Lernpfad zur DNA und Zellkernteilung

Lernpfad zur DNA und Zellkernteilung

Photo by Braňo on Unsplash

Die Verpackung der DNA – Chromosomen

Unsere DNA ist eines der wichtigsten Bestandteile jeder Zelle unseres Körpers. Sie enthält die Erbinformationen welche jederzeit ablesbar sein muss. Jeder Zellkern enthält DNA – Fäden mit einer Länge von ca. 2 Metern, die über 46 Chromosomen im Zellkern verteilt sind. Doch wie passt ein so langer Faden und 46 Chromosomen in ein 11 μm großes Zellorganell?

Werfen wir einen Blick in das Innere des Zellkerns, so können wir während einer Zellteilung kompakte Körper erkennen. Es sind Chromosomen, die jeweils paarweise vorhanden sind. Beide stimmen vom Aussehen und vom inneren Aufbau her genau überein. Deshalb nennt man sie auch homologe Chromosomen (homolog = gleichartig). Die Anzahl dieser Chromosomenpaare ist bei allen Lebewesen einer Art gleich. So besitzt der Mensch in seinen Körperzellen einen einfachen Chromosomensatz mit 23 Chromosomenpaaren. Hier spricht man auch von einem haploiden Chromosomensatz (1n). Als diploiden Chromosomensatz bezeichnet man einen doppelten Chromosomensatz (2n).

Chromosomen bestehen jeweils aus zwei Teilen, den Chromatiden. Diese sind über das Centromer in der Mitte verbunden. Ein Chromatid besteht jeweils aus einem kurzen und einem langen Arm. Jedes Chromosom enthält eine Chromatinfaser, die wie eine Spindelfeder dicht zusammengepackt ist. Während der Zeit zwischen den Zellteilungen – in der sogenannten Interphase liegen die Chromatinfasern in entspiralisierter Form in Zellkern vor. Erst kurz vor einer Zellteilung schließen sich die Chromatinfasern zu den kompakten Chromosomen zusammen. Die Chromatinfasern bestehen aus der sogenannten Desoxyribonucleinsäure, kurz DNS oder DNA. Sie ist der Träger des Erbmaterials.

Aufgabe: Ordne die Begriffe ihrem richtigen Bestandteil zu!

Chromosome by Magnus Manske via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Die DNA

Katzen gehören zu den beliebtesten Haustieren. Es gibt viele verschiedene Rassen, die sich durch ihre Körperform, Fell und Farbe unterscheiden. Die Fellfarbe wird vor allem durch die Gene in den Chromosomen beeinflusst. Elterntiere geben die Erbinformationen der Zelle an ihre Jungen weiter. Die Gene können aber das Katzenfell selbst nicht färben. Dafür sind Farbstoffe, sogenannte Melanine, in den Pigmentzellen der Tiere verantwortlich. Aber wie genau wird nun der Aufbau eines ganz bestimmten Farbstoffes gesteuert? Der Schlüssel für dieses Geheimnis liegt in den Chromosomen und dort vor allem in der DNA.

Um verstehen zu können, wie die Information über die Haarfarbe vom Zellkern in die Pigmentzellen der Katze gelangt und dort
zur Herstellung von Melanin führt, muss man zunächst die Struktur der DNA kennen. Die DNA besteht aus einem spiralig gewundenen Doppelfaden, der wie eine gedrehte
Strickleiter aussieht. Die Doppelhelix ist aus einzelnen Nukleotiden zusammengesetzt. Jedes Nukleotid besteht aus drei Bausteinen:

  • einem Zucker (Desoxyribose)
  • einem Phosphat
  • einer von vier organischen Basen
    • Adenin (A)
    • Thymin (T)
    • Cytosin (C)
    • Guanin (G)

Jeweils zwei Basen bilden eine Stufe der Strickleiter. Außen sitzen im Wechsel Zucker und Phosphat. Das Entscheidende ist jedoch der Bau der Strickleiterstufe: Hier sind jeweils zwei Basen miteinander verknüpft, und zwar immer nach dem gleichen Muster: Adenin ist mit Thymin und Cytosin stets mit Guanin verbunden. Diese Basenpaare werden auch als komplementäre Basen bezeichnet.

Chemische Struktur der DNA by Madleine Price Ball via Wikimedia Commons CC BY-SA 2.5

“cats group photo” by S@veOurSm:)e is licensed with CC BY-SA 2.0. To view a copy of this license, visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/

Lautet also die Basenreihenfolge auf der linken Seite bei vier aufeinander folgenden „Strickleiterstufen“ Cytosin, Adenin, Guanin, Thymin, so ergibt sich folgender Aufbau komplementärer Basen:

  • Cytosin – Guanin
  • Adenin – Thymin
  • Guanin – Cytosin
  • Thymin – Adenin

Für die Reihenfolge der Basenpaare gibt es auf einem solchen Kettenmolekül mit zahllosen Nukleotiden unendlich viele Möglichkeiten. Hierin liegt die „Sprache“ der Erbinformation verborgen. Wie bei jeder Sprache, so gibt es auch bei der Erbinformation verschiedene Wörter. Jedes Wort besteht hier aus drei auf einem DNA–Strang aufeinanderfolgenden Basen, einem sogenannten Basentriplett. Lautet also auf einem Strang der DNA die Basenreihenfolge G – A – G – G – C – T, so bilden GAG und GCT jeweils ein Wort.

