Der Zellzyklus ist die geordnete Abfolge von Ereignissen, die eine Zelle vom Zeitpunkt ihrer Entstehung durch Zellteilung bis zu ihrer eigenen Teilung in zwei Tochterzellen durchläuft. Dieser fundamentale biologische Prozess ist essenziell für das Wachstum von Organismen, die Reparatur von Geweben, den Ersatz alter oder beschädigter Zellen sowie für die asexuelle Fortpflanzung. Er stellt sicher, dass das genetische Material präzise dupliziert und gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt wird, wodurch die genetische Kontinuität über Generationen von Zellen hinweg gewährleistet ist. Die korrekte Regulation des Zellzyklus ist von entscheidender Bedeutung; Fehlfunktionen können zu unkontrolliertem Zellwachstum, wie es bei Krebs auftritt, oder zum programmierten Zelltod führen.

Der Zellzyklus lässt sich grob in zwei Hauptphasen unterteilen: die Interphase und die Mitose (M-Phase). Die Interphase ist die längste Phase des Zellzyklus und umfasst die Zeit, in der die Zelle wächst, ihre DNA repliziert und sich auf die Zellteilung vorbereitet. Die Mitose hingegen ist die eigentliche Kernteilung, gefolgt von der Zytokinese, der Teilung des Zytoplasmas. Jede dieser Hauptphasen besteht aus mehreren spezifischen Unterphasen, die streng koordiniert ablaufen, um eine fehlerfreie Zellteilung zu gewährleisten.

Die Interphase wird weiter in drei Unterphasen gegliedert: G1-Phase, S-Phase und G2-Phase. In der G1-Phase (Gap 1) wächst die Zelle, synthetisiert Proteine und Organellen und bereitet sich auf die DNA-Replikation vor. Dies ist eine wichtige Phase für das Zellwachstum und die Überprüfung der zellulären Bedingungen. Zellen, die sich nicht mehr teilen oder vorübergehend ruhen, treten aus der G1-Phase in die G0-Phase ein. Die S-Phase (Synthese-Phase) ist durch die Replikation der gesamten chromosomalen DNA gekennzeichnet, wodurch aus jedem Chromosom zwei identische Schwesterchromatiden entstehen. Am Ende der S-Phase hat die Zelle die doppelte Menge an DNA. Während der G2-Phase (Gap 2) wächst die Zelle weiter, synthetisiert Proteine, die für die Mitose notwendig sind, und überprüft die replizierte DNA auf Fehler. Diese Phase dient auch als letzte Vorbereitungsphase vor dem Eintritt in die Mitose.

Die Mitose, auch als Kernteilung bekannt, ist ein komplexer Prozess, der in vier Hauptstadien unterteilt ist: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. In der Prophase kondensieren die Chromosomen und werden sichtbar, die Kernhülle beginnt sich aufzulösen und der Spindelapparat bildet sich aus. Während der Metaphase richten sich die Chromosomen in der Äquatorialebene der Zelle aus, der sogenannten Metaphasenplatte, und sind über ihre Zentromere mit den Spindelfasern verbunden. Die Anaphase ist durch die Trennung der Schwesterchromatiden gekennzeichnet, die nun als einzelne Chromosomen zu den entgegengesetzten Polen der Zelle wandern. Schließlich erreichen in der Telophase die Chromosomen die Pole, dekondensieren, neue Kernhüllen bilden sich um die beiden Chromosomensätze, und der Spindelapparat löst sich auf.

Direkt im Anschluss an die Mitose erfolgt die Zytokinese, die Teilung des Zytoplasmas, die zur Bildung von zwei voneinander unabhängigen Tochterzellen führt. Bei tierischen Zellen geschieht dies durch die Bildung eines kontraktilen Rings, der die Zelle einschnürt und teilt. Bei Pflanzenzellen wird eine Zellplatte in der Mitte der Zelle gebildet, die sich zu einer neuen Zellwand entwickelt. Die präzise Abfolge und Koordination dieser Phasen wird durch ein komplexes Netzwerk von Regulationsproteinen gesteuert, insbesondere durch Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs). Diese Proteine bilden Komplexe, die den Zellzyklus an bestimmten Kontrollpunkten (Checkpoints) überwachen und regulieren.

Es gibt mehrere kritische Kontrollpunkte im Zellzyklus, die sicherstellen, dass jede Phase korrekt abgeschlossen ist, bevor die nächste beginnt. Der G1-Checkpoint (oder Restriktionspunkt) ist der wichtigste und entscheidet, ob die Zelle sich teilt, in die G0-Phase eintritt oder den programmierten Zelltod einleitet. Der G2-Checkpoint überprüft, ob die DNA vollständig repliziert und frei von Schäden ist, bevor die Zelle in die Mitose eintritt. Der Metaphasen-Checkpoint (oder Spindel-Checkpoint) stellt sicher, dass alle Chromosomen korrekt an den Spindelfasern angeheftet sind, bevor die Anaphase beginnt. Diese Kontrollpunkte sind entscheidend, um die genomische Integrität zu wahren und die Entstehung von Krankheiten wie Krebs zu verhindern, die oft durch Mutationen in den Genen der Zellzyklusregulation verursacht werden. Die Fehlregulation dieser Prozesse kann katastrophale Folgen für den Organismus haben.