Zytogenetik Übersicht
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Basiswissen | Skripte ◮ Genetik | Zytogenetik | Zellteilung Skript Zytogenetik Zellteilung Übersicht © 1 Zellzyklus 1.1 Interphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1.2 Mitose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Meiose 4 3 Zusammenfassung 7 Karlsruhe 2014 | SchulLV | Melissa Käß Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Genetik | Zytogenetik | Zellteilung Skript 1 Zellzyklus Ein erwachsener Mensch besteht aus durchschnittlich 100 Billionen Zellen. Das ist eine Eins mit zwölf Nullen, eine fast unvorstellbar große Zahl! All diese Zellen sind den Belastungen unseres Alltags ausgesetzt, denn jeden Tag arbeiten alle Zellen auf Hochtouren. Daher müssen die Zellen ständig erneuert werden, um weiterhin ihre Aufgabe erfüllen zu können. Die einzelnen Zelltypen haben dabei ganz unterschiedliche Lebenszyklen. Einige Zellen werden beispielsweise alle 16 Tage erneuert, andere alle sieben Jahre und wieder andere z.B. Nervenzellen oder Eizellen erneuern sich seit ihrem Entstehungsprozess nicht mehr. Durchschnittlich werden die Zellen eines Erwachsenen Menschen sieben bis zehn Jahre alt. Der Ausdruck „Innerlich ein Kind geblieben“bekommt damit eine ganz andere Bedeutung. Jede Sekunde werden unzählige Zellen in unserem Körper neu gebildet. Dies geschieht durch Zellteilung. Dabei teilt sich die Mutterzelle und gibt ihre Erbinformation und weitere Zellbestandteile an ihre Tochterzellen weiter. Damit es zur Zellteilung kommen kann, muss jedoch eine Kern- und Plasmateilung vorangeschaltet sein. Zwischen zwei Zellteilungen finden demnach verschiedene Prozesse statt, die als Zellzyklus zusammengefasst werden. Grob lässt sich der Zellzyklus in zwei Abschnitte einteilen: die Interphase sowie die Mitose. Abbildung 2 gibt dir einen ersten Überblick über den Zellzyklus. Alle Prozesse, die du dort siehst, werden im Nachfolgenden erläutert. Interphase S-Phase G0-Phase G2-Phase G1-Phase Mitose Prophase Methaphase Anaphase Telophase Abb. 1: Zellzyklus © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Melissa Käß Seite 1/7 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Genetik | Zytogenetik | Zellteilung Skript 1.1 Interphase Die gesamte Interphase macht ca 90 % der Zeit des Zellzyklus aus, die Mitose übernimmt nur einen kleinen Teil. In der Interphase teilt sich die Zelle nicht. Dennoch finden viele unterschiedliche Prozesse statt die nun erklärt werden. Die Interphase ist in verschiedene Abschnitte untergliedert: G1 -Phase: Die erste Phase der Interphase wird G1 -Phase genannt. Dabei ist das G eine Abkürzung für die englische Bezeichnung „gap“(=Lücke). Die Zahl 1 lässt darauf schließen, dass es eine weitere G-Phase gibt. Hier beginnt die Zelle nun zu wachsen. Außerdem bildet sie neue Zellorganellen aus. Die Erbinformation liegt in dieser Phase in Form von Chromatinfäden vor. Sie wird auf Fehler geprüft. Wenn sie fehlerfrei ist, beginnt die S-Phase. S-Phase: In der Synthesephase (= S-Phase) kommt es zur Verdopplung der DNA (= Replikation). Erst durch diesen Prozess entstehen Zwei-Chromatid-Chromosomen. Zuvor lagen nur EinChromatid-Chromosomen als Ergebnis der Mitose vor. Wenn du mehr über Chromosomen wissen möchtest, kannst du auf unser Skript zum Thema „Chromosomen“zurückgreifen. Das Thema Replikation wird im Skript „Proteinbiosynthese “genauer erläutert. G2 -Phase: In diesem letzten Stadium kommt es zu einem weiteren Zellwachstum. Die Erbinformation wird nach ihrer Verdopplung erneut auf Fehler geprüft. Diese Phase ist ein wichtiger Schritt, bevor es zur Mitose kommt. G0 -Phase: Hat eine Zelle ihre Teilungsfähigkeit verloren, so geht sie vom Zustand der G1 -Phase in die G0 -Phase über. Zellen, die sich in dieser Ruhephase befinden, gehen ihren zugeteilten Aufgaben innerhalb des Organismus nach. Eine Nervenzelle bspw. überträgt in der G0 -Phase Erregungen, Leukozyten (= weiße Blutzellen) helfen den Körper gegen Krankheitserreger zu schützen. Wenn es nötig ist, können die Zellen ihre Teilungsfähigkeit wieder zurückerlangen. Dann läuft der Zellzyklus wieder mit allen Phasen der Interphase ab. An die Interphase schließt sich letztlich die Mitose an. © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Melissa Käß Seite 2/7 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Genetik | Zytogenetik | Zellteilung Skript 1.2 Mitose Damit es zur Zellteilung kommt, bedarf es in den Körperzellen einer Kernteilung. Eine Art der Kernteilung ist die Mitose. Dabei entstehen zwei erbgleiche diploide Zellen, d.h. beim Menschen haben diese Zellen 46 Chromosomen. Die Mitose läuft in nur einem Teilungsschritt ab, ist jedoch in unterschiedliche Phasen aufgeteilt. Prophase: Spindelapparat Im Anschluss an die Interphase folgt die Prophase der Mitose. Die Chromatinfäden spi- Prophase Chromosomen ralisieren und verkürzen sich (= Kondensation) zunächst. Dadurch bildet sich langsam die typische x-förmige Chromosomenstruktur aus. Die beiden Schwesterchromatiden Zellmembran Kernhülle Metaphase sind dabei über das Centromer miteinander verbunden. Wie bei einem Globus nennt sich das obere bzw. unter Ende der Zelle Pol. An den Polen der Zelle bildet sich langsam der Spindelapparat aus. Der Spindelapparat besteht meist aus einem Centriolenpaar. Anaphase Prometaphase: In dieser zweiten Phase lösen sich Kernhülle und Nucleolus (= Kernkörperchen) allmählich auf. Die Synthese des Spindelfaserapparat wird vollendet. Telophase Abb. 2: Schematische Darstellung der Mitose Metaphase: Während der Metaphase haben die Chromosomen ihre größte Dichte. In diesem Zustand beginnen sie sich in der Äquatorialebene der Zelle (d.h. mittig) anzuordnen. Anaphase: In dieser Phase trennen sich nun die Schwesterchromatiden entlang des Centromers. EinChromatid-Chromosomen entstehen, die zu den Zellpolen wandern. Telophase: Sobald die Chromosomen die Zellpole erreicht haben, spricht man von der Telophase. In dieser letzten Phase der Mitose bildet sich der Zellkern neu. Die Ein-Chromatid-Chromosomen an den Zellpolen entspiralisieren sich wieder und liegen in Form von Chromatinfäden vor. In der Äquatorialebene bildet sich nach und nach eine Zellmembran aus, die später die Tochterzellen voneinander trennt. Beide Tochterzellen erhalten nach der Zellteilung je 46 Ein-Chromatid-Chromosomen. Der Mitose schließt sich nun wieder die Interphase an. Der Kreislauf beginnt von vorne und läuft so lange ab, bis die Zelle in die G0 -Phase übergeht. Nach der Kernteilung erfolgt die Zellteilung (= Cytokinese), dabei teilt sich das Plasma gleich auf die entstehenden Tochterzellen auf. Wichtig zu wissen ist, dass Zell- und Kernteilung auch unabhängig voneinander stattfinden können. © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Melissa Käß Seite 3/7 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Genetik | Zytogenetik | Zellteilung Skript 2 Meiose Eine ganz besondere Form der Kernteilung ist die Meiose. Sie findet ausschließlich in den Keimdrüsen statt: bei Männern in den Hoden, bei Frauen in den Eierstöcken. Bilden sich Eizellen (= Oocyte) nennt man diesen Schritt auch Oogenese, die Bildung von Spermien (= Spermatocyte) heißt Spermatogenese. Dabei entstehen vier erbungleiche haploide Zellen, d.h. beim Menschen haben diese Zel- 46 (2n) 46 (2n) len 23 Chromosomen. Das ist ein notwendiger Schritt, denn bei der Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium werden die 23 Chromosomen von Mutter und Vater mitein- 23 (1n) ander vermischt. Der entstehende Embryo hat wieder 46 Chromosomen (23 + 23 = 46). Würde die Meiose keinen haploiden Zellen Abb. 3: Wie seine Eltern hat das Baby 46 Chromosomen Quelle: fotolia.com - Detailblick; Beschriftung und Bearbeitung: BioLV hervorbringen, würde mit jeder Generation die Chromosomenzahl zunehmen. Nach einer Generation wären bereits 46 + 46 = 92 Chro- mosomen vorhanden, nach zwei Generationen 184 Chromosomen usw. Dank der Meiose bleibt die Chromosomenzahl innerhalb einer Art aber konstant (siehe Abbildung 3). Die Meiose läuft in zwei Teilungsschritten ab (1. und 2. Reifeteilung) und ist dabei in unterschiedliche Phasen aufgeteilt. Diese ähneln denen der Mitose stark. Abbildung 4 und 5 zeigen vereinfacht die Abläufe bei der Meiose. 