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Zytogenetik - Meiose, Mitose und Zellzyklus

Zellkernteilung und Reifeteilung

Zytogenetik: Was ist das?

Die Zytogenetik ist ein Teilgebiet der Genetik und beschäftigt sich mit der lichtmikroskopischen Untersuchung von Chromosomen. Bei der Zytogenetik dreht sich alles um den Zellkern, die darin enthaltenen Chromosomen sowie um Mitose und Meiose. Hier werden dir diese Begriffe und deren Zusammenhang erklärt.

Der Zellkern

Jede Zelle verfügt über eine festgelegte Erbsubstanz, die Desoxyribonukleinsäure (DNS, englisch: DNA), die bei Eukaryoten im Zellkern in Form von Chromosomen verpackt ist. Betrachtet man eine eukaryotische Zelle unter dem Mikroskop, so ist der Zellkern als kugelförmiges Gebilde deutlich erkennbar.

Der Zellkern ist von zwei Membranen umhüllt. Durch Kernporen steht der Zellkern mit der Umgebung, dem Cytosol, in Verbindung. Über die Kernporen werden ausgewählte Moleküle zwischen Zellkern und Cytosol transportiert. Dabei wird Energie verbraucht. So werden zum Beispiel mRNA-Moleküle aus dem Zellkern transportiert, während Eiweiße (Proteine) in den Zellkern befördert werden.

Die innere Membran des Zellkerns enthält Proteine, die als Bindestelle für Chromosomen und die Kernlamina dienen. Die Kernlamina ist ein Netz aus Proteinen, das die Innenseite der Membran auskleidet und sie stützt. Die äußere Membran ist ähnlich aufgebaut.

Chromosomen: DNA im Verpackungsmodus

Die Chromosomen selbst liegen den größten Teil der Zeit nicht geordnet, sondern als chaotischer, ungeordneter DNA-Knäuel vor. Der Grund: Nur im aufgelockerten, ungeordneten Zustand kann die Erbinformation abgelesen werden. Da die DNA jedoch ein sehr langes Molekül ist und der Zellkern nur begrenzten Raum bietet, liegt sie auch in der Phase zwischen den Zellteilungen in einer Verpackung vor. Die DNA-Fäden sind spiralförmig um bestimmte Proteine (Histone) gewickelt und bilden Histonkomplexe. Die Gesamtheit aus DNA-Fäden und Histonkomplexen ist das Chromatin.

Für eine Zellteilung müssen die Chromosomen jedoch eine kompaktere und geordnete Struktur annehmen. Daher verdichtet sich das Chromatin vor der Zellteilung weiter. Jedes Chromosom besteht vor der Zellteilung aus zwei identischen Chromatiden, deren DNA-Fäden jeweils mehrere Zentimeter lang sind.

Chromosomen – Bau und Funktion

Der Chromosomensatz des Menschen besteht aus 22 Autosomenpaaren und zwei Geschlechtschromosomen, den Gonosomen. Somit besitzt ein Mensch insgesamt 46 Chromosomen. Je ein Chromosom eines Chromosomenpaares kommt von der Mutter und eins vom Vater. Autosomenpaare und weibliche Geschlechtschromosomen (zwei X-Chromosomen) sind übereinstimmend (homolog). Die einzige Ausnahme ist das männliche Geschlechtschromosomenpaar, das nicht homolog ist: Es besteht aus einem X- und einem Y-Chromosom. Beide Chromosomen eines homologen Chromosomenpaares besitzen die gleichen Gene. Deswegen wird auch von einem doppelten (diploiden) Chromosomensatz gesprochen.

Zellzyklus

Bei der Teilung von Körperzellen, die zum Beispiel für Wachstums- und Erneuerungsprozesse notwendig ist, wird auch die gesamte Erbinformation an die neu entstehenden Zellen weitergegeben. Das bedeutet, dass vor der Zellteilung das genetische Material verdoppelt werden muss. Dies alles geschieht im Laufe des Zellzyklus. Dieser besteht aus der Interphase und der Mitose.

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Die Interphase bezeichnet den Zeitraum zwischen zwei Zellteilungen. Sie kann in drei Phasen eingeteilt werden: G1-Phase, S-Phase und G2-Phase. Mittelpunkt der G1-Phase ist die Proteinsynthese und das Wachstum der Zelle. In der S-Phase erfolgt die DNA-Verdopplung. Hier werden also die Chromatiden der Chromosomen verdoppelt, sodass Chromosomen mit zwei Chromatiden, die Zwei-Chromatid-Chromosomen, vorliegen. In der G2-Phase findet eine Ruhepause statt. Danach ist die Zelle bereit für eine weitere Zellteilung und der damit verbundenen Mitose, der Teilung des Zellkerns. Es gibt auch Zellen, die sich nicht noch einmal teilen. Sie gehen nach der Mitose in die G0-Phase über.

