Zellteilung

Bei der Zellteilung teilen sich vor allem die Moleküle des Erbgutes. Eigentlich ist Zellteilung nicht ganz richtig, denn wir sehen uns die Teilung der Mitochondrien, Ribosomen, Lysosomen usw. gar nicht an (die teilen sich auch), sondern nur die Teilung des Zellkerns mit dem Erbmaterial zusammen.

Richtig muss es also ZellKERNteilung heißen.

Die Zellkernteilung aller Körperzellen wird benötigt für Wachstum und Regeneration und heißt Mitose.

Die Zellkernteilung der Geschlechtszellen (Ei, Spermium) dient der Fortpflanzung und heißt Meiose.

Aufbau des Erbgutes

Unser Erbgut besteht aus einem Molekül, das mehrere Millionen Einzelmoleküle, die Grundbausteine, umfasst. Es ist viel dünner als ein Haar, aber in einer Zelle mehrere Meter lang.

Der Name des gesamten großen Moleküls ist

auf deutsch: Desoxyribonukleinsäure (DNS)

auf englisch: Deoxyribonucleic acid (DNA).

DNA und DNS ist dasselbe in 2 verschiedenen Sprachen. Häufig wird die englische Version (DNA) benutzt, da die Wissenschaftssprache englisch ist.

 

Die Grundbausteine, aus denen dieses ewig lange Molekül DNA besteht, kann man in 4 Sorten einteilen:

Adenin - A

Thymin - T

Cytosin - C

Guanin - G.

 

Man bezeichnet diese 4 Bausteine als BASEN, NUCLEOTIDEN oder NUKLEINSÄUREN - alle Bezeichnungen sind möglich und meinen im Prinzip dasselbe.

A, T, C und G sind in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet. Diese Reihenfolge ist sehr wichtig, denn sie ist die verschlüsselte Information für alle unsere Merkmale. 

Hier siehst Du das Gen für die Herstellung von menschlichem Insulin:

In der Mitte der blau markierte Bereich enthält die Informationen für die Herstellung von Insulin. Links und rechts davon geht die DNA weiter und enthält andere Informationen, z.B. für die Herstellung von Verdauungsenzymen, die Hautfarbe oder die Nasenform. 

Tatsächlich liegt die DNA aber nicht als einzelner Strang vor wie in der Abbildung, sondern sie kommt doppelt vor. Dabei liegen sich stets A und T gegenüber und C und G.

Vergleiche selbst: Wenn im oberen Strang T sitzt, liegt gegenüber immer A und umgekehrt. Und wenn im oberen Strang ein C vorkommt, liegt gegenüber ein G.

Auf diese Weise wird die Information geschützt. Bricht mal eine Base in einem Strang weg, wird sie ersetzt, ohne die Information zu verändern: Durch den anderen Strang ist klar, welches Nucleotid gegenüberliegen muss.

 

Die Information für die Herstellung von Insulin auf der DNA bezeichnet man als Gen.

Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information für ein bestimmtes Merkmal enthält.

 

Die DNA liegt aber nicht nur so im Zellkern herum. Sie ist ständig am Arbeiten und gibt ihre Informationen aus ihren vielen Genen an die Zelle weiter, die ihre Befehle befolgt. So funktioniert das nicht nur mit unserer DNA, sondern mit jeder DNA in allen Zellen (auch bei Tieren, Pflanzen und Bakterien). 


Nicht für die Prüfung wichtig, aber interessant:

Wenn man sich damit beschäftigt, kommt man irgendwann zu der Frage, wie viele Gene der Mensch hat. Die Zahl ist für die gut untersuchten Organismen (Fadenwurm, Fruchtfliege) genau bekannt. Unsere eigene Zahl kennen wir aber nicht so genau, wir können nur schätzen:

Fadenwurm: 23.217 Gene 

Fruchtfliege: 13.600 Gene

Mensch: unbekannt; Schätzungen in der wissenschaftlichen Literatur: 22.000 bis 180.000 Gene

Wir wissen allerdings seit 2003, dass unsere DNA insgesamt 3,2 Milliarden Basenpaare enthält - 1,6 Milliarden auf dem einen Strang und 1,6 Milliarden auf dem anderen.

 

Noch ein interessanter, aber prüfungsunwichtiger Fakt: unsere DNA aus allen Zellen eines Menschen (ungefähr 100 Billionen haben wir im Körper) insgesamt ergibt eine Gesamtlänge von knapp 4 Millionen Mal um den Äquator!!!


