Zellzyklus und Vererbung: Mitose, Meiose und Genetik

Zellzyklus: Phasen und Ablauf

Der Zellzyklus ist ein zweistufiger Prozess:

1. Interphase

Die Interphase liegt zwischen zwei Mitosen und besteht aus drei Phasen:

• G1-Phase: Die Zelle synthetisiert Proteine und wächst. In dieser Phase kann die Zelle in die Ruhephase G0 eintreten, in der sie sich nicht mehr teilt (manche Zellen verbleiben jahrelang in G0 oder sterben ab).
• S-Phase: In dieser Phase verdoppelt sich die DNA.
• G2-Phase: Die Zelle bereitet sich auf die Mitose vor und die Zentriolen verdoppeln sich.

2. Mitose

Die Mitose ist der Prozess der Zellteilung und besteht aus zwei Phasen: Karyokinese und Zytokinese.

Karyokinese

Die Karyokinese ist die Teilung des Zellkerns und besteht aus folgenden Phasen:

1. Prophase: Die Zentriolen wandern zu den gegenüberliegenden Zellpolen. Es bilden sich Mikrotubuli, die zwei Arten von Fasern bilden: Kinetochorfasern, die an den Kinetochoren der Chromosomen verankert sind, und polare Fasern, die von Pol zu Pol reichen. Der Nukleolus und die Kernhülle beginnen sich aufzulösen.
2. Metaphase: Die Kernhülle ist vollständig aufgelöst. Die Chromosomen ordnen sich, verbunden mit den Kinetochorfasern, in der Äquatorialebene an. Die Chromosomen in der Metaphase bestehen aus zwei Schwesterchromatiden.
3. Anaphase: Die Schwesterchromatiden trennen sich und wandern zu den entgegengesetzten Polen. Jedes Chromatid wird nun als anaphase Chromosom oder homologes Chromosom bezeichnet. Die polaren Fasern verlängern sich, während sich die Kinetochorfasern verkürzen.
4. Telophase: Die Spindelfasern verschwinden. Die Chromosomen werden unsichtbar. Der Nukleolus und die Kernhülle bilden sich neu.

Zytokinese

Die Zytokinese ist die Teilung des Zytoplasmas. An diesem Prozess sind Aktin- und Myosinfilamente beteiligt, die einen kontraktilen Ring bilden, der die Zelle in der Äquatorialebene einschnürt. So entstehen zwei Tochterzellen mit autonomem Status. Die Zytokinese findet erst in der späten Telophase statt.

In Pflanzenzellen bildet sich während der Zytokinese ein Phragmoplast (Vesikel und Mikrotubuli des Golgi-Apparats) in der Äquatorialebene. Die Vesikel verschmelzen und bilden eine Zellplatte, die die beiden Tochterzellen trennt. Aus den Vesikeln entsteht die Mittellamelle, die mit der Plasmamembran und der Zellwand verschmilzt.

Bei der Mitose entstehen aus einer diploiden (2n) Mutterzelle zwei identische Tochterzellen mit der gleichen Anzahl an Chromosomen wie die Mutterzelle. Die Mitose findet in somatischen Zellen statt.

Meiose: Ablauf und Bedeutung

Die Meiose ist die Zellteilung, die in Geschlechtszellen und Sporen stattfindet. Aus einer diploiden Mutterzelle entstehen vier haploide (n) Tochterzellen. Die Meiose besteht aus zwei Teilungen:

A) Meiose I (Reduktionsteilung)

In der Meiose I tauschen die homologen Chromosomen genetisches Material aus. Jede Tochterzelle erhält die Hälfte der Chromosomen der Mutterzelle. Die Meiose I führt zu haploiden Zellen und ist eine weitere Quelle genetischer Variabilität. Sie ermöglicht den Fortbestand der Arten.

Die Meiose I besteht aus folgenden Phasen:

1. Prophase I: Die Prophase I ist in mehrere Stadien unterteilt:
   • Leptotän: Die Chromosomen, die aus zwei Chromatiden bestehen (die DNA hat sich in der S-Phase verdoppelt), erscheinen als fadenförmige Strukturen mit Verdickungen, den Chromomeren.
   • Zygotän: Die homologen Chromosomen paaren sich. Dieser Prozess wird als Synapsis bezeichnet. Die gepaarten homologen Chromosomen bilden den Synaptonemalen Komplex.
   • Pachytän: Die homologen Chromosomen bilden Tetraden (zwei Chromatiden pro Chromosom). Es kommt zum Crossing-over, dem Austausch von genetischem Material zwischen homologen Chromosomen.
   • Diplotän: Die Chromosomen der Bivalente oder Tetraden trennen sich, bleiben aber an den Chiasmata verbunden (den Stellen, an denen der Austausch von genetischem Material stattgefunden hat).
   • Diakinese: Die Chiasmata lösen sich auf und die Kernhülle verschwindet.
2. Metaphase I: Die Bivalente ordnen sich in der Äquatorialebene an.
3. Anaphase I: Die homologen Chromosomen trennen sich in Form von Dyaden (mit zwei Chromatiden).
4. Telophase I: Die Telophase I verläuft wie eine normale Telophase und führt zu zwei Tochterzellen mit einer haploiden Anzahl von Chromosomen.

B) Meiose II (Äquationsteilung)

In der Meiose II findet kein Crossing-over statt. Sie verläuft wie eine normale Mitose. In dieser Phase trennen sich die Chromatiden der homologen Chromosomen und es entstehen zwei weitere Tochterzellen.

Genetische Grundbegriffe

• Locus: Der Ort, den ein Gen auf einem Chromosom einnimmt.
• Gen: Ein DNA-Fragment, das die Information für ein bestimmtes Merkmal trägt.
• Merkmale: Die Eigenschaften eines Lebewesens.
• Haploid: Ein Organismus, der nur ein Gen für ein bestimmtes Merkmal besitzt.
• Diploid: Ein Organismus, der zwei Gene für dasselbe Merkmal besitzt. Diese Gene können gleich oder verschieden sein.
• Allele: Verschiedene Varianten eines Gens für ein bestimmtes Merkmal.
• Homologe Chromosomen: Chromosomen, die die gleichen Loci besitzen.
• Genotyp: Die Gesamtheit der Gene eines Lebewesens.
• Phänotyp: Die beobachtbaren Merkmale eines Lebewesens.
• Homozygot: Ein Individuum mit gleichen Allelen für ein bestimmtes Merkmal.
• Heterozygot: Ein Individuum mit unterschiedlichen Allelen für ein bestimmtes Merkmal.
• Dominante Vererbung: Ein dominantes Allel setzt sich gegenüber einem rezessiven Allel durch.
• Intermediäre Vererbung: Bei heterozygoten Individuen kommt es zu einer Mischform der Merkmale (z. B. bei den Blüten der Wunderblume).
• Kodominante Vererbung: Beide Allele setzen sich gleich stark durch (z. B. bei den Blutgruppen).