Der Zellzyklus
Der Zellzyklus ist die Folge von Vorgängen, in denen eine Zelle ihr Erbgut kopiert, ihre anderen Teile herstellt und sich in zwei Tochterzellen teilt. Die DNA wird nur in einer Phase kopiert, aber die Zelle wächst die ganze Zeit. Eine typische menschliche Zelle in Kultur teilt sich etwa alle 24 Stunden; Hefe braucht etwa 90 Minuten.
Zwei Hauptphasen
- Interphase (etwa 95 % der Zeit) – die Zelle bereitet sich vor. Es ist keine Ruhephase.
- G1 (Gap 1, Lücke 1): die Zelle ist aktiv und wächst, kopiert aber keine DNA.
- S (Synthese): die DNA wird kopiert. Wenn die Start-DNA 2C beträgt, wird sie zu 4C, aber die Zahl der Chromosomen ändert sich nicht (2n bleibt 2n). In Tierzellen verdoppelt sich auch das Zentriol.
- G2 (Gap 2): Proteine für die Mitose werden gebildet und das Wachstum geht weiter.
- M-Phase (Mitose, etwa 1 Stunde in einer menschlichen Zelle) – Karyokinese (der Zellkern teilt sich), danach Zytokinese (das Zellplasma teilt sich).
G0 – die ruhende Phase
Manche Zellen hören auf, sich zu teilen (zum Beispiel Herzzellen von Erwachsenen), und verlassen G1, um in G0 einzutreten. Sie bleiben am Leben und erledigen ihre Arbeit, teilen sich aber nur, wenn es nötig ist. Bei Tieren findet Mitose nur in diploiden Körperzellen (somatischen Zellen) statt, Pflanzen können sich aber durch Mitose in haploiden und diploiden Zellen teilen.
Mitose: die Äquationsteilung
Bei der Mitose ist die Chromosomenzahl der Tochterzellen gleich der der Mutterzelle, deshalb heißt sie Äquationsteilung. Die Phasen:
- Prophase: das Chromatin verdichtet sich zu Chromosomen, jedes mit zwei Chromatiden, die am Zentromer zusammenhängen. Das Zentrosom, das in der Interphase kopiert wurde, wandert zu den entgegengesetzten Polen und bildet Spindelfasern (Asteren). Am Ende sind Golgi-Apparat, ER, Nucleolus und Kernhülle nicht mehr sichtbar.
- Metaphase: die Kernhülle ist verschwunden; die Chromosomen sind vollständig verdichtet – die beste Phase, um ihre Form zu untersuchen. Spindelfasern setzen an den Kinetochoren an (kleine Scheiben am Zentromer). Alle Chromosomen ordnen sich am Äquator an: die Metaphasenplatte.
- Anaphase: die Zentromere teilen sich, die Chromatiden trennen sich und wandern zu den entgegengesetzten Polen, das Zentromer voran, die Arme hinterher.
- Telophase: die Chromosomen erreichen die Pole und lockern sich zu Chromatin. Kernhülle, Nucleolus, Golgi-Apparat und ER bilden sich neu.
Zytokinese
In Tierzellen entsteht eine Furche in der Membran, die sich vertieft, bis sich die Zelle in zwei Teile abschnürt. In Pflanzenzellen kann sich die Wand nicht einschnüren, deshalb bildet sich in der Mitte eine Zellplatte, die nach außen zu den Seitenwänden wächst; sie wird zur Mittellamelle. Organellen wie Mitochondrien und Plastiden werden auf die beiden Zellen verteilt. Folgt auf die Karyokinese keine Zytokinese, entsteht eine vielkernige Zelle – ein Synzytium, z. B. das flüssige Endosperm der Kokosnuss.
Meiose: die Reduktionsteilung
Meiose findet in diploiden Zellen statt, aus denen Keimzellen (oder bei Pflanzen Sporen) entstehen. Sie hat zwei Teilungen (Meiose I und II), aber nur eine DNA-Kopierrunde. Ergebnis: vier haploide (n) Zellen.
Meiose I
- Prophase I (lang und kompliziert, fünf Unterphasen):
- Leptotän – die Chromosomen werden als Fäden sichtbar.
