Mitose und Meiose: Unterschied und Rekombination

Einstieg: Gleiche Zellen, verschiedene Geschwister

Dein Körper ist aus einer einzigen befruchteten Eizelle entstanden. Heute bestehst du aus Billionen Zellen, und fast jede davon trägt genau dieselbe Erbinformation. Gleichzeitig sehen Geschwister mit denselben Eltern verschieden aus. Wie passt das zusammen? Es gibt zwei Arten der Zellkernteilung: Die eine kopiert genau, die andere mischt neu.

Erklärung: Vom Ein-Chromatid- zum Zwei-Chromatid-Chromosom

Bevor sich eine Zelle teilt, verdoppelt sie ihre DNA. Jedes Chromosom besteht danach aus zwei identischen Hälften, den Chromatiden, die an einer Stelle zusammenhängen. Man nennt es dann Zwei-Chromatid-Chromosom. Bei der Teilung werden die Chromatiden getrennt, jede wird wieder ein eigenes Ein-Chromatid-Chromosom.

Mitose: erbgleiche Tochterzellen

Die Mitose ist die Kernteilung für Wachstum, Wundheilung und den Ersatz alter Zellen.

1. Die Chromosomen, jeweils aus zwei Chromatiden, verdichten sich und werden sichtbar.
2. Sie ordnen sich in der Mitte der Zelle in einer Ebene an.
3. Fasern ziehen die beiden Chromatiden jedes Chromosoms zu den entgegengesetzten Zellpolen.
4. Um beide Chromosomengruppen bildet sich ein neuer Zellkern, die Zelle teilt sich.

Ergebnis: zwei Tochterzellen mit je 46 Chromosomen, genetisch identisch mit der Mutterzelle. Darum tragen alle Körperzellen dieselbe Erbinformation.

Meiose: Halbierung und Neukombination

Die Meiose findet nur bei der Bildung von Keimzellen statt, also in Hoden und Eierstöcken. Sie beginnt mit einer Keimmutterzelle (beim Mann Spermatocyte, bei der Frau Oocyte erster Ordnung), die ihre DNA schon verdoppelt hat. Die Meiose besteht aus zwei Teilungen.

Erste Reifeteilung: Die homologen Chromosomen, jedes aus zwei Chromatiden, legen sich paarweise aneinander. Dann werden die Partner eines Paares getrennt. Welches Chromosom eines Paares in welche Tochterzelle kommt, ist Zufall. Jede Tochterzelle erhält von jedem Paar nur ein Chromosom, also 23. Die Chromosomenzahl ist halbiert.

Zweite Reifeteilung: Wie bei der Mitose werden die Chromatiden getrennt.

Ergebnis: vier Zellen mit je 23 Chromosomen, die sich genetisch voneinander unterscheiden. Beim Mann werden daraus vier Spermienzellen. Bei der Frau wird nur eine davon zur reifen Eizelle, die anderen sind sehr klein und gehen zugrunde.

Zwei Quellen der Vielfalt

1. Zufällige Verteilung der Chromosomen: Bei 23 Paaren gibt es $2^{23} \approx 8{,}4$ Millionen Möglichkeiten, die mütterlichen und väterlichen Chromosomen auf die Keimzellen zu verteilen.
2. Crossing-over: Während sich die homologen Chromosomen in der ersten Reifeteilung aneinanderlegen, können sie Stücke austauschen. So entstehen Chromosomen mit neuen Allel-Kombinationen.

Bei der Befruchtung verschmelzen eine Eizelle (23) und eine Spermienzelle (23) zur Zygote mit 46 Chromosomen. Allein durch die Verteilung der Chromosomen kann ein Elternpaar rechnerisch über 70 Billionen verschiedene Kombinationen hervorbringen. Diese Neukombination heißt Rekombination.

Beispiele

Beispiel 1: Mitose und Meiose im Vergleich

	Mitose	Meiose
Wo?	in fast allen Körperzellen	nur bei der Bildung von Keimzellen
Zahl der Teilungen	eine	zwei
Ergebnis	2 Zellen mit 46 Chromosomen	4 Zellen mit 23 Chromosomen
Erbinformation der Tochterzellen	identisch	verschieden
Aufgabe	Wachstum, Erneuerung	Keimzellen für die geschlechtliche Fortpflanzung

Beispiel 2: Ungeschlechtliche Fortpflanzung Ein Erdbeerstrauch bildet Ausläufer, aus denen neue Pflanzen wachsen. Diese entstehen nur durch Mitosen und haben dieselben Gene wie die Mutterpflanze. Sie sind natürliche Klone. Bei geschlechtlicher Fortpflanzung über Samen entstehen durch Meiose und Befruchtung dagegen Nachkommen mit neuen Kombinationen.