1. Reifeteilung - Trennung der homologen Chromosomen: 1. Reifeteilung: Spindelapparat Zellmembran Prophase I Prophase I: Chromosomen In dieser ersten Phase der Mitose kommt es zu- Kernmembran nächst zur Paarung der homologen Chromosomenpaare (= Chromosomen mit gleicher Erbinformation). Der Mensch besitzt 23 homologe Chro- Metaphase I mosomenpaare. Die Chromatinfäden kondensieren und spiralisieren sich. Durch diesen Vorgang werden alle vier Chromatiden der einzelnen Chromosomen sichtbar. Zusammengefasst werden die Anaphase I vier Chromatiden der Zwei-Chromatid-Chromosomen als Tetrade bezeichnet. In der Prophase I kommt es außerdem langsam zur Auflösung der Kernmembran (= Kernhülle). Metaphase I: Telophase I je Zelle: 23 Zwei-Chromatid-Chromosomen In der Metaphase I ordnen sich die Chromosomenpaare nun langsam in der Äquatorialebene Abb. 4: Meiose: 1. Reifeteilung an. Dieser Schritt ist nötig, da die Chromosomen © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Melissa Käß Seite 4/7 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Genetik | Zytogenetik | Zellteilung Skript zuvor ungeordnet in den Zellen vorlagen. Da sie sich im Folgenden allerdings gleichmäßig auf die Zellen verteilen müssen, wird mit diesem Vorgang Ordnung geschaffen. Anaphase I: Mit Hilfe des Spindelapparats werden die homologen Chromosomen an die entgegengesetzten Zellpole gezogen. An den Zellpolen befinden sich letztlich 23 Zwei-ChromatidChromosomen. Die Verteilung der Chromosomen von Vater und Mutter ist dabei willkürlich. Telophase I: Jetzt kommt es zu einer ersten Zellteilung. Die beiden entstehenden Tochterzellen besitzen ab diesem Zeitpunkt 23 Zwei-Chromatid-Chromosomen. Die Chromosomen entspiralisieren sich wieder. 2. Reifeteilung - Bildung von Gameten: 2. Reifeteilung: Prophase II: Obwohl sich die Chromosomen gerade erst entspiralisiert haben, kommt es in dieser Phase zur erneuten Kondensation und Spiralisie- rophase II rung der Chromatinfäden. Metahase II Metaphase II: Ähnlich wie in der Metaphase I ordnen sich nun die 23 Zwei-Chromatid-Chromosomen in der Äquatorialebene der Zelle an. Anaphase II Anaphase II: In dieser Phase trennen sich nun die Schwesterchromatiden entlang des Centromers. EinChromatid-Chromosomen entstehen, die zu den Zellpolen wandern. An den Zellpolen befinden sich nun jeweils 23 Ein-Chromatid- Chromosomen (= haploider Satz). Telophase II je Zelle: 23 in-Chromatid-Chromosomen Telophase II: Sobald die Chromosomen die Zellpole erreicht haben, spricht man von der Telophase. In die- Abb. 5: Meiose: 2. Reifeteilung ser letzten Phase der Meiose bildet sich der Zellkern neu. Die Chromosomen entspiralisieren sich wieder und liegen in Form von Chromatinfäden vor. In der Äquatorialebene bildet sich nach und nach eine Zellmembran aus, die später die Tochterzellen voneinander trennt. Insgesamt haben sich nun vier Tochterzellen mit einen haploiden Chromoso- © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Melissa Käß Seite 5/7 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Genetik | Zytogenetik | Zellteilung Skript mensatz gebildet. Bei der Bildung von Gameten (= Keimzellen), d.h. den Eizellen bei Frauen und den Spermien bei Männern, gibt es im Resultat einen kleinen, aber bemerkenswerten Unterschied: Beim Mann entstehen während der 2. Reifeteilung der Meiose vier gleichartige, mobile haploide Spermien. Bei der Frau kommt es auf Grund einer ungleichen Verteilung des Cytoplasmas bzw. ungleichen Teilung der Zellen zur Bildung einer großen Eizelle und drei kleinen Polkörperchen. Die Polkörperchen können nicht zur Fortpflanzung verwendet werden und werden in der Regel nach einiger Zeit abgebaut. Merksatz: Beider Meiose werden haploide Spermien und Eizellen gebildet. Sp er es e Meiose Abb. 6: Spermatogenese und Oogenese im Vergleich © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Melissa Käß Seite 6/7 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Genetik | Zytogenetik | Zellteilung Skript 3 Zusammenfassung Ziel Ergebnis Ort Ablauf Mitose Meiose Vermehrung von Körperzellen zur Regeneration und Wachstum des Bildung von Gamenten zur Neukombination der Erbinformation, Organismus Erhalt der genetischen Variabilität Erbgleiche diploide Zellen (46 Erbungleiche haploide Zellen (23 Chromosomen) Chromosomen) Körperzellen Keimdrüsen (Hoden und Eierstöcke) Ein Zellteilungsschritt: Prophase Zwei Zellteilungsschritte: 1. Reifeteilung Metaphase Anaphase (Pro-, Meta, Ana- und Telophase I) 2. Reifeteilung Telophase (Pro-, Meta, Ana- und Telophase II) Bei Frauen: Oogenese, bei Männern: Spermatogenese Prozesse Trennung der Schwesterchromatiden 1. Reifeteilung: Trennung der homologen Chromosomenpaare, 2. Reifeteilung: Trennung der Schwesterchromatiden © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Melissa Käß Seite 7/7 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net