Die Zahlen sind zwar interessant, aber schlussendlich nicht so wichtig. Viel wichtiger ist, wie diese Gene beschaffen sind und was sie alles können: Sie liegen nebeneinander aufgereiht und besitzen alle Informationen über den Bau eines Organismus und allen Funktionen, die ausgeübt werden.

 

Kurze Wiederholung zum Immunsystem:

Ein Partikel hat sich das zunutze gemacht - das Virus. Erinnern wir uns: Viren geben ihre genetische Information in eine Zelle ab, die sie befallen. Darin ist die Information enthalten "Stell mich her".

 

Die Zelle versteht diese Anweisung und tut, was man ihr sagt.

Organisation der DNA in Chromosomen

Im Arbeitsmodus liegt die DNA wie ein wirres Wollknäuel im Zellkern, wird geöffnet, abgelesen, geschlossen und ist ständig in Bewegung. Sobald sich die Zelle teilen soll, werden diese Vorgänge gestoppt und die DNA organisiert sich. Sie muss geordnet vorliegen, damit man sie vernünftig mit allen vorhandenen Genen halbieren kann und beide Zellen am Ende alle genetischen Informationen besitzen.

Beim Menschen wird die DNA in insgesamt 46 Chromosomen "gewickelt" (hier findest Du ein gutes Video dazu)

 

Haploid und Diploid

Der gesunde Mensch hat in seinen Körperzellen 2 vollständige Sätze von Chromosomen - eins von Papa (23 Stück) und eins von Mama (auch 23 Stück). Einen solchen doppelten Chromosomensatz (46 Stück oder 23 Paare) nennt man DIPLOID.

In den Keimzellen (Gameten: Eizelle und Spermium) gibt es immer nur einen einfachen Chromosomensatz (23 Stück). Das nennt man HAPLOID.

 

Kurz zum Merken:

Diploid: 2 Chromosomensätze, in allen Körperzellen (23 PAARE, meist als 2n bezeichnet)

Haploid: einfacher Chromosomensatz, nur in Eizelle und Spermium (23 STÜCK, meist als n bezeichnet)

 

Einbindung der DNA in Chromosomen

Zuerst wird die DNA um kugelige Proteine (= Histone) gewickelt. Dann werden diese DNA-Histon-Wicklungen schraubenförmig angeordnet. Das sind die Chromatin-Fäden. Die werden nun noch dichter gepackt zu den Chromosomen. Ein Chromosom besteht dabei aus 2 Chromatiden:

Ein Chromosom besteht aus 2 Chromatiden, die am Centromer miteinander verbunden sind. 

Der Mensch besitzt 46 solcher Chromosomen. 2 Chromosomen bilden ein Paar: wir haben also 23 Paare - 22 identische Paare und ein Geschlechtschromosomenpaar. Die Geschlechtschromosomen gibt es in 2 Ausführungen, die X und Y heißen. Eine Frau hat die Zusammenstellung XX, ein Man XY.

Und so sehen alle Chromosomen eines Mannes aus, wenn man sie sortiert und nach Größe ordnet:

Karyogramm Mann, Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/DNA_human_male_chromosomes.gif
Karyogramm Mann, Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/DNA_human_male_chromosomes.gif

Chromosomen sind die strukturierte Form der DNA, die für die Zellteilung gebildet wird.

Hier kannst Du einen virtuellen Spaziergang durch unsere Chromosomen machen. Haben sich die Schweizer ausgedacht ;-) Wenn Du den roten Schieberegler unten bewegst, kommst Du vom Zellkern über die Chromosomen zur DNA und den Proteinen. Die wichtigsten Begriffe (Gen, DNA; Chromosom usw.) sind da auch nochmal erklärt.


Mitose

Wir haben nun die Voraussetzung geschaffen, um eine Zellkernteilung (Mitose) endlich durchführen zu können.

Die Mitose verläuft grob in 5 Etappen.

Mitoseschema, By Diagrama_Mitosis.svg: Jpablo cad translation: Matt (Diagrama_Mitosis.svg) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
Mitoseschema, By Diagrama_Mitosis.svg: Jpablo cad translation: Matt (Diagrama_Mitosis.svg) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

1. Interphase

Die DNA arbeitet und liegt unstrukturiert im Zellkern vor. Es sind keine Chromosomen zu sehen, der Zellkern besitzt eine Membran. Man kann sagen, die Interphase ist die Arbeitsphase zwischen 2 Mitosen.

