wachsen von den Zentriolen aus und heften sich an die Kinetochore der Chromosomen. Durch Polymerisation (Verlängerung) und Depolymerisation (Verkürzung) der Mikrotubuli werden die Chromosomen bewegt:
- In der Metaphase: Positionierung in der Zellmitte
- In der Anaphase: Trennung und Transport zu den Polen
Unterschiede zwischen pflanzlichen und tierischen Zellen
Besonderheiten bei der Mitose
Tierische Zellen:
- Zentriolen sind vorhanden und organisieren die Spindelfasern
- Cytokinese durch Einschnürung: Ein kontraktiler Ring aus Aktin zieht sich zusammen und teilt die Zelle
- Bildung einer Teilungsfurche von außen nach innen
Pflanzliche Zellen:
- Keine Zentriolen, aber funktionsfähiger Spindelapparat
- Cytokinese durch Zellplattenbildung: Golgi-Vesikel verschmelzen in der Zellmitte
- Bildung einer neuen Zellwand und Plasmamembran von innen nach außen
- Die starre Zellwand verhindert eine Einschnürung
Regulation und Kontrolle der Mitose
Checkpoints im Zellzyklus
Der Zellzyklus unterliegt strengen Kontrollmechanismen, den sogenannten Checkpoints (Kontrollpunkten):
- G1-Checkpoint: Überprüfung der Zellgröße, Nährstoffverfügbarkeit und DNA-Schäden
- G2-Checkpoint: Kontrolle der vollständigen und korrekten DNA-Replikation
- M-Checkpoint: Überprüfung der korrekten Anheftung aller Chromosomen an die Spindelfasern
Diese Kontrollpunkte verhindern, dass Zellen mit Schäden oder Fehlern sich teilen. Störungen dieser Mechanismen können zu unkontrollierter Zellteilung und damit zu Krebs führen.
Bedeutung der Mitose für verschiedene Prozesse
Wachstum
Aus der befruchteten Eizelle entsteht durch Milliarden von Mitosen ein kompletter Organismus. Ein erwachsener Mensch besteht aus etwa 37,2 Billionen Zellen, die alle durch Mitose entstanden sind.
Regeneration
Ständiger Ersatz abgestorbener Zellen: Hautzellen werden alle 2-4 Wochen erneuert, rote Blutkörperchen alle 120 Tage, Darmepithelzellen alle 3-5 Tage.
Wundheilung
Bei Verletzungen teilen sich Zellen verstärkt durch Mitose, um das geschädigte Gewebe zu ersetzen und die Wunde zu schließen.
Asexuelle Vermehrung
Einzeller, viele Pflanzen und einige Tiere vermehren sich durch Mitose und erzeugen so genetisch identische Nachkommen (Klone).
Fehler bei der Mitose und ihre Folgen
Mögliche Störungen
Obwohl die Mitose ein hochpräziser Prozess ist, können Fehler auftreten:
Non-Disjunction (Nicht-Trennung)
Chromosomen oder Chromatiden trennen sich nicht korrekt, was zu Zellen mit falscher Chromosomenzahl führt. Dies kann zu Aneuploidien führen und ist oft letal für die betroffene Zelle.
DNA-Schäden
Mutationen in der DNA, die nicht repariert werden, werden an Tochterzellen weitergegeben. Häufung solcher Fehler kann zur Tumorbildung führen.
Spindelapparat-Fehler
Defekte beim Aufbau oder der Funktion des Spindelapparats können zu ungleicher Chromosomenverteilung führen.
Kontrollmechanismus-Versagen
Wenn die Checkpoints nicht funktionieren, können geschädigte Zellen sich unkontrolliert teilen – ein Kennzeichen von Krebszellen.
