Zellteilung ist eine der grundlegendsten Eigenschaften des Lebens. Ohne sie wäre kein Wachstum, keine Wundheilung, keine Fortpflanzung möglich. Jeder Mensch beginnt sein Leben als eine einzige befruchtete Eizelle (Zygote). Durch Billionen von Zellteilungen entstehen daraus die ~37 Billionen Zellen eines Erwachsenen. Dabei wird die genetische Information (DNA) bei jeder Teilung vollständig und exakt kopiert und an die Tochterzellen weitergegeben.
Es gibt drei biologische Hauptgründe für Zellteilung:
Wachstum: Aus einer Zygote entsteht ein vollständiger Organismus. Das menschliche Gehirn allein enthält ~86 Milliarden Nervenzellen – alle entstanden durch Zellteilung.
Gewebereparatur und -erneuerung: Die Darmschleimhaut erneuert sich alle 3–5 Tage. Täglich sterben im menschlichen Körper ~50–70 Milliarden Zellen durch Apoptose ab und werden durch neue ersetzt.
Sexuelle Fortpflanzung: Bildung von Keimzellen (Spermien, Eizellen), die bei der Befruchtung den vollen Chromosomensatz wiederherstellen.
1.1 DNA-Verdopplung vor jeder Teilung
Damit Tochterzellen vollständige Erbinformation erhalten, muss die DNA vor der Zellteilung exakt verdoppelt werden. Dieser Vorgang heißt Replikation (lat. replicare = verdoppeln). Er findet in der S-Phase (Synthese-Phase) des Zellzyklus statt.
Das Prinzip der Replikation ist semikonservativ: Jeder der beiden DNA-Stränge dient als Matrize für einen neuen komplementären Strang. Nach der Replikation bestehen beide Tochtermoleküle je aus einem alten und einem neuen Strang. Dieses Prinzip wurde 1958 von Meselson und Stahl mit dem bahnbrechenden Dichte-Gradienten-Zentrifugations-Experiment bewiesen.
🟢 Der Zellzyklus – Überblick: Interphase (Vorbereitung, ~90% der Zyklusdauer):
G₁-Phase: Wachstum, Proteinsynthese, Vorbereitung auf DNA-Replikation
S-Phase: DNA-Replikation (jedes Chromosom wird zu zwei Schwesterchromatiden)
G₂-Phase: Wachstum, Überprüfung der replizierten DNA, Vorbereitung auf Teilung Mitose (M-Phase): Kernspindel bildet sich, Chromosomen werden getrennt Zytokinese: Zellteilung (Zytoplasma wird aufgeteilt)
Nach der Replikation besteht jedes Chromosom aus zwei identischen Schwesterchromatiden, die am Zentromer verbunden sind. Erst wenn die Chromatiden in der Anaphase getrennt werden, wird jede Chromatide selbst zu einem vollständigen Chromosom.
2. Mitose – die Körperzellteilung
Die Mitose (griech. mitos = Faden, wegen der fadenförmigen Chromosomen) ist die Kernteilung, bei der aus einer diploiden (2n) Mutterzelle zwei genetisch identische diploide Tochterzellen entstehen. Sie ist die Grundlage für Wachstum, Regeneration und ungeschlechtliche Fortpflanzung.
Die Mitose wird in vier Phasen eingeteilt:
Abb. 1.2a: Die vier Phasen der Mitose plus Zytokinese. Rote Chromosomen = ein homologes Paar (vom Vater), blaue Chromosomen = das andere Paar (von der Mutter). Die Äquatorialebene (gestrichelte Linie in der Metaphase) ist die Stelle, wo sich alle Chromosomen aufreihen. In der Anaphase zählt man temporär die doppelte Chromosomenzahl (4n), da die Schwesterchromatiden noch nicht als separate Chromosomen gezählt wurden.
Phase
Was passiert
Erkennungsmerkmale
Prophase
Chromosomen kondensieren und werden sichtbar. Kernhülle löst sich auf. Spindelapparat bildet sich aus Mikrotubuli (von den Zentrosomen). Nukleolus verschwindet.
Fadenförmige Chromosomen sichtbar, Kernhülle weg
Metaphase
Spindelfasern heften sich an die Zentromere der Schwesterchromatiden. Chromosomen werden in die Äquatorialebene (Metaphasenplatte) gezogen. Maximale Kondensation.