Mitose: Die Zellkernteilung

Unter dem Begriff Mitose versteht man den Vorgang der Zellkernteilung. Diese geschieht im Rahmen der Zellteilung von eukaryotischen Zellen. Die Mitose wird anhand des Zustands der Chromosomen in unterschiedliche Phasen unterteilt: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Der Zeitraum zwischen Ende und Beginn der Mitose wird als Interphase bezeichnet, zählt streng genommen aber nicht zum eigentlichen Ablauf der Mitose. Als Ergebnis der Mitose und anschließenden Zellteilung entstehen aus einer Zelle zwei identische Tochterzellen. Dies ist wichtig, denn beide Tochterzellen sollen genau dieselben Erbinformationen enthalten wie die Mutterzelle. Deshalb müssen sich die Chromosomen vor der Zellkernteilung verdoppeln. Dieser Vorgang heißt Replikation. Die Zellkernteilung und die Zellteilung sind aneinander gekoppelt.

Ablauf der Mitose

Die eigentliche Mitose besteht aus den Phasen Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Vor der Mitose steht noch die Interphase, während der es zur Verdopplung der Chromatiden kommt. Die Kombination aus Interphase und Mitose wird auch als Zellzyklus bezeichnet.

Prophase

In der Prophase ziehen sich die Chromosomen zusammen. So haben sie eine kompakte Form und können leichter transportiert werden. An den Zellpolen bildet sich der Spindelapparat aus. Die Kernhülle löst sich am Ende der Prophase auf.

Metaphase

Während der Metaphase sind die Chromosomen maximal verkürzt und besitzen die X-Form, die man mit ihnen assoziiert. Die Chromosomen rücken dann in die Mitte zwischen die beiden Pole der Zelle. Dieser Bereich wird als Äquatorialebene oder Äquatorialplatte bezeichnet. Die Spindelfasern des Spindelapparats haften sich von beiden Seiten an das Centromer, einen Bereich in der Mitte des Chromosoms. Dadurch verbindet sich das eine Chromatid mit dem Spindelapparat an einem Pol der Zelle und das andere Chromatid verbindet sich gleichermaßen mit dem Spindelapparat am anderen Pol der Zelle.

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Anaphase

Die Trennung der beiden Schwesterchromatiden, also der identischen Kopie und des Originals, erfolgt in der Anaphase. Die Spindelfasern verkürzen sich. Dadurch ziehen sie die Chromosomen mit dem Centromer voran zu den Zellpolen. Jede Seite der Zelle besitzt nun einen Satz an Ein-Chromatid-Chromosomen. Die Spindelfasern werden abgebaut.

Telophase

Die Chromatiden entschrauben sich in der Telophase wieder. Die Spindelfasern lösen sich vollständig auf. Es entstehen neue Kernhüllen. Beide Zellkerne enthalten nun Ein-Chromatid-Chromosomen, aber trotzdem den vollständigen Chromosomensatz.

Die eigentliche Teilung der Zelle in zwei Tochterzellen durch eine Zellmembran erfolgt erst während der Cytokinese, welche auf die Mitose folgt. Währenddessen werden die Zellorganellen, also die Bestandteile der Zellen, zum Beispiel Mitochondrien und Chloroplasten, auf die Tochterzellen aufgeteilt. Diese vermehren sich aber unabhängig von der Kernteilung.

Meiose: Die Reife- oder Reduktionsteilung

Im Unterschied zur Mitose halbiert sich bei der Meiose (übersetzt: Verminderung, Verkleinerung) der Chromosomensatz. Die Meiose wird auch als Reife- oder Reduktionsteilung bezeichnet. Der Chromosomensatz ist nicht mehr diploid, sondern nur noch haploid. Jeder der Tochterzellen wird bei der Meiose nur ein homologer Partner eines Chromosomenpaares zugeteilt.

Die Meiose ist die Voraussetzung für die sexuelle Fortpflanzung, da sich der Chromosomensatz ansonsten von Generation zu Generation verdoppeln würde. Die Meiose läuft immer in zwei Teilungsschritten (Meiose I und II) ab, wobei der zweite Meiose-Schritt ähnlich einer Mitose verläuft. Am Ende der Meiose hat sich eine diploide Körperzelle in vier haploide Keimzellen mit je 23 Chromosomen geteilt.