- Zygotän – homologe Chromosomen legen sich paarweise zusammen (Synapsis) mithilfe des synaptonemalen Komplexes. Ein Paar heißt Bivalent oder Tetrade (4 Chromatiden).
- Pachytän – Crossing-over: Nicht-Schwesterchromatiden homologer Chromosomen tauschen an Rekombinationsknoten Stücke aus. Das Enzym Rekombinase hilft dabei. So werden Gene neu kombiniert.
- Diplotän – der synaptonemale Komplex löst sich auf und die Homologen beginnen sich zu trennen, außer an X-förmigen Stellen, den Chiasmata. In den Eizellen mancher Wirbeltiere kann das Diplotän Monate oder Jahre dauern.
- Diakinese – die Chiasmata wandern zu den Enden (Terminalisation); die Spindel bildet sich; Nucleolus und Kernhülle verschwinden.
- Metaphase I: die Bivalente ordnen sich am Äquator an.
- Anaphase I: homologe Chromosomen trennen sich und wandern zu entgegengesetzten Polen, während die Schwesterchromatiden am Zentromer zusammenbleiben.
- Telophase I: die Kerne können sich neu bilden; die Zytokinese ergibt eine Dyade aus zwei Zellen. Die kurze Pause vor der Meiose II heißt Interkinese – keine DNA-Kopie.
Meiose II
Sehr ähnlich wie die Mitose: Prophase II, Metaphase II (Chromosomen am Äquator), Anaphase II (Zentromere teilen sich, Schwesterchromatiden trennen sich), Telophase II. Ergebnis: eine Tetrade aus vier haploiden Zellen.
Mitose und Meiose im Vergleich
| Mitose | Meiose |
|---|---|
| Eine Teilung | Zwei Teilungen |
| 2 Tochterzellen | 4 Tochterzellen |
| 2n → 2n (Äquationsteilung) | 2n → n (Reduktion in der Meiose I) |
| Keine Paarung, kein Crossing-over | Synapsis und Crossing-over in der Prophase I |
| Töchter gleichen der Mutterzelle | Töchter sind verschieden (Vielfalt) |
| Körperzellen (somatisch) | Zellen, die Keimzellen/Sporen bilden |
Chromosomen- und DNA-Menge im Zellzyklus
Regel: Zahl der Chromosomen = Zahl der Zentromere. "C" ist die DNA-Menge eines haploiden Satzes vor dem Kopieren.
| Phase | Chromosomen | DNA |
|---|---|---|
| G1 | 2n | 2C |
| Nach S, G2, Prophase, Metaphase | 2n (jedes mit 2 Chromatiden) | 4C |
| Anaphase der Mitose (ganze Zelle) | 4n (Chromatiden jetzt getrennt) | 4C |
| Jede Tochter nach der Mitose | 2n | 2C |
| Jede Zelle nach der Meiose I | n (jedes mit 2 Chromatiden) | 2C |
| Jede Zelle nach der Meiose II | n | C |
Bedeutung von Mitose und Meiose
Mitose
- Hält die Chromosomenzahl gleich, sodass alle Körperzellen dieselben Gene haben.
- Wachstum vielzelliger Lebewesen.
- Reparatur von Wunden und Ersatz von Zellen, z. B. der obersten Hautschicht, der Darmschleimhaut und der Blutzellen.
- Stellt das Verhältnis von Zellkern zu Zellplasma wieder her, wenn eine Zelle zu groß wird.
- Bei Pflanzen sorgt die Mitose in den Meristemen (Spitzen- und Seitenkambium) für ständiges Wachstum.
- Ungeschlechtliche Fortpflanzung bei vielen Lebewesen.
Meiose
- Hält die Chromosomenzahl von Generation zu Generation gleich: n (Eizelle) + n (Spermium) = 2n (Zygote).
- Erzeugt genetische Vielfalt durch Crossing-over und zufällige Verteilung der Chromosomenpaare – der Rohstoff der Evolution.
