Grundlagen der Zellbiologie: Zelltheorie, Organisation und Teilung

1. Zelltheorie

Die Zelltheorie besagt:

• Eine Zelle ist die strukturelle und funktionelle Einheit aller Lebewesen.
• Sie führt alle Stoffwechselvorgänge durch.
• Jede Zelle stammt aus einer bestehenden Zelle.
• Eine Zelle ist die genetische Einheit aller Lebewesen und enthält die Erbsubstanz.

2. Arten zellulärer Organisation

• Prokaryotische Zellen: Haben keinen Zellkern. Das genetische Material ist im Zytoplasma verteilt (z. B. Bakterien).
• Eukaryotische Zellen: Besitzen einen Zellkern, der das genetische Material enthält (z. B. Pflanzen und Tiere).

3. Allgemeine Struktur eukaryotischer Zellen

• Plasmamembran: Eine Schicht, die die Zelle umgibt.
• Zellkern (Nukleus): Enthält das genetische Material und ist durch die Kernhülle vom Rest der Zelle getrennt.
• Zytoplasma: Der Teil der Zelle zwischen Plasmamembran und Zellkern. Es besteht aus einem wässrigen Medium, einem Netzwerk von Proteinfasern (Zytoskelett) und Zellorganellen.
• Zentrosom: Beteiligt an der Zellteilung.
• Organellen: Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Ribosomen, Mitochondrien, Lysosomen und Vakuolen.

4. Zwei Modelle eukaryotischer Zellen

• Tierische Zellen: Besitzen zwei Centriolen im Zentrosom, die aus röhrenförmigem Protein bestehen.
• Pflanzliche Zellen: Haben eine Zellwand, die die Plasmamembran umgibt. Sie besitzen Plasmodesmen (Kanäle). Große Vakuolen und Chloroplasten sind ebenfalls vorhanden.

5. Der Zellkern

Der Zellkern ist die größte Struktur eukaryotischer Zellen. Er enthält den Großteil der zellulären DNA mit der genetischen Information. Kernkomponenten:

• Kernhülle: Besteht aus einer doppelten Membran (äußere und innere), getrennt durch einen Intermembranraum. Beide Membranen sind durch Kernporen durchzogen, die den Stoffaustausch zwischen Kern und Zytoplasma ermöglichen.
• Karyoplasma: Das innere wässrige Medium, in dem die DNA-Replikation stattfindet.
• Nukleolus (Kernkörperchen): Eine kugelförmige Struktur ohne Membran, die für die Bildung von Ribosomen zuständig ist.
• Chromatin: Besteht aus DNA-Strängen, die im Karyoplasma verteilt sind. Vor der Zellteilung organisiert und kondensiert sich das Chromatin zu Chromosomen.

6. Die Chromosomen

Chromosomen sind fadenförmige Strukturen, die während der Zellteilung sichtbar werden. Sie übertragen die Erbinformation (DNA) von der Mutterzelle auf die Tochterzellen. Jedes Chromosom besteht aus zwei Chromatiden, die am Zentromer verbunden sind. Diese Schwesterchromatiden sind identisch. Jedes Chromatid hat zwei Arme.

Jede Art hat eine charakteristische Chromosomenzahl:

• Haploide Organismen: Besitzen einen einfachen Chromosomensatz (symbolisiert durch 'n').
• Diploide Organismen: Besitzen einen doppelten Chromosomensatz (symbolisiert durch '2n').

7. Der Karyotyp

Der Karyotyp ist die Gesamtheit der Chromosomen einer Spezies. Man unterscheidet zwei Arten von Chromosomen:

• Heterochromosomen (Geschlechtschromosomen): Unterscheiden sich stark voneinander und sind an der Geschlechtsbestimmung beteiligt (X und Y). Frauen sind XX, Männer sind XY.
• Autosomen: Die übrigen Chromosomen, die bei beiden Geschlechtern gleich sind.

8. Der Zellzyklus

Der Zellzyklus ist die Abfolge von Veränderungen, die eine Zelle von ihrer Entstehung bis zur Teilung in zwei Tochterzellen durchläuft.

• Interphase (Ruhephase): Die längste Phase, in der der Zellkern sichtbar ist. Am Ende der Interphase erfolgt die DNA-Replikation.
• Mitosephase (M-Phase): Die kurze Endphase, in der der Zellkern verschwindet und die Chromosomen sichtbar werden. Sie umfasst die Kernteilung (Mitose) und die Zytoplasmateilung (Zytokinese).

9. Zellteilung: Mitose und Zytokinese

Bei der Mitose entstehen aus einer Mutterzelle zwei Tochterzellen mit der gleichen Chromosomenzahl. Vor der Teilung werden DNA und Zentrosomen (bei tierischen Zellen auch die Centriolen) verdoppelt. Die Mitose gliedert sich in vier Phasen:

• Prophase: Chromatin kondensiert zu Chromosomen. Nukleolus und Kernmembran verschwinden. Die Spindelbildung beginnt.
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialplatte in der Mitte der Zelle an und verbinden sich über das Zentromer mit den Spindelfasern.
• Anaphase: Die Schwesterchromatiden trennen sich und werden zu entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen.
• Telophase: Nukleolus und Kernmembran bilden sich neu. Die Chromosomen dekondensieren wieder zu Chromatin.

Nach der Kernteilung folgt die Zytoplasmateilung:

• Tierische Zellen: Erfolgt durch Einschnürung des Zytoplasmas am Zelläquator.
• Pflanzliche Zellen: Ein Fragmoplast bildet sich zwischen den Tochterzellen und führt zur Zellplattenbildung.

10. Meiose

Die Meiose ist eine Reduktionsteilung, bei der aus einer diploiden Mutterzelle vier genetisch unterschiedliche haploide Tochterzellen entstehen. Sie findet in den Keimdrüsen statt und ist für die Bildung von Gameten (Geschlechtszellen) verantwortlich.

11. Vergleich zwischen Mitose und Meiose

12. Bedeutung von Mitose und Meiose

Mitose: Bei mehrzelligen Organismen ermöglicht sie Wachstum und Reparatur. Bei einzelligen Organismen ist sie ein Mechanismus der ungeschlechtlichen Fortpflanzung.

Meiose: Sie erzeugt haploide Gameten und gewährleistet so die konstante Chromosomenzahl bei geschlechtlicher Fortpflanzung. Durch den genetischen Austausch während der Meiose sorgt sie für genetische Vielfalt beim Nachwuchs.