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Der Zellkern

Jede Zelle verfügte über eine festgelegte Erbsubstanz, die Desoxyribonukleinsäure (DNS, englisch: DNA), die bei Eukaryoten im Zellkern in Form von Chromosomen verpackt ist. Betrachtet man eine eukaryotische Zelle unter dem Mikroskop, so ist der Zellkern als kugelförmiges Gebilde deutlich erkennbar.

Der Zellkern ist von zwei Membranen umhüllt. Durch Kernporen steht der Zellkern mit der Umgebung, dem Cytosol, in Verbindung. Über die Kernporen werden ausgewählte Moleküle zwischen Zellkern und Cytosol transportiert. Dies geschieht unter Energieverbrauch. So werden zum Beispiel mRNA-Moleküle aus dem Zellkern heraustransportiert, während Eiweiße (Proteine) in den Zellkern befördert werden.

Die innere Membran des Zellkerns enthält Proteine, die als Bindestelle für Chromosomen und die Kernlamina dienen. Die Kernlamina ist ein Netz aus Proteinen, das die Innenseite der Membran auskleidet und sie stützt. Die äußere Membran ist ähnlich aufgebaut.

Chromosomen: DNA im Verpackungsmodus

09_x_chromosom.jpg Die Chromosomen selbst liegen den größten Teil der Zeit nicht geordnet, sondern als chaotischer, ungeordneter DNA-Knäuel vor. Der Grund: Nur im aufgelockerten, ungeordneten Zustand kann die Erbinformation abgelesen werden. Da die DNA jedoch ein sehr langes Molekül ist und der Zellkern nur begrenzten Raum bietet, liegt sie auch in der Phase zwischen den Zellteilungen in einer Verpackung vor. Die DNA-Fäden sind spiralförmig um bestimmte Proteine (Histone) gewickelt und bilden Histonkomplexe. Die Gesamtheit aus DNA-Fäden und Histonkomplexen ist das Chromatin. Für eine Zellteilung müssen die Chromosomen jedoch eine sehr kompaktere und geordnete Struktur annehmen. Daher verdichtet sich das Chromatin vor der Zellteilung weiter. Jedes Chromosom besteht vor der Zellteilung aus zwei identischen Chromatiden, deren DNA-Faden jeweils mehrere Zentimeter lang ist.

Der Mensch besitzt 46 Chromosomen

Der Chromosomensatz des Menschen besteht aus 22 Autosomenpaaren und zwei Geschlechtschromosomen, den Gonosomen. Je ein Chromosom eines Chromosomenpaares kommt von der Mutter und eins vom Vater. Autosomenpaare und weibliche Geschlechtschromosomen (zwei X-Chromosomen) sind übereinstimmend (homolog). Die einzige Ausnahme ist das männliche Geschlechtschromosomenpaar, das nicht homolog ist: Es besteht aus einem X- und einem Y-Chromosom. Beide Chromosomen eines homologen Chromosomenpaares besitzen die gleichen Gene. Deswegen wird auch von einem doppelten (diploiden) Chromosomensatz gesprochen.

Mitose gleich Zellkernteilung

Wenn sich eine Zelle teilt, sollten die beiden Tochterzellen genau dieselben Erbinformationen enthalten, wie die Mutterzelle. Deswegen müssen sich die Chromosomen vor der Zellkernteilung verdoppeln. Dieser Vorgang heißt Replikation. Die Zellkernteilung und die Zellteilung sind aneinander gekoppelt. Daher werden beide Prozesse zusammen als Mitose-Phase bezeichnet.

Zellteilung_Animation.gif

Beide Chromatiden eines Chromosoms haben die identische Erbinformation. Darüber hinaus besitzen die Chromatiden eines Chromosoms verschiedene charakteristische Regionen, die für die Zellkernteilung, die Mitose von Bedeutung sind. In der sogenannten Centromer-Region, einem eingeschnürten Bereich in der Mitte des Chromosoms, bildet sich während der Mitose eine spezielle Proteinstruktur, der Kinetochor. Am Kinetochor setzen die Spindelfasern an, um die Chromatiden zu den Spindelpolen der späteren Tochterzellen zu ziehen.

Sobald sich die Zelle mit dem Abschluss der Mitose in zwei identische Tochterzellen geteilt hat, müssen die DNA-Fäden wieder entpackt und aufgelockert werden. Erst dann können die neuen Zellen ihre Aufgaben übernehmen.

Meiose: Die Reife- oder Reduktionsteilung

Im Unterschied zur Mitose halbiert sich bei der Meiose (übersetzt: Verminderung, Verkleinerung) der Chromosomensatz. Die Meiose wird auch als Reife- oder Reduktionsteilung bezeichnet. Der Chromosomensatz ist nicht mehr diploid, sondern nur noch haploid. Jedem der Tochterzellen wird bei der Meiose nur ein homologer Partner eines Chromosomenpaares zugeteilt.

Die Meiose ist die Voraussetzung für die sexuelle Fortpflanzung, da sich der Chromosomensatz ansonsten von Generation zu Generation verdoppeln würde. Die Meiose läuft immer in zwei Teilungsschritten (Meiose I und II) ab, wobei der zweite Meiose-Schritt ähnlich einer Mitose verläuft. Am Ende der Meiose hat sich eine diploide Körperzelle in vier haploide Keimzellen mit je 23 Chromosomen geteilt.

Meiose-Animation.gif

Beim Menschen bezeichnet man diese Keimzellen bei den Männern als Spermien und bei den Frauen als Eizellen. Nach dem Geschlechtsverkehr zwischen Mann und Frau verschmelzen im Zuge der Befruchtung ein Spermium und eine Eizelle zu einer neuen Zelle, der Zygote (befruchtete Eizelle). Die Zygote enthält eine neue genetische Ausstattung, die zur Hälfte von Mann und Frau stammt. Neues Leben kann entstehen.

Erbkrankheiten: Trisomie 21 oder Down-Syndrom

Manchmal kommt es bei der Weitergabe von Erbinformationen zu Fehlern, etwa bei der Chromosomenverteilung in der Meiose. Diese werden unter Umständen an die Kinder weitergegeben. Einer der bekanntesten Chromosomenfehler ist die Trisomie 21, auch Down-Syndrom genannt. Bei Menschen mit Down-Syndrom kommt das Chromosom 21 dreimal vor. Sie besitzen insgesamt 47 statt 46 Chromosomen. Die Folgen sind geistige Behinderungen sowie Fehlbildungen innerer Organe, wie Herzfehler oder Darmfehlbildungen, und Seh- sowie Hörstörungen.