Der Zellzyklus: Interphase und Mitose
Vertiefung zum ThemaZellteilung
Eine Zelle teilt sich nicht einfach, wenn ihr danach ist. Sie folgt einem festen Fahrplan mit Haltestellen und Ampeln: dem Zellzyklus. Wer diesen Ablauf versteht, kann nicht nur jede Klausurfrage zu G1, S und G2 beantworten, sondern auch erklären, warum Krebszellen aus dem Takt geraten.
Kurz gesagt
Der Zellzyklus (auch Zellteilungszyklus) ist die Abfolge der Phasen, die eine Zelle von einer Teilung bis zur nächsten durchläuft: G1 (Wachstum), S (DNA-Verdopplung), G2 (Vorbereitung) und M (Mitose und Zytokinese). G1, S und G2 bilden zusammen die Interphase. An Kontrollpunkten prüft die Zelle, ob sie weitermachen darf. Zellen, die sich nicht mehr teilen, wechseln aus G1 in die Ruhephase G0.
Das lernst du hier
- die Phasen des Zellzyklus beschreiben und ihre Aufgaben zuordnen,
- die drei wichtigsten Kontrollpunkte erklären: Was wird dort geprüft?
- die Dauer einzelner Phasen aus Daten berechnen und vergleichen,
- die Folgen einer gestörten Zellzyklus-Kontrolle beurteilen.
Die Phasen des Zellzyklus im Detail
Der Zellzyklus beginnt per Konvention direkt nach einer Teilung. Die frisch entstandene Tochterzelle startet in der G1-Phase. Das G steht für englisch „gap“, Lücke: Frühe Mikroskopiker sahen zwischen zwei Teilungen im Zellkern scheinbar nichts passieren. Heute weiß man, dass genau hier am meisten los ist. Die Zelle wächst, bildet Proteine und Organellen und erledigt ihre eigentliche Arbeit im Gewebe, etwa als Leberzelle oder Hautzelle.
In der S-Phase (S für Synthese) kopiert die Zelle ihre gesamte DNA. Danach besteht jedes Chromosom aus zwei identischen Schwesterchromatiden. Die Zahl der Chromosomen bleibt dabei gleich, nur die DNA-Menge verdoppelt sich. Wie man das mit den Angaben n und c sauber beschreibt, zeigt die Seite n und c: Chromosomensatz und DNA-Gehalt. In der G2-Phase wächst die Zelle weiter, bildet Proteine für die Teilung und prüft, ob die Kopie vollständig ist. In der M-Phase folgt dann die eigentliche Zellteilung: zuerst die Kernteilung (Mitose), dann die Teilung des Zellplasmas (Zytokinese). Bei der Bildung von Keimzellen läuft statt der Mitose eine Meiose ab; worin sich beide unterscheiden, zeigt die Seite Mitose und Meiose: der Unterschied.
| Phase | Was passiert? | Chromosomen bestehen aus … |
|---|---|---|
| G1 | Wachstum, Proteinbildung, normale Arbeit der Zelle; Entscheidung, ob sie sich erneut teilt | je einem Chromatid |
| S | Replikation der DNA | erst einem, am Ende zwei Chromatiden |
| G2 | weiteres Wachstum, Vorbereitung der Teilung, Kontrolle der Kopie | je zwei Chromatiden |
| M | Mitose (Pro-, Meta-, Ana-, Telophase) und Zytokinese | zwei Chromatiden, ab der Anaphase je einem |
| G0 | Zelle arbeitet, teilt sich aber nicht (außerhalb des Zyklus) | je einem Chromatid |
Kontrollpunkte im Zellzyklus: Wann darf die Zelle weiter?
Eine Teilung mit beschädigter oder unvollständiger DNA wäre fatal: Beide Tochterzellen würden den Fehler erben. Deshalb ist der Zellzyklus mit Kontrollpunkten gesichert, an denen die Zelle wie an einer Ampel anhält, bis alles stimmt. Drei davon solltest du kennen (Abb. 1):
- Restriktionspunkt in der späten G1-PhaseHier fällt die wichtigste Entscheidung: Teilen oder nicht? Bei tierischen Zellen geben vor allem Wachstumsfaktoren von außen den Ausschlag. Ist die DNA beschädigt, hält das Protein p53 den Zyklus an. Hat die Zelle den Restriktionspunkt einmal passiert, läuft der Zyklus bis zur Teilung weiter, auch wenn keine Wachstumsfaktoren mehr kommen. Fehlen die Signale vorher, wechselt die Zelle in die Ruhephase G0.