Die DNA bildet eine Doppelhelix aus Nucleotiden. Dabei ist die Erbinformation durch die Abfolge der vier verschiedenen Basen verschlüsselt.

Quiz – DNA

Der Zellzyklus

Ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung eines Organismus ist das Wachstum. In jedem Organismus findet täglich eine Zellteilung statt. Dieser Kreislauf heißt Zellzyklus und er wird in zwei Hauptphasen aufgeteilt. In der ersten Phase, der Interphase, wird die DNA repliziert und in der darauffolgenden Teilungsphase findet die Kern- und Cytoplasmateilung statt. Aus einer Mutterzelle entstehen zwei identische Tochterzellen. Diese zwei Hauptphasen wechseln sich so lange ab, bis eine Zelldifferenzierung zu Dauergewebe stattfindet. 

Die Interphase wird in drei Abschnitte aufgeteilt. In der präsynthetischen Phase (G1) werden Proteine und Organellen synthetisiert. Die Zelle wächst auf die Größe der Mutterzelle an. Bevor der nächste Abschnitt beginnt muss auf Faktoren wie die Zellgröße, der verfügbare Energievorrat und die Teilungssignale der Umgebung geachtet werden. Werden die Bedingungen erfüllt, so wird die Synthese-Phase (S) eingeleitet. In dieser Phase wird das Chromatin verdoppelt. Daraufhin werden in der postsynthetische Phase (G2) Vorbereitungen für die Zellteilung getroffen. 

Das Chromatin wird in der Mitose in zwei neue Kerne aufgeteilt und während der Cytokinese werden sie mit dem Cytoplasma und den zugehörigen Organellen gleichmäßig in zwei neue Zellen verteilt. 

In jedem komplexen Organismus gibt es differenzierte Zellen, die aus der G1-Phase in die G0-Phase eintreten. In der G0-Phase befinden sich Zellen, die sich nicht mehr teilen. Sie sind noch lebensfähig und betreiben Stoffwechsel. Während diese Zellen in diesem Zustand bleiben, können andere Zellen erneut stimuliert werden und kehren in den Zellzyklus zurück. 

Cell cycle by Richard Wheeler (Zephyris) via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Mitosis by Josef Reischig via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Die Mitose

Nachdem die DNA in der S-Phase verdoppelt wurde, erfolgt in der Mitose die Teilung des Zellkerns. Die Mitose ist ein Prozess, der zur besseren Übersicht in vier aufeinander folgende Phasen unterteilt wird. Die Phasen sind unterschiedlich Lang und haben fließende Übergänge. 

In der Prophase werden die aus zwei identischen Chromatidsträngen bestehenden Chromosomen unter dem Lichtmikroskop sichtbar. Die Kondensation ist für die Entfaltung der Chromosomen zuständig und sie befinden in einer Transportform. An beiden Zellpolen bildet sich ein Spindelapparat aus zahlreichen tubulären Eiweißmolekülen (Mikrotubuli). Am ende der Prophase zerfällt die Kernmembran und die Chromosomen wandern in die Äquatorialebene der Zelle.

In der Metaphase ist der Spindelapparat nun vollständig ausgeprägt. Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an und lassen sich jetzt gut unterscheiden. Da jede Zelle Erbmaterial von Vater und Mutter übernommen hat, gibt es zwei äußerlich übereinstimmende Sätze an Chromosomen (2n), Jedes Chromosomen besteht aus zwei identischen Spalthälften (Chromatiden = 2C, pro Kern 4C), da es bereits in der Interphase verdoppelt wurde. Die beiden Chromatiden sind am Centromer miteinander verbunden. 

Während der Anaphase werden die Chromatiden voneinander getrennt und werden mithilfe der Spindelfasern zu den entgegengesetzten Polen gezogen. Am Ende der Phase befindet sich an jedem Pol eine Spalthälfte eines jeden Chromosoms.

In der Telophase löst sich der Spindelapparat auf, die Chromosomen lockern sich wieder auf, bis sie nur noch als Chromatin zu sehen sind. Es werden neue Kernkörperchen und Kernhülle gebildet.

Auf die Mitose folgt die Cytokinese. Tierische Zellen schnüren sich ein (Furchung), pflanzliche Zellen bilden eine mittlere Zellplatte aus, die sich nach außen vergrößert.