Mitose in der Forschung und Medizin
Praktische Anwendungen
Krebsforschung
Das Verständnis der Mitose ist zentral für die Krebstherapie. Viele Chemotherapeutika zielen darauf ab, die Mitose in schnell teilenden Krebszellen zu blockieren:
- Mitosehemmer: Verhindern die Bildung des Spindelapparats
- DNA-Synthese-Hemmer: Blockieren die S-Phase
- Topoisomerase-Hemmer: Verhindern die DNA-Entwindung
Stammzellforschung
Stammzellen haben die Fähigkeit zur unbegrenzten Mitose und Differenzierung. Dies macht sie wertvoll für:
- Regenerative Medizin
- Organersatz
- Erforschung von Entwicklungsprozessen
Gentechnik und Biotechnologie
Kontrollierte Zellteilung wird genutzt für:
- Produktion von Medikamenten (z.B. Insulin)
- Gewebezüchtung (Tissue Engineering)
- Klonierung von Organismen
Zusammenfassung: Die wichtigsten Punkte zur Mitose
- ✓ Die Mitose ist die indirekte Kernteilung, bei der aus einer Zelle zwei genetisch identische Tochterzellen entstehen
- ✓ Sie läuft in vier Phasen ab: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase
- ✓ Die DNA-Verdopplung erfolgt vor der Mitose in der S-Phase des Zellzyklus
- ✓ Der Spindelapparat sorgt für die korrekte Verteilung der Chromosomen
- ✓ Die Mitose ermöglicht Wachstum, Regeneration und asexuelle Fortpflanzung
- ✓ Kontrollmechanismen (Checkpoints) überwachen die korrekte Durchführung
- ✓ Die Dauer variiert zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden je nach Organismus
- ✓ Fehler bei der Mitose können zu Krankheiten wie Krebs führen
Was genau passiert bei der Mitose?
Bei der Mitose teilt sich eine Zelle in zwei identische Tochterzellen. Der Prozess läuft in vier Phasen ab: In der Prophase kondensieren die Chromosomen und die Kernhülle löst sich auf. In der Metaphase ordnen sich die Chromosomen in der Zellmitte an. In der Anaphase werden die Schwesterchromatiden zu den Zellpolen gezogen. In der Telophase bilden sich neue Kernhüllen und die Zellteilung wird abgeschlossen. Das Ergebnis sind zwei Zellen mit identischem genetischem Material.
Wie lange dauert eine Mitose?
Die Dauer der Mitose variiert je nach Zelltyp und Organismus. Im Durchschnitt dauert die Mitose selbst zwischen 30 Minuten und 2 Stunden. Bei menschlichen Zellen kann der gesamte Zellzyklus (einschließlich der Interphase mit G1-, S- und G2-Phase) jedoch bis zu 22 Stunden dauern. Die S-Phase, in der die DNA verdoppelt wird, nimmt dabei allein 6-8 Stunden in Anspruch. Schnell teilende Zellen wie Darmepithelzellen durchlaufen den Zyklus deutlich schneller.
Was ist der Unterschied zwischen Mitose und Meiose?
Die Mitose erzeugt zwei genetisch identische diploide Tochterzellen mit der gleichen Chromosomenzahl wie die Mutterzelle und dient dem Wachstum und der Regeneration. Die Meiose hingegen ist eine Reduktionsteilung, die vier genetisch unterschiedliche haploide Zellen (Geschlechtszellen) mit halbierter Chromosomenzahl erzeugt. Die Meiose umfasst zwei aufeinanderfolgende Teilungen (Meiose I und II) und beinhaltet genetische Rekombination durch Crossing-over, was bei der Mitose nicht vorkommt.
Warum ist die DNA-Verdopplung vor der Mitose so wichtig?
Die DNA-Verdopplung in der S-Phase des Zellzyklus ist absolut essentiell, damit beide Tochterzellen nach der Mitose einen vollständigen Chromosomensatz erhalten. Ohne diese Replikation würde jede Tochterzelle nur die Hälfte des genetischen Materials bekommen und wäre nicht lebensfähig. Durch die Verdopplung besteht jedes Chromosom aus zwei identischen Schwesterchromatiden, die dann in der Anaphase auf die beiden Tochterzellen verteilt werden. So erhält jede neue Zelle die komplette genetische Information der Mutterzelle.
Welche Rolle spielt die Mitose bei Krebs?
Bei Krebs ist die normale Kontrolle der Mitose gestört. Krebszellen umgehen die Checkpoints im Zellzyklus und teilen sich unkontrolliert, ohne auf Stoppsignale zu reagieren. Mutationen in Genen, die für die Regulation der Zellteilung zuständig sind (Tumorsuppressorgene und Onkogene), führen dazu, dass sich die Zellen endlos teilen. Viele Krebstherapien zielen daher darauf ab, die Mitose in schnell teilenden Tumorzellen zu blockieren, etwa durch Chemotherapeutika, die den Spindelapparat zerstören oder die DNA-Synthese verhindern.