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Beim Menschen bezeichnet man diese Keimzellen bei den Männern als Spermien und bei den Frauen als Eizellen. Nach dem Geschlechtsverkehr zwischen Mann und Frau verschmelzen im Zuge der Befruchtung ein Spermium und eine Eizelle zu einer neuen Zelle, der Zygote (befruchtete Eizelle). Die Zygote enthält eine neue genetische Ausstattung, die zur Hälfte vom Mann und zur Hälfte von der Frau stammt. Neues Leben kann entstehen.

Ablauf der Meiose

Erste Reifeteilung: Meiose I

Die erste Reifeteilung kann in die Phasen Prophase 1, Metaphase 1, Anaphase 1 und Telophase 1 unterteilt werden. Es kommt zur Reduktion des Chromosomensatzes auf den haploiden Chromosomensatz.

Prophase 1

Die Chromosomen spiralisieren sich in der Prophase 1. Die homologen Chromosomen ordnen sich parallel zueinander an und bilden ein Bivalent. Es kann zu einer Überkreuzung der Chromatiden kommen. Die Kontaktstelle wird als Chiasma bezeichnet. Zur Überkreuzung kommt es durch Crossing-over, auch Chromosomenstückaustausch genannt. Dabei werden Chromosomenstücke zwischen mütterlichen und väterlichen Chromosomen ausgetauscht.

Metaphase 1

In der Metaphase 1 kommt es zur Anordnung der Chromosomen an der Äquatorialebene, die Kernmembran ist aufgelöst. Die Spindelfasern lagern sich an den Centromeren der Chromosomen an.

Anaphase 1

Es kommt zur Verkürzung der Spindelfasern, die Chromosomen werden zu den Spindelpolen gezogen. Die Aufteilung der ursprünglich väterlichen und mütterlichen Chromosomen auf die Tochterzelle läuft zufällig ab. So werden neue Kombinationen (Rekombinationen) gebildet.

Telophase 1

Es bilden sich zwei neue Kernhüllen, zwei haploide Zellen liegen vor.

Zweite Reifeteilung: Meiose II

Die erste und zweite Reifeteilung werden durch die Interkinese, einem Stadium zwischen den beiden Teilungen, getrennt. Die zweite Reifeteilung dient der Trennung der Schwesterchromatiden der Chromosomen. Sie verläuft ähnlich zur Mitose, die Phasen werden als Prophase 2, Metaphase 2, Anaphase 2 und Telophase 2 bezeichnet. Am Ende der zweiten Reifeteilung liegen vier haploide Zellen mit Ein-Chromatid-Chromosomen vor, gebildet aus einer diploiden Zelle.

Mitose vs. Meiose: Gemeinsamkeiten und Unterschiede

Ablauf

Während die Mitose in die Phasen Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase unterteilt wird, besteht die Meiose aus der ersten und der zweiten Reifeteilung. Alle Phasen liegen daher doppelt vor: Prophase 1 und 2, Metaphase 1 und 2, Anaphase 1 und 2 und Telophase 1 und 2.

Ziel und Bedeutung

Bei der Mitose, auch Zellkernteilung, werden zwei diploide Tochterzellen gebildet, welche genetisch vollkommen identisch zur Mutterzelle vorliegen. Dies ist notwendig zur Vermehrung von Zellen. Die Meiose hingegen, auch Reife- oder Reduktionsteilung genannt, hat eine andere Aufgabe: Sie dient der Bildung neuer Keim- oder Geschlechtszellen. Es entstehen vier haploide Tochterzellen, welche nicht mehr genetisch identisch zur Mutterzelle sind. Durch Crossing-over und zufällige Aufteilung der Chromosomen kommt es zu Rekombinationen.

Erbkrankheiten: Trisomie 21 oder Down-Syndrom

Manchmal kommt es bei der Weitergabe von Erbinformationen zu Fehlern, etwa bei der Chromosomenverteilung in der Meiose. Diese werden unter Umständen an die Kinder weitergegeben. Einer der bekanntesten Chromosomenfehler ist die Trisomie 21, auch Down-Syndrom genannt. Bei Menschen mit Down-Syndrom kommt das Chromosom 21 dreimal vor. Sie besitzen insgesamt 47 statt 46 Chromosomen. Die Folgen sind geistige Behinderungen sowie Fehlbildungen innerer Organe, wie Herzfehler oder Darmfehlbildungen und Seh- sowie Hörstörungen.