Mitosis Stages by Ali Zifan via Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Meiose

Die Meiose ist, wie die Mitose, eine Form der Zellteilung. Allerdings finden wir die Meiose nur bei sich sexuell fortpflanzenden Lebewesen vor. Die Meiose beschreibt den Prozess der Teilung von Keimzellen. Durch diesen Prozess entstehen Gameten. Es erfolgt eine Rekombination des Erbguts. Der Chromosomensatz wird hierbei halbiert (haploider Chromosomensatz). Die Meiose erfolgt in zwei Zellkernteilungen: die Meiose 1 und die Meiose 2.
Die erste meiotische Teilung beginnt mit der Prophase 1, welche sich weitergehend in Leptotän, Zygotän, Pachytän, Diplotän und Diekinese unterteilen lässt. Auf die Prophase 1 erfolgen Metaphase 1, Anaphase 1 und Telophase 1. Auch der Prozess der Meiose 2 wird in Prophase 2, Metaphase 2, Anaphase 2 und Telophase 2 eingeteilt. Obwohl wir hier zwei Prozesse der Zellkernteilung vorfinden, erfolgt nur eine Replikation der DNA in der Meiose. Darüberhinaus sind die Endprodukte der Meiose, im Gegensatz zur Mitose, genetisch unterschiedliche Zellen.
Charakteristika für die Meiose 1 sind: 

  1. Das Crossing- Over (Rekombination, genetische Vielfalt)
  2. Vollständige, homologe Chromosomenpaare befinden sich an den Polen (eine Trennung der Schwesterchromatiden erfolgt in Meiose 2)
  3. Das Endprodukt der Meiose 1 sind zwei Zellkerne mit jeweils der Hälfte der Chromosomen in doppelter Form (zwei Schwesterchromatiden)

In der Meiose 2 erfolgt weitestgehend die Trennung der Schwesterchromatiden, sodass vier Tochterzellen bzw. Tochterkerne entstehen, die von genetischer Vielfalt geprägt sind. Nach der Anordnung in der Äquatorialebene des Zellkerns, werden, durch eine Auflösung des Spindelapparats, die Chromatiden getrennt. Um die Chromosomen an den beiden Polen bildet sich neue Kernhüllen und die Zellen werden geteilt. Es sind vier Tochterzellen mit jeweils einem Chromosomensatz aus Einzelchromosomen entstanden. Bei der Spermatogenese entstehen vier männliche Keimzellen (Spermienzellen), die alle gleich groß sind. Jedoch ist es bei der Oogenese anders. Bei der Bildung einer Eizelle verbleibt nahezu das ganze Zellplasma in der entstandenen Eizelle. Die drei anderen entstehenden Zellen bleiben klein und gehen als Polkörperchen zugrunde. 

Meiosis Stages by Ali Zifan via Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Zwischen der Meiose und der Mitose ergeben sich Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede: Die Meiose bezieht sich auf die Bildung der Geschlechtszellen. Die Meiose findet in den Keimdrüsen statt und beschreibt die Genese von Eizellen und Spermien. Die hierbei entstandenen Tochterzellen sind genetisch unterschiedlich. Die Zellteilung erfolgt in 2 Phasen und ist, in der ersten Phase, durch das Crossing-Over gekennzeichnet. Am Ende der Meiose sind 4 genetisch unterschiedliche Zellen entstanden, die einen haploiden Chromosomensatz aufweisen.

Die Mitose beschreibt ebenso eine Zellteilung und impliziert eine Zellvermehrung. Alle wachsenden Zellen, abgesehen von den Keimzellen, durchlaufen die Mitose. Beide Zellen sind, nach Abschluss der Mitose, genetisch identisch. Die Teilung wird aufgeteilt in Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase, wohingegen kein Crossing-Over stattfindet. Das Endprodukt der Mitose ist das vorliegen zweier genetisch identischer Zellen mit einem diploiden Chromosomensatz.

Literatur

studyfix.de: Meiose, Abrufbar unter: https://studyflix.de/biologie/meiose-1809 (letzter Zugriff 06.02.2021)

Bergau, Manfred (2006): Prisma Biologie. Ernst Klett Verlag, 1 Aufl. Hamburg, Saarland, Schleswig- HolsteinBecker.

Graw, Jochen (2015): Genetik (6), in: Springer-Lehrbuch, S. 22.

Knabe (2014): Natura 2 – Biologie für Gymnasien. Ernst Klett Verlag GmbH, 1. Aufl. Stuttgart.

Peters (2019): Bioskop SII – Gesamtband. Westermann, Druck A2. Braunschweig.

Schmidt, Olaf (2017): Genetik und Molekularbiologie, in: Olaf Fritsche (Hrsg.): Kompaktwissen Biologie, S. 5-23, Berlin.

Wehner R., Gehring W. (2007): Zoologie. Georg Thieme Verlag. Stuttgart.

 

 
Dieses Werk ist durch die Autorinnen Börsdamm, Kristin & Dalmaz, Fatma unter einer Creative Commons Namensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz lizenziert.