Merksatz

Die Mitose erzeugt zwei erbgleiche Tochterzellen mit vollständigem Chromosomensatz für Wachstum und Erneuerung. Die Meiose erzeugt vier Zellen mit halbiertem Chromosomensatz, aus denen die Keimzellen hervorgehen. Durch zufällige Verteilung der Chromosomen und Crossing-over sind alle Keimzellen verschieden. Die Befruchtung stellt den doppelten Satz wieder her.

Übungen

Grundlagen

1. Wie viele Zellen mit wie vielen Chromosomen entstehen beim Menschen aus einer Zelle durch Mitose, wie viele durch Meiose?
2. Erkläre, warum die Chromosomenzahl in der Meiose halbiert werden muss.
3. Was ist der Unterschied zwischen einem Ein-Chromatid- und einem Zwei-Chromatid-Chromosom?

Weiter

4. Begründe mit der Mitose, warum eine Leberzelle und eine Hautzelle desselben Menschen dieselben Gene haben.
5. Eine Fruchtfliege hat 8 Chromosomen in 4 Paaren. Berechne, wie viele verschiedene Keimzellen allein durch die zufällige Verteilung der Chromosomen möglich sind.
6. Erkläre, warum Geschwister verschieden aussehen, obwohl sie dieselben Eltern haben.

Knobeln

7. Lege mit Wollfäden oder Pfeifenreinigern in zwei Farben ein Modell der Meiose für eine Zelle mit 2 Chromosomenpaaren. Rot steht für Chromosomen der Mutter, Blau für die des Vaters. Zeige alle möglichen Keimzellen, die ohne Crossing-over entstehen können, und beschreibe eine Grenze dieses Modells.
8. Bei einer fehlerhaften Meiose werden die beiden Chromosomen 21 nicht getrennt. Eine Keimzelle enthält dann 24 Chromosomen. Wie viele Chromosomen hat die Zygote nach der Befruchtung mit einer normalen Keimzelle, und welches Chromosom liegt dreifach vor?

Lösungen

1. Mitose: 2 Zellen mit je 46 Chromosomen. Meiose: 4 Zellen mit je 23 Chromosomen.
2. Bei der Befruchtung verschmelzen zwei Keimzellen. Hätten beide 46 Chromosomen, hätte das Kind 92, und die Zahl würde sich in jeder Generation verdoppeln. Durch die Halbierung entsteht bei der Befruchtung wieder der normale Satz von 46.
3. Ein Ein-Chromatid-Chromosom besteht aus einem DNA-Faden. Nach der Verdopplung der DNA besteht ein Chromosom aus zwei identischen Chromatiden, die zusammenhängen. Das ist ein Zwei-Chromatid-Chromosom.
4. Alle Körperzellen sind durch Mitosen aus der befruchteten Eizelle entstanden. Bei jeder Mitose erhalten beide Tochterzellen eine vollständige, identische Kopie der Chromosomen. Deshalb haben Leber- und Hautzelle dieselben Gene. Sie unterscheiden sich darin, welche Gene sie nutzen.
5. $2^4 = 16$ verschiedene Keimzellen.
6. Jede Ei- und Spermienzelle der Eltern hat durch zufällige Verteilung der Chromosomen und Crossing-over eine andere Kombination von Allelen. Jedes Kind entsteht aus einer anderen Kombination aus Ei- und Spermienzelle.
7. Mit zwei Paaren (Paar 1: rot und blau, Paar 2: rot und blau) entstehen vier mögliche Keimzellen: 1 rot und 2 rot, 1 rot und 2 blau, 1 blau und 2 rot, 1 blau und 2 blau. Das sind $2^2 = 4$. Grenzen des Modells: Es zeigt weder die Gene auf den Chromosomen noch das Crossing-over. Echte Chromosomen sind zudem viel länger und dünner und liegen nicht geordnet nebeneinander.
8. $24 + 23 = 47$ Chromosomen. Das Chromosom 21 liegt dreifach vor. Diese Abweichung nennt man Trisomie 21 (Down-Syndrom).