- G2-Kontrollpunkt vor der MitoseDie Zelle prüft, ob die gesamte DNA kopiert und unbeschädigt ist. Wenn nicht, bleibt sie in G2, bis die Replikation abgeschlossen oder der Schaden repariert ist.
- Spindelkontrollpunkt in der MetaphaseErst wenn alle Chromosomen korrekt am Spindelapparat hängen, dürfen sich die Schwesterchromatiden trennen. Wie dieser Kontrollpunkt molekular funktioniert, erklärt die Seite Spindelapparat.
Den Takt geben zwei Gruppen von Proteinen vor: Cycline und cyclinabhängige Kinasen (CDK). Eine CDK ist ein Enzym, das andere Proteine mit Phosphatgruppen markiert und sie so an- oder abschaltet. Aktiv ist sie nur, wenn ein Cyclin an sie gebunden ist. Weil die Cycline im Lauf des Zyklus gebildet und wieder abgebaut werden, entstehen Wellen von CDK-Aktivität, die die Zelle von Phase zu Phase schieben.
Wusstest du?
Für die Entdeckung dieser Steuerproteine gab es 2001 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Leland Hartwell fand mit Bäckerhefe Gene, die den Zellzyklus steuern, und prägte die Idee der Kontrollpunkte. Paul Nurse entdeckte in Spalthefe eine Schlüssel-CDK, Tim Hunt in Seeigel-Eiern das erste Cyclin. Schon 2001 waren beim Menschen etwa ein halbes Dutzend CDKs und rund zehn Cycline bekannt.
Wie lange dauert ein Zellzyklus?
Die Dauer schwankt enorm. Eine sich schnell teilende menschliche Zelle in Zellkultur braucht etwa 24 Stunden. Davon entfallen laut dem Lehrbuch von Geoffrey Cooper rund 11 Stunden auf G1, 8 auf S, 4 auf G2 und nur etwa 1 Stunde auf die M-Phase. Knospende Hefezellen schaffen einen kompletten Zyklus in etwa 90 Minuten. Am schnellsten sind frühe Embryonen kurz nach der Befruchtung: Ihre Zyklen dauern 30 Minuten oder weniger, weil die Wachstumsphasen fast ganz wegfallen. Die Eizelle hat ja schon genug Material für viele Teilungen.
Am stärksten unterscheidet sich die Länge der G1-Phase. S, G2 und M dauern bei vielen Zelltypen ähnlich lange. Viele Zellen im Körper verlassen den Zyklus sogar ganz und gehen in die G0-Phase. Hautfibroblasten zum Beispiel, Zellen des Bindegewebes, bleiben dort, bis eine Wunde sie wieder zur Teilung anregt.
Aus der Dauer der Phasen folgt etwas Praktisches: In einem Gewebe, in dem sich die Zellen unabhängig voneinander teilen, findest du in jeder Phase umso mehr Zellen, je länger diese Phase dauert. Bei 1 von 24 Stunden in M sind nur gut 4 % der Zellen gerade in Teilung. Umgekehrt kannst du aus ausgezählten Anteilen die Dauer der Phasen abschätzen. Wie das geht, zeigt die Seite Mitoseindex berechnen.
Typische Fehler
- „G steht für Gap, also passiert da nichts.“ Der Name stammt aus der Zeit, als man nur die Teilung sehen konnte. In G1 und G2 wächst und arbeitet die Zelle auf Hochtouren.
- „In der S-Phase verdoppeln sich die Chromosomen.“ Verdoppelt wird die DNA. Die Chromosomenzahl bleibt gleich, jedes Chromosom besteht danach aus zwei Chromatiden.
- „G0 ist eine Phase im Zyklus.“ G0 liegt außerhalb des Zyklus. Manche Zellen kehren aus G0 zurück, andere, wie viele Nervenzellen, bleiben dauerhaft dort.
