Mitose und Meiose: Prozesse der Zellteilung und genetischen Rekombination

Mitose: Kernteilung zur Erhaltung der genetischen Information

Die Zellteilung besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Prozessen: Zuerst wird der Kern durch Mitose geteilt, gefolgt von der Teilung des Zytoplasmas (Cytokinese). Bei der Mitose wird die Erbsubstanz in zwei gleiche Teile aufgeteilt, die an die Tochterzellen weitergegeben werden. Dies stellt sicher, dass die genetische Information unverändert von der Mutterzelle übertragen wird. Die Aufteilung der Chromosomen erfolgt, nachdem die DNA in der S-Phase repliziert wurde.

Funktion der Mitose

• In einzelligen Organismen ist die Mitose ein Prozess der asexuellen Fortpflanzung.
• In vielzelligen Organismen dient sie dem Wachstum, der Entwicklung und der Regeneration.

Phasen der Mitose

Die Mitose ist in vier Hauptphasen unterteilt: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase.

Prophase

Die Kernhülle und der Nukleolus verschwinden. Die Chromosomen beginnen sichtbar zu werden, da das Chromatin kondensiert (spiralisiert). Einzelne Chromosomen bestehen nun aus zwei Chromatiden, die am Zentromer verbunden sind. Die Spindel wird gebildet. In tierischen Zellen bilden die Zentriolen (Diplosomen) die Zentrosomen. Spindelfasern bewegen die Diplosomen zu den entgegengesetzten Polen der Zelle.

Metaphase

Die mitotische Spindel ist vollständig zwischen den Polen entwickelt. Die Chromosomen (mit dem höchsten Grad der Verpackung) zeigen zwei kreuzförmige Chromatiden. Mikrotubuli bilden sich an den Kinetochoren. Diese Mikrotubuli schieben die Chromosomen in die Äquatorialebene der Zelle, sodass die Chromatiden jedes Chromosoms zu entgegengesetzten Polen ausgerichtet sind.

Anaphase

Die Kinetochoren jedes Chromosoms trennen sich, wodurch jede Chromatide zu einem Pol wandert. Während sich die Chromatiden bewegen, verkürzen sich die Kinetochorfasern.

Telophase

Die Kinetochorfasern verkürzen sich maximal und verschwinden, sobald die beiden Gruppen von Chromatiden die Pole der Zelle erreichen. Spindelfilamente verlängern sich und bilden die Trennlinie zwischen den beiden neuen Kernen. Die Kernmembran und der Nukleolus erscheinen wieder. Schließlich dekondensieren die Chromosomen und kehren in den Zustand des Chromatins zurück. (Dies schließt nur die Teilung des Kerns ab.)

Cytokinese: Teilung des Zytoplasmas

Die Cytokinese ist die Teilung des Zytoplasmas zwischen den beiden Tochterzellen:

• In tierischen Zellen geschieht dies durch Einschnürung des Zytoplasmas.
• In pflanzlichen Zellen, wo die Zellwand eine Einschnürung verhindert, wird ein Phagmoplast (Zellplatte) synthetisiert und gebildet.

Meiose: Reduktionsteilung und genetische Vielfalt

Bei der sexuellen Fortpflanzung vereinigen sich zwei spezialisierte Zellen, genannt Gameten, von zwei verschiedenen Eltern zu einer Zygote, aus der sich der erwachsene Organismus entwickelt. Der Hauptvorteil dieses Prozesses ist, dass die Zygote Gene beider Gameten besitzt, was ihre Anpassungsfähigkeit stark begünstigt. Sexuelle Reproduktion und Mutationen sind die Mechanismen, die die genetische Vielfalt in Populationen erhalten.

Die Meiose besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Zellteilungen, die zu vier haploiden (n) Zellen führen. Wenn zwei Gameten nach der Befruchtung verschmelzen, wird der diploide (2n) Zustand in der Zygote wiederhergestellt. Vor den meiotischen Teilungen wird die DNA während der Interphase repliziert, wobei jedes Chromosom aus zwei am Zentromer verbundenen Schwesterchromatiden besteht.

Erste meiotische Teilung (Meiose I)

Prophase I

Diese Phase ist in fünf Unterstadien unterteilt:

1. Leptotän: Mütterliche und väterliche Chromosomen verkürzen und verdicken sich und werden sichtbar.
2. Zygotän: Die Paarung (*Synapse*) zwischen homologen Chromosomen erfolgt durch die Bildung des Synaptonemalen Komplexes. Dies ermöglicht die genaue Gegenüberstellung der Gene. Beim XY-Paar (Geschlechtschromosomen) erfolgt die Paarung nur teilweise.
3. Pachytän: Nachdem alle Synapsen zwischen homologen Chromosomen gebildet wurden, tritt das Crossing-over auf. Dies ist der Austausch von Fragmenten zwischen Nicht-Schwesterchromatiden und führt zur genetischen Rekombination. Die Chromosomen sind nun nicht mehr rein väterlich oder mütterlich, sondern enthalten abwechselnd väterliche und mütterliche Elemente.
4. Diplotän: Der Synaptonemale Komplex verschwindet. Die homologen Chromosomen stoßen sich ab, bleiben aber an den Chiasmata (Überkreuzungspunkten) verbunden.
5. Diakinese: Die Transkription der Chromosomen wird unterbrochen, und sie nehmen ihre kompakteste Konfiguration an. Die Kernmembran und der Nukleolus zerfallen, und die Spindel sowie die Kinetochor-Mikrotubuli bilden sich.

Metaphase I

Im Gegensatz zur Mitose wachsen die Kinetochorfasern in entgegengesetzte Richtungen, sodass die Äquatorialebene der Zelle die Chiasmata schneidet, nicht die Zentromere.

Anaphase I

Die Chiasmata brechen. Jedes homologe Chromosom wird zu einem Gegenpol der Zelle verschoben. Jedes Chromosom besteht weiterhin aus zwei Chromatiden, die nun genetisch gemischt sind.

Telophase I

Die Kernhülle regeneriert sich um jeden Kern, und die Spindelfasern verschwinden. Die Chromosomen dekondensieren und bereiten jeden Kern auf die zweite Teilung vor.

Zweite meiotische Teilung (Meiose II)

Prophase II

Die Kernmembranen verschwinden erneut, und die Spindelfasern bilden sich, oft senkrecht zur ersten Teilung.

Metaphase II

Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle an.

Anaphase II

Die Zentromere teilen sich, und jede Chromatide wandert als eigenständiges Chromosom zu einem Gegenpol.

Telophase II

Neue Kernmembranen regenerieren sich. Die Spindelfasern verschwinden, und die Chromosomen beginnen zu dekondensieren. Das Ergebnis sind vier Tochterzellen mit der Hälfte der ursprünglichen Chromosomenzahl (n), die alternierende mütterliche und väterliche Segmente enthalten (genetisch rekombiniert).