DNA, Chromosomen und Zellteilung: Grundlagen der Genetik

DNA: Die Basis des Lebens

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist das Biomolekül, das die genetischen Informationen zur Herstellung von Proteinen enthält. Proteine, insbesondere Enzyme, sind für die Regulierung aller Lebensprozesse verantwortlich, wie etwa Wachstum, Gewebereparatur und Zellreproduktion. Die DNA befindet sich im Zellkern eukaryotischer Zellen und ist Bestandteil der Chromosomen.

Chromosomen und Chromatin

Chromosomen bestehen aus einem Material namens Chromatin, einem Verbund aus DNA und Proteinen. Wenn sich die Zelle in der Ruhephase befindet, ist das Chromatin im Zellkern verstreut und die Chromosomen sind nicht sichtbar. Vor der Zellteilung wird die DNA verdoppelt und das Chromatin verdichtet sich zu kürzeren, dickeren Fasern – den Chromosomen. Aufgrund der DNA-Verdopplung besteht jedes Chromosom aus zwei identischen Armen, den Chromatiden, die durch ein Zentromer verbunden sind.

Die Anzahl, Form und Größe der Chromosomen sind charakteristisch für jede Spezies. Der Karyotyp bezeichnet den Chromosomensatz eines Individuums, sortiert nach Größe und Struktur.

Die Chromosomen eines Paares werden als homologe Chromosomen bezeichnet. Der menschliche Karyotyp besteht aus 23 Chromosomenpaaren, also insgesamt 46 Chromosomen. Das Paar, das das Geschlecht bestimmt, nennt man Geschlechtschromosomen (Gonosomen), während die übrigen Chromosomen als Autosomen bezeichnet werden.

Gene und Genom

Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt mit den notwendigen Informationen zur Produktion eines bestimmten Proteins. Die Gesamtheit aller Gene eines Organismus wird als Genom bezeichnet. Alle Zellen eines Individuums enthalten die gleichen Gene, jedoch sind nicht alle Gene in jeder Zelle aktiv. So sind beispielsweise die Gene für die Augenfarbe in den Zellen der Iris aktiv, nicht jedoch in der Leber oder in Muskelzellen.

Die Chromosomen einer Zelle sind in homologen Paaren gruppiert. Die beiden Chromosomen jedes Paares sind in Form und Größe identisch; eines stammt vom Vater, das andere von der Mutter. Jedes Chromosom enthält ein Paar homologer Gene, die den gleichen Charakter bestimmen (z. B. Augenfarbe oder Haartyp) und sich an der gleichen Position auf dem Chromosom befinden.

Die Zellteilung

Die Zellteilung ist der Prozess, bei dem sich eine Zelle in zwei identische Tochterzellen teilt. Bei einzelligen Organismen schafft jede Zellteilung ein neues Individuum; bei vielzelligen Organismen sind viele Teilungen nötig, um aus einer ersten Zelle einen Organismus zu bilden. Bei Eukaryoten ist die wichtigste Form der Zellteilung die Mitose. Sie dient dem Wachstum, der Zellerneuerung und der Reparatur von beschädigtem Gewebe.

Der Zellzyklus

Der Zellzyklus besteht aus zwei Phasen: der langen Interphase und der kürzeren Zellteilung.

Interphase

Die Interphase nimmt den größten Teil des Lebens einer Zelle ein. In dieser Wachstumsphase finden folgende Prozesse statt:

• Zunahme der Zellgröße, Wachstum des Zytoplasmas und Vermehrung der Organellen.
• Stoffwechselaktivität, Nährstoffaufnahme, Photosynthese oder Energieproduktion.
• Synthese von Proteinen.

Nicht-teilende Zellen (wie Muskelzellen oder Neuronen) verbleiben in diesem Stadium. Zellen, die sich teilen, durchlaufen die S-Phase, in der die DNA verdoppelt wird.

Zellteilung

Diese kurze Phase umfasst:

• Mitose: Die Teilung des Zellkerns.
• Zytokinese: Die Teilung des Zytoplasmas und die Trennung in zwei Tochterzellen.

Während der Interphase ist die DNA mit Proteinen, den sogenannten Histonen, verbunden und als Chromatin im Zellkern verteilt. Vor der Zellteilung wird die DNA dupliziert, um sie gleichmäßig auf die Tochterzellen zu verteilen. Zu Beginn der Mitose kondensiert das Chromatin zu sichtbaren Chromosomen. Diese Kondensation ist ein Mechanismus, um eine gerechte Verteilung der DNA auf die beiden Tochterzellen zu gewährleisten.