Chromosomen in einer Reihe in der Zellmitte – ideal zum Zählen!
Anaphase
Zentromer-Verbindungen werden enzymatisch gespalten. Spindelfasern verkürzen sich. Schwesterchromatiden werden zu gegenüberliegenden Polen gezogen. Jetzt gibt es doppelt so viele Chromosomen.
Chromosomen bewegen sich auseinander (V-Form)
Telophase
Chromosomen dekondensieren. Neue Kernhüllen entstehen um jede Chromosomengruppe. Spindelapparat löst sich auf. Nukleolus taucht wieder auf.
Zwei Tochterkerne erkennbar
Zytokinese
Teilung des Zytoplasmas. Tiere: Aktin-Myosin-Ring schnürt Zelle ein. Pflanzen: Zellplatte wächst von innen nach außen (aus Golgi-Vesikeln).
Zwei vollständige Tochterzellen
ℹ️ Merkhilfe für die Phasen – Eselsbrücke: Prophase → Metaphase → Anaphase → Telophase
„Peter Mag Alle Tiere“ – oder eigene Eselsbrücke erfinden!
2.1 Bedeutung des Spindelapparats
Der Spindelapparat (auch Mitosespindel) ist ein temporäres Gerüst aus Mikrotubuli (Proteinröhren aus Tubulin). Er wird in der Prophase aufgebaut und in der Telophase wieder abgebaut. In Tierzellen organisieren die Zentrosomen (mit Zentriolen) die Spindelpole. Pflanzenzellen haben keine Zentriolen, aber funktionell gleichwertige Mikrotubuli-Organisationszentren.
Es gibt drei Typen von Spindelmikrotubuli:
Kinetochor-Mikrotubuli: Befestigen sich am Kinetochor (Protein-Komplex am Zentromer) und ziehen die Chromosomen zu den Polen
Polmikrotubuli: Schieben die Pole auseinander (Interdigitation zwischen Mikrotubuli beider Pole)
Astral-Mikrotubuli: Verankern die Spindelpole an der Zellmembran
2.2 Kontrollpunkte des Zellzyklus
Der Zellzyklus wird an mehreren Kontrollpunkten (Checkpoints) überwacht, um fehlerhafte Chromosomen-Weitergabe zu verhindern:
G₁-Checkpoint (Restriktionspunkt): Ist die Zelle groß genug? Sind ausreichend Nährstoffe vorhanden? Ist die DNA intakt?
G₂-Checkpoint: Wurde die DNA vollständig und korrekt repliziert? Sind DNA-Schäden repariert?
Spindel-Checkpoint (Metaphase): Sind alle Kinetochore korrekt mit Spindelmikrotubuli verbunden? → Verhindert vorzeitige Anaphase
Diese Checkpoints werden durch Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) reguliert. Mutationen in Checkpoint-Genen (z.B. p53 – „Wächter des Genoms“) können zu unkontrollierter Zellteilung führen – Krebs.
⚠️ Krebs – wenn die Kontrolle versagt:
Krebs entsteht, wenn Mutationen in Genen auftreten, die den Zellzyklus regulieren. Es müssen mehrere Mutationen zusammenkommen (Mehrstufenprozess): Mutationen in Proto-Onkogenen (geben „Teilung!“-Signal auch ohne Wachstumsfaktor) und/oder in Tumorsuppressorgenen (z.B. p53, Rb, die normalerweise „Stopp!“ sagen). Die Zellen teilen sich unkontrolliert, bilden Tumore, können in andere Gewebe eindringen (Invasion) und über den Blutweg streuen (Metastasen).
3. Meiose – die Reifeteilung
Die Meiose (griech. meion = vermindern) ist eine spezielle Zellteilung, die ausschließlich in den Keimzell-Organen stattfindet (Keimdrüsen: Hoden und Eierstöcke). Sie erzeugt aus einer diploiden (2n) Mutterzelle vier haploide (n) Tochterzellen mit jeweils halbem Chromosomensatz. Beim Menschen entstehen so Spermien (im Hoden) und Eizellen (im Eierstock) mit je 23 Chromosomen.
