Definition der Zellteilung

Die Zellteilung ist der Prozess, den Zellen durchlaufen, um sich zu teilen. Es gibt verschiedene Arten der Zellteilung, je nachdem, welche Art von Organismus sich teilt. Die Organismen haben sich im Laufe der Zeit zu verschiedenen und komplexeren Formen der Zellteilung entwickelt. Die meisten Prokaryonten oder Bakterien verwenden die binäre Spaltung, um die Zelle zu teilen. Eukaryoten aller Größenordnungen teilen sich durch Mitose. Sexuell reproduzierende Eukaryonten verwenden eine besondere Form der Zellteilung, die Meiose, um den genetischen Inhalt der Zelle zu reduzieren. Dies ist bei der geschlechtlichen Fortpflanzung notwendig, da jedes Elternteil nur die Hälfte des benötigten genetischen Materials abgeben muss, da die Nachkommen sonst zu viel DNA haben würden, was ein Problem darstellen kann. Diese verschiedenen Arten der Zellteilung werden im Folgenden erörtert.

Arten der Zellteilung

Prokaryotische Zellteilung

Prokaryoten vermehren sich durch eine Art der Zellteilung, die als Binärspaltung bekannt ist. Prokaryonten sind einfache Organismen mit nur einer Membran und ohne interne Teilung. Wenn sich ein Prokaryot also teilt, repliziert er einfach die DNA und teilt sich in zwei Hälften. Der Prozess ist etwas komplizierter, da die DNA zunächst von speziellen Proteinen entrollt werden muss. Obwohl die DNA in Prokaryonten normalerweise in einem Ring vorliegt, kann sie sich ziemlich verheddern, wenn sie von der Zelle verwendet wird. Um die DNA effizient zu kopieren, muss sie gestreckt werden. Dies ermöglicht auch die Trennung der beiden neu entstandenen DNA-Ringe, nachdem sie produziert wurden. Die beiden DNA-Stränge trennen sich an zwei verschiedenen Seiten der Prokaryontenzelle. Die Zelle wird dann länger und teilt sich in der Mitte. Der Vorgang ist in der folgenden Abbildung zu sehen.

Die DNA ist die verschlungene Linie. Die anderen Komponenten sind beschriftet. Plasmide sind kleine DNA-Ringe, die ebenfalls bei der Binärspaltung kopiert werden und in der Umgebung von toten Zellen, die auseinanderbrechen, aufgenommen werden können. Diese Plasmide können dann weiter vervielfältigt werden. Wenn ein Plasmid vorteilhaft ist, wird es sich in einer Population vermehren. Auf diese Weise entsteht zum Teil die Antibiotikaresistenz bei Bakterien. Die Ribosomen sind kleine Proteinstrukturen, die bei der Produktion von Proteinen helfen. Sie werden auch repliziert, damit jede Zelle genug hat, um zu funktionieren.

Eukaryotische Zellteilung: Mitose

Eukaryotische Organismen haben membrangebundene Organellen und DNA, die auf Chromosomen liegt, was die Zellteilung erschwert. Eukaryoten müssen ihre DNA, Organellen und Zellmechanismen vor der Teilung replizieren. Viele der Organellen teilen sich in einem Prozess, der im Wesentlichen einer binären Spaltung entspricht, was Wissenschaftler zu der Annahme veranlasst, dass Eukaryoten aus Prokaryoten entstanden sind, die in anderen Prokaryoten lebten.

Nachdem die DNA und die Organellen während der Interphase des Zellzyklus repliziert wurden, kann der Eukaryote mit dem Prozess der Mitose beginnen. Dieser Prozess beginnt in der Prophase, wenn sich die Chromosomen kondensieren. Würde die Mitose ohne die Kondensation der Chromosomen ablaufen, würde sich die DNA verheddern und brechen. Die eukaryotische DNA ist mit vielen Proteinen verbunden, die sie zu komplexen Strukturen falten können. Wenn die Mitose in die Metaphase übergeht, werden die Chromosomen in der Mitte der Zelle aufgereiht. Jede Hälfte eines Chromosoms, die als Schwesterchromatiden bezeichnet werden, weil sie Kopien voneinander sind, wird im Verlauf der Mitose in jede Zellhälfte getrennt. Am Ende der Mitose wird die Zelle durch einen weiteren Prozess, die Zytokinese, in zwei neue Tochterzellen geteilt.

Alle eukaryotischen Organismen nutzen die Mitose zur Teilung ihrer Zellen. Allerdings nutzen nur Einzeller die Mitose als eine Form der Fortpflanzung. Die meisten mehrzelligen Organismen pflanzen sich sexuell fort und kombinieren ihre DNA mit der eines anderen Organismus, um sich zu vermehren. In diesen Fällen benötigen die Organismen eine andere Methode der Zellteilung. Bei der Mitose entstehen identische Zellen, während bei der Meiose Zellen mit der Hälfte der genetischen Information einer normalen Zelle entstehen, so dass sich zwei Zellen aus verschiedenen Organismen derselben Art miteinander verbinden können.