- „Der Zellzyklus beginnt mit der Mitose.“ Üblich ist die Zählung ab G1, direkt nach der Teilung. In Klausuren daher immer G1 → S → G2 → M.
Wenn die Kontrolle versagt: Zellzyklus und Krebs
Krebszellen haben ihre Ampeln umgangen. Sie teilen sich ohne Wachstumssignal, überfahren Kontrollpunkte und sterben nicht, wenn ihre DNA beschädigt ist. Ursache sind Mutationen in genau den Genen, die den Zellzyklus steuern. Ein Beispiel ist das Gen für p53: Fällt dieser Wächter am Restriktionspunkt aus, häufen sich Fehler mit jeder Teilung an. Bei vielen Krebsarten ist p53 verändert.
Wichtig ist der Unterschied zwischen schnell und unkontrolliert. Krebszellen teilen sich nicht unbedingt schneller als gesunde Zellen im Darm oder im Knochenmark. Entscheidend ist, dass sie nicht mehr aufhören. Viele Medikamente gegen Krebs greifen deshalb in den Zellzyklus ein, zum Beispiel indem sie die Mitose blockieren. Sie treffen aber auch gesunde Gewebe, in denen sich viele Zellen teilen. Wie die Kontrolle durch Gaspedal- und Bremsgene aussieht, beschreibt die Hauptseite zur Zellteilung im Überblick.
Merke
Zellzyklus = G1 → S → G2 → M. G1, S und G2 bilden die Interphase. Kontrollpunkte in G1 (Restriktionspunkt), am Übergang G2/M und in der Metaphase (Spindelkontrollpunkt) verhindern, dass sich eine Zelle mit Fehlern teilt. Cycline und CDKs treiben den Zyklus an. Wer die Kontrolle verliert, kann zur Krebszelle werden.
Vertiefung Oberstufe: Wie Cycline und CDKs den Zyklus antreiben
Die Steuerung des Zellzyklus wurde an ganz unterschiedlichen Organismen entschlüsselt. Leland Hartwell isolierte um 1970 Mutanten der Bäckerhefe, die an bestimmten Stellen des Zyklus stecken blieben, und fand so mit der Zeit über hundert sogenannte cdc-Gene (cell division cycle). Eines davon steuert den Schritt durch G1, den er „Start“ nannte. Paul Nurse entdeckte Mitte der 1970er-Jahre in Spalthefe das Gen cdc2, das den Übergang von G2 in die Mitose kontrolliert. Es stellte sich als dasselbe Gen heraus wie Hartwells Start-Gen. 1987 fand Nurse das entsprechende menschliche Gen, heute CDK1 genannt. Tim Hunt bemerkte Anfang der 1980er-Jahre in Seeigel-Eiern ein Protein, das bei jeder Teilung abgebaut und danach neu gebildet wird: das erste Cyclin.
Das Prinzip ist bei Hefe und Mensch gleich: Die Menge der CDKs bleibt ungefähr konstant, die der Cycline schwankt. Verschiedene Cyclin-CDK-Paare sind in verschiedenen Phasen aktiv. Ein Paar treibt die Zelle über den Restriktionspunkt in die S-Phase, ein anderes, aus CDK1 und einem Cyclin vom Typ B, startet die Mitose. Zusätzlich wird die CDK-Aktivität über das Anhängen und Abspalten von Phosphatgruppen an der CDK selbst fein reguliert.
Am Ende der Metaphase werden Cycline gezielt markiert und abgebaut. Dadurch sinkt die CDK-Aktivität, die Zelle beendet die Mitose und kehrt in G1 zurück. Der Abbau ist eine Einbahnstraße: Abgebaute Proteine lassen sich nicht zurückverwandeln. So ist sichergestellt, dass der Zyklus immer nur in eine Richtung läuft und jede Phase genau einmal pro Durchgang stattfindet.
Fachbegriffe
- Zellzyklus
- Abfolge der Phasen G1, S, G2 und M von einer Zellteilung bis zur nächsten.
- Interphase
- Zusammenfassung von G1, S und G2: die Zeit zwischen zwei Teilungen.
- Kontrollpunkt
- Prüfstelle im Zellzyklus, an der die Zelle anhält, bis Voraussetzungen wie intakte DNA erfüllt sind.
- Restriktionspunkt
- Entscheidungspunkt spät in G1; danach ist die Zelle auf die Teilung festgelegt.