Warum ist die Halbierung des Chromosomensatzes notwendig? Bei der Befruchtung (Verschmelzung von Spermium und Eizelle) würde ohne vorherige Halbierung die Chromosomenzahl jede Generation verdoppeln. Durch die Meiose bleibt die Chromosomenzahl von Generation zu Generation konstant (beim Menschen: 46).
🟢 Meiose im Überblick:
Die Meiose besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Teilungen: Meiose I (Reduktionsteilung): Homologe Chromosomen werden getrennt → Chromosomenzahl halbiert (2n → n). Hier findet das Crossing-over statt. Meiose II (ähnlich wie Mitose): Schwesterchromatiden werden getrennt → 4 haploide Zellen entstehen.
Abb. 1.2b: Überblick über die Meiose (vereinfacht mit 2n=4, d.h. zwei homologen Chromosomenpaaren). Nach Meiose I liegen zwei haploide Zellen vor, die aber noch aus Schwesterchromatiden bestehen. Meiose II trennt diese. Das Crossing-over (erkennbar an den gemischten Farben im dritten und vierten Tochter-Chromosom) führt zu neuen Allel-Kombinationen. Beim Menschen (2n=46) entstehen Gameten mit n=23 Chromosomen.
3.1 Crossing-over – die Quelle genetischer Variabilität
Crossing-over findet in der Prophase I der Meiose statt, wenn homologe Chromosomen eng nebeneinander liegen (Synapsis im Bivalent oder Tetrad). An bestimmten Stellen (Chiasmata, Einzahl: Chiasma) überkreuzen sich nicht-schwesterliche Chromatiden und tauschen korrespondierende Segmente aus. Durch diesen reziproken Austausch entstehen Chromosomen mit neuen Kombinationen von Allelen.
🟢 Quellen genetischer Variabilität bei der Meiose:
Crossing-over (Prophase I): Austausch von Chromosomenabschnitten zwischen nicht-schwesterlichen Chromatiden. Pro Chromosomenpaar: 1–3 Crossover beim Menschen.
Unabhängige Chromosomenverteilung (Metaphase I): Jedes homologe Paar richtet sich zufällig zur einen oder anderen Seite aus. Beim Menschen: 223 = 8.388.608 mögliche Kombinationen.
Zufällige Befruchtung: Welches Spermium trifft welche Eizelle? 8,4 Mio. × 8,4 Mio. = ~70 Billionen Kombinationen.
Damit ist jeder Mensch (außer eineiigen Zwillingen) genetisch einmalig.
3.2 Mitose vs. Meiose im Vergleich
Merkmal
Mitose
Meiose
Anzahl Teilungsschritte
1
2 (Meiose I + II)
Zahl der Tochterzellen
2
4
Chromosomensatz Töchter
diploid (2n) = wie Mutter
haploid (n) = halb so viel
Genetische Identität
identisch mit Mutterzelle
verschieden (Crossing-over)
Crossing-over
nein
ja (Prophase I)
Wo im Körper
alle Körperzellen (Soma)
nur Keimdrüsen (Hoden, Eierstock)
Wozu
Wachstum, Reparatur, ungeschl. Fortpflanzung
Bildung von Gameten (Spermien, Eizellen)
DNA-Replikation vorher
1× (in S-Phase)
1× (vor Meiose I; nicht vor Meiose II!)
Homologe paaren sich
nein
ja (Synapsis in Prophase I)
Lückentexte zur Selbstkontrolle
📝 Lückentext 1: Mitose-Phasen
Vor der Mitose wird die DNA in der des Zellzyklus
verdoppelt. In der kondensieren die Chromosomen
und die Kernhülle löst sich auf. In der reihen
sich alle Chromosomen in der Äquatorialebene auf – hier sind sie am besten sichtbar.
In der werden die
zu den Polen gezogen.
Es entstehen schließlich genetisch
Tochterzellen mit dem
Chromosomensatz.
📝 Lückentext 2: Meiose
Die Meiose besteht aus Teilungsschritten und produziert
Tochterzellen. Das in der Prophase I
führt zum Austausch von Chromosomenabschnitten und erzeugt neue
.
Die zufällige Verteilung homologer Chromosomen ergibt beim Menschen
(=2²³) mögliche Gameten-Typen.
Meiose findet nur in den statt.