Eukaryotische Zellteilung: Meiose

Bei sich sexuell fortpflanzenden Tieren ist es normalerweise notwendig, die genetische Information vor der Befruchtung zu reduzieren. Einige Pflanzen können mit zu vielen Kopien des genetischen Codes existieren, aber bei den meisten Organismen ist eine zu große Anzahl von Kopien äußerst nachteilig. Beim Menschen kann schon eine zusätzliche Kopie eines Chromosoms zu schädlichen Veränderungen im Körper führen. Um dem entgegenzuwirken, unterziehen sich geschlechtlich reproduzierende Organismen einer Art von Zellteilung, der so genannten Meiose. Wie vor der Mitose werden die DNA und die Organellen repliziert. Der Prozess der Meiose umfasst zwei verschiedene Zellteilungen, die nacheinander stattfinden. Bei der ersten Meiose, der Meiose I, werden homologe Chromosomen getrennt. Die homologen Chromosomen, die in einer Zelle vorhanden sind, stellen die beiden Allele jedes Gens dar, über das ein Organismus verfügt. Diese Allele werden rekombiniert und getrennt, so dass die entstehenden Tochterzellen nur ein Allel für jedes Gen und keine homologen Chromosomenpaare haben. Bei der zweiten Teilung, der Meiose II, werden die beiden DNA-Kopien getrennt, ähnlich wie bei der Mitose. Das Endergebnis der Meiose in einer Zelle sind vier Zellen mit jeweils nur einer Kopie des Genoms, was der Hälfte der normalen Anzahl entspricht.

Organismen verpacken diese Zellen typischerweise in Keimzellen, die in die Umgebung reisen können, um andere Keimzellen zu finden. Wenn zwei Keimzellen des richtigen Typs aufeinandertreffen, befruchtet eine die andere und erzeugt eine Zygote. Die Zygote ist eine einzelne Zelle, die eine Mitose durchläuft, um die Millionen von Zellen zu erzeugen, die für einen großen Organismus notwendig sind. Die meisten Eukaryoten nutzen also sowohl die Mitose als auch die Meiose, allerdings in unterschiedlichen Stadien ihres Lebenszyklus.

Stadien der Zellteilung

Abhängig davon, welche Art der Zellteilung ein Organismus nutzt, können die Stadien leicht unterschiedlich sein.

Stadien der Mitose

Die Mitose beginnt mit der Prophase, in der das Chromosom kondensiert wird. Die Zelle geht in die Metaphase über, in der die Chromosomen auf der Metaphasenplatte ausgerichtet werden. Dann werden die Chromosomen in der Anaphase getrennt und das Zytoplasma der Zelle wird in der Telophase auseinandergezogen. Die Zytokinese ist der letzte Prozess, bei dem die Zellmembran aufgebrochen und die Zelle in zwei Teile geteilt wird.

Meiosephasen

Die Phasen der Meiose ähneln denen der Mitose, aber die Chromosomen verhalten sich anders. Die Meiose hat zwei Phasen, die zwei getrennte Zellteilungen umfassen, ohne dass sich die DNA dazwischen repliziert. Meiose I und Meiose II haben die gleichen 4 Phasen wie die Mitose: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Die Zytokinese schließt beide Runden der Meiose ab.

In der Prophase I werden die Chromosomen kondensiert. In der Metaphase I reihen sich die Chromosomen gegenüber ihren homologen Paaren auf. Wenn sie in Anaphase I und Telophase I getrennt werden, gibt es nur eine Form jedes Gens in jeder Zelle, was als Reduktionsteilung bezeichnet wird. Die Meiose II verläuft auf die gleiche Weise wie die Mitose, bei der sich die Schwesterchromatiden auf der Metaphasenplatte teilen. In der Telophase II gibt es vier Zellen, die jeweils die Hälfte der Allele der Mutterzelle und nur eine einzige Kopie des Genoms besitzen. Die Zellen können nun zu Keimzellen werden und miteinander verschmelzen, um neue Organismen zu schaffen.

Quiz

1. Somatische Zellen sind Zellen, die den Körper ausfüllen und sich vermehren müssen, um Schäden zu reparieren. Gametische Zellen sind Zellen, die Keimzellen produzieren. Welche Art der Zellteilung durchläuft jede Art von Zelle?
A. Somatisch= Mitose; Gametisch= Meiose
B. Somatisch= Mitose; Gametisch= Meiose und Mitose
C. Somatisch= Mitose und Meiose; Gametisch= Meiose und Mitose

2. Mitochondrien sind Organellen in Zellen, die ATP erzeugen, ein Molekül, das für Energie verwendet wird. Mitochondrien müssen sich innerhalb der Zelle, unabhängig von der Mitose oder Meiose, replizieren, um die Menge der gelieferten Energie zu regulieren. In den Mitochondrien befindet sich ein Ring aus DNA, der den mitochondrialen Stoffwechsel steuert. Diese mtDNA wird repliziert, das Mitochondrium dehnt sich aus und teilt sich in zwei Hälften. Um welche Art der Zellteilung handelt es sich?
A. Binäre Spaltung
B. Mitose
C. Meiose

3. Die Evolution hängt von der erfolgreichen Replikation der DNA ab. Tatsächlich stammt die gesamte DNA auf der Erde von nur ein oder zwei ursprünglichen Zellen, und die meisten Organismen sind miteinander verwandt. Was ist für die verschiedenen Formen des Lebens verantwortlich?
A. Mutation
B. Genetische Rekombination
C. Beides