Grundlagen der Zellbiologie und Genetik

Zelltheorie

Die Zelle ist die kleinste Lebensform und die Grundeinheit des Lebens. Jede Zelle eines Lebewesens entsteht aus einer anderen Zelle. Die notwendigen Informationen für das Leben von Zellen werden von einer Generation an die nächste weitergegeben.

Chromosomentheorie der Vererbung

Ein Gen ist definiert als ein DNA-Fragment, das die Informationen für ein bestimmtes Merkmal trägt. Die Gene sind linear auf den Chromosomen angeordnet, d.h., sie liegen nacheinander. Jedes Gen befindet sich an einem bestimmten Ort, dem sogenannten Locus.

Homologe Chromosomen enthalten an der gleichen Stelle (Locus) die Informationen für ein Merkmal. Ein Organismus ist homozygot, wenn er an einem Locus die gleichen Informationen (Allele) trägt. Ein heterozygoter Genotyp wird als der Satz von Genen definiert, der von einem Organismus vererbt wird und in allen Zellen vorhanden ist. Der Phänotyp ist das Ergebnis des Ausdrucks des Genotyps, der durch die Umwelt bestimmt wird.

DNA

DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist die Nukleinsäure, die im Zellkern lokalisiert ist. Sie enthält die genetische Information, die Zellfunktionen steuert und die Entwicklung des Individuums leitet. In eukaryotischen Zellen liegt die DNA in Form von multiplen linearen Molekülen vor, die an bestimmte Chromatin-Proteine gebunden sind. Die DNA-Nukleotide enthalten Desoxyribose und Basen. Diese Basen sind Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C).

Mitose: Zellteilung

Prophase

Der Beginn der Mitose wird durch das Auftreten von Chromosomen erkannt, die als unterschiedliche Formen sichtbar werden. Die Chromosomen nehmen ein doppelsträngiges Aussehen an; diese Stränge werden Chromatiden genannt. Diese Chromatiden sind in einer Region namens Zentromer miteinander verbunden. In diesem Augenblick verschwinden die Nukleolen. Die Kernmembran beginnt zu fragmentieren, und das Kernplasma und Zytoplasma verschmelzen zu einer Einheit. In diesem Stadium erscheint die Spindel und nimmt die Chromosomen auf. Eine chromatische Spindel beginnt sich außerhalb des Zellkerns zu bilden, während die Chromosomen kondensiert werden. Die Zellhülle bricht auf, und die Spindel-Mikrotubuli fangen die Chromosomen ein. Jedes Chromatid entspricht einer langen DNA-Kette. Am Ende der Prophase sind die Kernmembran und der Nucleolus verschwunden. Die Chromosomen sind stark verdichtet.

Metaphase

In dieser Phase bewegen sich die Chromosomen zur Äquatorialebene der Zelle. Jedes Chromosom ist über sein Zentromer an die Spindelfasern gebunden. Die Chromosomen reihen sich in der Mitte auf und bilden eine Metaphaseplatte. Es beginnt mit dem Erscheinen der Spindel, wo Chromosomen befestigt sind und sich in der Äquatorialebene der Spindel anordnen, wodurch die äquatoriale Metaphaseplatte gebildet wird.

Anaphase

Diese Phase beginnt mit der Trennung der beiden Schwesterchromatiden, die sich zu entgegengesetzten Polen der Zelle bewegen. Der Prozess der Trennung beginnt am Zentromer, das sich zu teilen scheint. Die Schwesterchromatiden werden abrupt getrennt und zu entgegengesetzten Polen der Spindel gezogen, während die Spindelpole sich weiter voneinander entfernen, was die Trennung verstärkt. Das Zentromer teilt sich, und jedes Chromosom wird in seine zwei Chromatiden getrennt. Die Zentromere wandern entlang der Spindelfasern in entgegengesetzte Richtungen, wobei jedes ein Chromatid zieht. Die Anaphase-Bewegung ist die entscheidende Phase der Mitose, weil hier die Verteilung der beiden Kopien der ursprünglichen genetischen Information erfolgt.

Telophase

Die Chromosomen entfalten sich, und die Nukleolen bilden sich wieder, was die Regeneration der Interphasekerne bedeutet. Bis dahin hat sich die Spindel aufgelöst. Eine neue Membran beginnt sich im Zytoplasma zu bilden, das sich in zwei Teile teilt. Die geteilte Spindel setzt sich fort, während die Chromosomen an den Polen ankommen und von den Spindel-Mikrotubuli frei sind. Danach beginnt die Membran, sich in der Mitte einzuschnüren und schließlich zu brechen. Danach wird die Kernhülle um die Chromosomen rekonstruiert. Die beiden Gruppen von Chromatiden beginnen zu dekondensieren. Die Kernmembran wird um jeden Chromosomensatz rekonstruiert, was die neuen Tochterkerne definiert. Dem folgt die Teilung des Zytoplasmas (Zytokinese).

Mendelsche Gesetze der Vererbung

1. Mendelsches Gesetz: Uniformitätsregel

Bei der Kreuzung von zwei reinerbigen (homozygoten) Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden, sind alle Nachkommen der ersten Filialgeneration (F1) phänotypisch und genotypisch uniform.

2. Mendelsches Gesetz: Spaltungsregel oder Gesetz der Reinheit der Gameten

Mendel leitete das zweite Gesetz durch die Untersuchung der zweiten Filialgeneration (F2) ab, die aus der Kreuzung von Individuen der F1-Generation untereinander entstand. Dabei zeigte sich, dass die gegensätzlichen oder antagonistischen Gene, die in der Zygote der F1-Generation noch zusammen waren, in der F2-Generation getrennt werden können, wodurch auch die reinerbigen Genotypen der Elterngeneration wieder erscheinen. Die Trennung dieser antagonistischen Gene ist die wichtigste Schlussfolgerung von Mendels Experimenten.

3. Mendelsches Gesetz: Unabhängigkeitsregel oder Gesetz der freien Kombinierbarkeit der Gene

Mendel kam zu diesem Schluss, indem er mit Dihybriden arbeitete, also Individuen, die sich in zwei Merkmalen unterschieden, z.B. gelbe, glatte Erbsen und grüne, runzlige Erbsen.