- Cyclin
- Protein, dessen Menge im Zyklus schwankt und das cyclinabhängige Kinasen aktiviert.
- CDK
- Cyclinabhängige Kinase: Enzym, das mit einem Cyclin andere Proteine phosphoryliert und so den Zyklus vorantreibt.
Aufgaben
AFB I Wissen wiedergeben AFB II Anwenden AFB III Beurteilen
- AFB IBeschreibe die vier Phasen des Zellzyklus in der richtigen Reihenfolge und nenne für jede eine typische Aufgabe.
Lösung anzeigen
G1: Wachstum, Bildung von Proteinen und Organellen, normale Arbeit der Zelle. S: Verdopplung der DNA (Replikation). G2: weiteres Wachstum, Bildung von Proteinen für die Teilung, Kontrolle der DNA-Kopie. M: Kernteilung (Mitose) und Teilung des Zellplasmas (Zytokinese).
- AFB IIBerechne: Ein Zellzyklus dauert 20 Stunden. In einem Gewebe befinden sich 50 % der Zellen in G1, 30 % in S, 15 % in G2 und 5 % in M. Gib die Dauer jeder Phase an und nenne die Voraussetzung für diese Rechnung.
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G1: 0,50 · 20 h = 10 h. S: 0,30 · 20 h = 6 h. G2: 0,15 · 20 h = 3 h. M: 0,05 · 20 h = 1 h. Voraussetzung: Die Zellen teilen sich unabhängig voneinander, nicht im Gleichtakt. Nur dann entspricht der Anteil der Zellen in einer Phase dem Anteil dieser Phase an der Gesamtdauer (näherungsweise).
- AFB IIErkläre, warum eine Zelle mit einem DNA-Schaden in der G1-Phase angehalten wird, und nenne zwei mögliche Folgen für die Zelle.
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In der S-Phase würde der Schaden kopiert und bei der Teilung an beide Tochterzellen weitergegeben. Am Restriktionspunkt stoppt daher unter anderem p53 den Zyklus. Mögliche Folgen: Der Schaden wird repariert und der Zyklus läuft weiter, oder die Zelle löst den programmierten Zelltod aus beziehungsweise teilt sich nicht mehr.
- AFB IIErläutere, warum frühe Embryonen Zellzyklen von unter 30 Minuten haben können, eine Hautzelle in Zellkultur aber etwa 24 Stunden braucht.
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Die Zellen früher Embryonen müssen kaum wachsen: Die große Eizelle enthält genug Vorräte, die bei jeder Teilung nur auf kleinere Zellen verteilt werden. G1 und G2 fallen deshalb fast weg, die Zyklen bestehen im Wesentlichen aus S und M. Körperzellen müssen vor jeder Teilung wieder auf ihre Größe heranwachsen und Kontrollpunkte passieren; vor allem G1 dauert deshalb lange.
- AFB IIIBeurteile die Aussage: „Krebs entsteht, weil sich Zellen zu schnell teilen.“
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Die Aussage greift zu kurz. Viele gesunde Zellen, etwa in Darmschleimhaut oder Knochenmark, teilen sich sehr häufig, ohne Krebs zu bilden. Entscheidend ist der Verlust der Kontrolle: Krebszellen teilen sich ohne äußeres Signal, ignorieren Kontrollpunkte trotz DNA-Schäden und sterben nicht ab. Ursache sind Mutationen in Genen, die den Zellzyklus steuern, zum Beispiel im p53-Gen. Eine hohe Teilungsrate kann ein Tumorwachstum beschleunigen, ist aber nicht die Ursache. Besser wäre: „Krebs entsteht, wenn Zellen sich unkontrolliert teilen.“
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Quellen & Stand
- Cooper, G. M.: The Cell: A Molecular Approach, 2. Auflage, Sinauer 2000, Kapitel The Eukaryotic Cell Cycle (NCBI Bookshelf).
- Nobelprize.org: Pressemitteilung zum Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2001 (Hartwell, Hunt, Nurse).
- Cooper, G. M.: The Cell: A Molecular Approach, 2. Auflage, Sinauer 2000, Kapitel The Events of M Phase (NCBI Bookshelf).
Stand: Oktober 2026.