Probier es aus: Chromosomen zählen wie ein Biologe
Nimm 4 lange und 4 kurze Stücke Wolle oder Pfeifenreiniger – in zwei Farben, eine für "Mutter" und eine für "Vater". Jedes Paar (ein langes rotes + ein langes blaues) ist ein homologes Paar, also 2n = 4. Spiele die Mitose nach: Lege neben jedes Stück eine Kopie (S-Phase), richte sie aus, ziehe die Kopien auseinander – zähle 4 in jeder neuen "Zelle". Spiele nun die Meiose nach: Lege lang zu lang und kurz zu kurz, tausche ein kleines Stück Wolle aus (Crossing-over), ziehe ganze Paare auseinander, dann teile noch einmal – zähle 2 in jeder von 4 Zellen. Prüfe dein Ergebnis mit dem Regler in Schritt 6 der 3D-Szene.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Zellzyklus: G1 → S → G2 → M (Interphase = G1 + S + G2)
- S-Phase: DNA 2C → 4C; Chromosomenzahl bleibt 2n
- Mitose: PMAT – Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase; 1 Zelle → 2 Zellen, 2n → 2n
- Meiose: 1 Zelle → 4 Zellen, 2n → n; einmal DNA kopieren, zwei Teilungen
- Prophase I: Leptotän → Zygotän → Pachytän → Diplotän → Diakinese
- Chromosomen = Zahl der Zentromere; Chromatiden = 2 × Chromosomen nach S (bis zur Anaphase)
- Bivalent (Tetrade) = 1 homologes Paar = 2 Chromosomen = 4 Chromatiden
- Zellen aus 1 Zelle durch Mitose: N = 2^k nach k Runden
Gelöste Beispiele
1. Eine Pflanzenzelle hat in G1 2n = 16. Gib Chromosomenzahl und DNA-Menge an (G1-DNA = 2C) in (a) G2, (b) jeder Tochterzelle nach der Mitose.
(a) G2: DNA kopiert, also 4C; Chromosomen weiterhin 16 (jedes mit 2 Chromatiden). (b) Jede Tochterzelle: 16 Chromosomen, 2C.
2. Eine Zelle mit 2n = 24 durchläuft die Meiose. Wie viele Chromosomen hat jede Zelle nach der Meiose I und nach der Meiose II?
Die Meiose I halbiert die Zahl: 12 (jedes mit 2 Chromatiden). Die Meiose II trennt die Chromatiden, behält aber die Zahl: 12 in jeder der 4 Zellen.
3. Wie viele Bivalente bilden sich in der Prophase I einer menschlichen Zelle (2n = 46)? Wie viele Chromatiden sind das?
Bivalente = n = 23. Jedes hat 4 Chromatiden, also 23 × 4 = 92 Chromatiden.
4. Eine Zelle teilt sich 5-mal hintereinander durch Mitose (alle Töchter teilen sich jedes Mal). Wie viele Zellen entstehen?
Jede Runde verdoppelt die Zahl: 2⁵ = 32 Zellen.
5. Wie viele meiotische Teilungen braucht man für 100 Pollenkörner? (Jede Meiose ergibt 4.)
100 ÷ 4 = 25 meiotische Teilungen (25 Meiozyten).
6. Ein Zellzyklus dauert 24 Stunden. Auf einem Präparat mit 100 sich teilenden Zellen sind 4 in der M-Phase. Schätze, wie lange die M-Phase dauert.
Der Anteil der Zellen in einer Phase ≈ Anteil der Zeit in dieser Phase: 4/100 × 24 h = 0.96 h ≈ 1 Stunde.
Häufige Fehler
- Die Interphase "Ruhephase" nennen. Die Zelle ist beschäftigt: Sie wächst und kopiert ihre DNA; unter dem Mikroskop sieht sie nur ruhig aus.
- Denken, die S-Phase verdopple die Chromosomenzahl. Sie verdoppelt die DNA (2C → 4C); die Chromosomen bleiben 2n, weil sich die Zahl der Zentromere nicht ändert.
- Sagen, Schwesterchromatiden trennen sich in der Anaphase I. In der Anaphase I trennen sich homologe Chromosomen; Schwesterchromatiden trennen sich in der Anaphase II (und in der Anaphase der Mitose).
- Das Crossing-over in Zygotän oder Diplotän ansiedeln. Die Paarung ist im Zygotän, das Crossing-over im Pachytän, und Chiasmata sieht man im Diplotän.