 

2. Prophase

Die DNA organisiert sich in Chromosomen (sie "kondensiert", sagt man).

Die Zellkernmembran wird aufgelöst.

Der Spindelapparat (= eine fadenförmige Verdichtung des Zellplasmas zwischen zwei Polen aufgespannt) erscheint. 

 

3. Metaphase

Die Chromosomen ordnen sich mit ihrem Centromer in der Äquatorialebene des Spindelapparates an und bilden so die sogenannte Äquatorialplatte.

 

4. Anaphase

Die Chromatiden werden durch Verkürzung der Spindelfasern zu den Polen gezogen.

 

5. Telophase

Die Chromatiden sind nun geordnet an den Polen konzentriert und die Zelle schnürt sich in der Mitte durch - es sind 2 Zellen entstanden.

Die Chromatiden werden nun verdoppelt,  

sodass ein gesamter Satz an Chromosomen (=diploider Chromosomensatz) in beiden Zellen vorhanden ist.

 

Nach der Teilung gehen beide Zellen wieder in die Interphase über und beginnen ihre normale Arbeit.

 

Bei einer Mitose entstehen aus einer Zelle zwei identische Tochterzellen mit diploidem (doppeltem) Chromosomensatz. 

 

Hier siehst Du einen kleinen Film ohne Sprecher. Probier das mal zuzuordnen:


Meiose

Bei der Meiose entstehen aus einer Ursprungszelle 4 Tochterzellen mit einfachem (= haploidem) Chromosomensatz.

Das liegt an der Art der Zellen, die durch Meiose gebildet werden: die Keimzellen. Bei der Befruchtung kommen dann 2 Zellen mit halbem Chromosomensatz zusammen und werden dann erst vollständig. 

 

Die Meiose findet nur in den Keimzellen statt. Sie wird auch als Reduktionsteilung bezeichnet, da hier die Anzahl der Chromosomen auf einen einfachen (=haploiden) Chromosomensatz reduziert wird.

 

Die Meiose läuft im Grunde ab wie 2 Mitosen nacheinander. 

Entsprechend werden die Phasen bezeichnet: 

Prophase I, Metaphase I, Anaphase I, Telophase I während der ersten Teilung und

in der anschließenden zweiten Teilung Prophase II, Metaphase II, Anaphase II, Telophase II .

In der ersten Teilung (sie wird Reduktionsteilung genannt) werden die beiden Chromosomen jedes Chromosomenpaares voneinander getrennt. Am Ende sind es 2 Tochterzellen mit jeweils einem Chromosom des Paares. Außerdem findet kurz davor das CROSSING OVER zur Durchmischung des Genpools statt. Dabei werden Chromatidenstücke gegeneinander getauscht. (siehe dazu die Animation etwas weiter unten) Beide Zellen teilen sich erneut. Nun werden die Chromosomen in die Chromatiden (Halbchromosomen) getrennt.

Crossing Over

Nun hat sich einmal die Genetik durchmischt. Es sind zwar auf allen Chromosomen die gleichen Gene, aber nicht ganz die gleichen. Es gibt geringe Unterschiede im jeweiligen Bauplan. So ein Stück kann mehrere Hundert bis Tausend jeweils ein bisschen unterschiedliche Gene haben. Und jedes Gen auf dem einen Chromosom ist ein ganz klitzekleines Bisschen anders als das gleiche Gen auf seinem Partnerchromosom. Die uns so groß erscheinenden Unterschiede zwischen den Menschen sind einfach durch die pure Masse an möglichen Bauplänen zustande gekommen. Schau Dir einmal an, wie viele wirklich verschiedene Haarfarben es gibt. Und allein dafür ist nur eine Handvoll Gene zuständig. 

Crossing Over wird bei allen 46 Chromosomen gemacht - überall wird ein Stück mit dem homologen Chromosom getauscht. Durch das Crossing over sind für ein Elternpaar mehr als eine Million genetische Kombinationen für ihre Nachkommen möglich!

Deshalb sehen die Kinder ihren Eltern mehr oder weniger ähnlich, aber niemals ganz gleich aus.

Die vier Tochterzellen sind deshalb, anders als bei der Mitose, genetisch nicht identisch.

So wird eine erste Durchmischung des Erbgutes erreicht und die Vielfalt des Lebens stark erhöht.


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