Kapitel 2

Grundlagen der Zellbiologie

IN DIESEM KAPITEL

• Lernen wir die Zelle kennen
• Sehen wir uns Chromosomen genau an
• Erforschen wir die einfache Zellteilung (Mitose)
• Bewundern wir die komplexe Meiose

Genetik und die Zellbiologie sind eng miteinander verwandt. Die Weitergabe von Genen von einer Generation zur nächsten ist vollends auf Zellwachstum und Zellteilung angewiesen. Um sich zu vermehren, kopieren einfache Organismen wie Bakterien ihr Erbgut und teilen sich in zwei Zellen. Aber Lebewesen, die sich sexuell fortpflanzen, durchlaufen ein kompliziertes Ritual aus Mischen, Teilen und Zusammenfügen von DNA-Strängen (was Rekombination genannt wird), um das Erbgut einer normalen Zelle dann für die Anlage spezieller Geschlechtszellen zu halbieren, wodurch völlig neue Genkombinationen bei den Nachkommen möglich werden. Genau dieser erstaunliche Vorgang macht Sie so einzigartig. Also treten Sie ein in Ihre Zelle - und schauen Sie sich den Vorgang der Mitose (die Zellteilung) und der Meiose (die Produktion von Geschlechtszellen) an. Erst dann können Sie richtig verstehen, wie die Genetik funktioniert.

Sehen Sie sich in Ihrer Zelle um

Bezogen auf den Zellkern unterscheiden wir zwei verschiedene Zellstrukturen:

• Prokaryoten: Diese Zellen besitzen keinen Kern und die DNA schwimmt mehr oder weniger lose im Zellinneren herum.
• Eukaryoten: Es existiert ein Zellkern, der die DNA enthält und schützt.

Ein Zellkern ist ein abgeschirmter Bereich in der Zelle, der von einer Kernmembran umgeben ist und die DNA enthält.

Alle Zellen sind entweder Pro- oder Eukaryoten, deshalb ist es wichtig, sowohl die Ähnlichkeiten als auch die Unterschiede zwischen den beiden zu verstehen. Die Prokaryoten sind das evolutionsbiologisch ältere Zellmodell, aus dem sich dann später die Eukaryoten wie der Mensch entwickelt haben. Abbildung 2.1 zeigt Ihnen die Struktur beider Zelltypen.

Zellen ohne Kern

Organismen ohne Zellkern werden als Prokaryoten bezeichnet, was frei übersetzt »vor dem Kern« bedeutet. Die Prokaryoten sind die meistverbreiteten Lebewesen auf der Erde. In Ihrem Körper und auf Ihrer Haut wohnen Millionen Prokaryoten: die Bakterien. Viele Dinge in Ihrem Leben und viele Vorgänge in Ihrem Körper hängen von diesem Zusammenleben ab. Zum Beispiel helfen Bakterien bei der Verdauung im Dickdarm, wo sie noch unverdaute Speisereste aufspalten. Die meisten Bakterien in Ihrem Körper sind für Sie völlig harmlos, andere können jedoch bösartig und tödlich sein und hoch ansteckende Krankheiten wie beispielsweise Cholera, Scharlach oder die Pest verursachen.

Abbildung 2.1: Eine prokaryotische Zelle (links) ist im Vergleich zu einer eukaryotischen Zelle (rechts) sehr einfach aufgebaut.

Alle Bakterien sind Prokaryoten - aber nicht alle Prokaryoten sind Bakterien. Zellen ohne Zellkern besitzen nämlich auch die Blaualgen und die Archaeen oder »Archaebakterien«, die eigentlich gar keine Bakterien sind. Archaeen sind Einzeller, die in heißen Quellen oder in Salzseen vorkommen und die evolutionsbiologisch neben den Bakterien und Eukaryoten das dritte Reich des Lebens bilden.

Die prokaryotischen Zellen sind von einer Zellwand umgeben, die den einzigen Schutz des Bakteriums vor der Außenwelt darstellt. Eine Plasmamembran (Membranen sind dünne Trennschichten) regelt den Austausch von Nährstoffen, Wasser und Gasen, die die Zelle zum Leben braucht. Die DNA schwimmt, in der Regel als ein ringförmiges Chromosom, im Inneren der Zelle herum. Die flüssige Füllung der Zelle wird Zytoplasma genannt. Das Zytoplasma bietet der DNA und den anderen Zellbestandteilen und Nährstoffen, die die Zelle am Leben halten, ein kuscheliges, wässriges Zuhause. Prokaryoten vermehren sich durch einfache Zellteilung, die im Abschnitt »Mitose: Aufspaltung« weiter hinten im Kapitel beschrieben wird.

Zellen mit Kern

Organismen, deren Zellen einen Zellkern besitzen, nennt man Eukaryoten, was so viel heißt wie »der wahre Kern«. Die Vielfalt der Eukaryoten reicht von einzelligen Tierchen und Algen bis hin zu komplexen Lebewesen aus Milliarden von Zellen, wie zum Beispiel Sie eines sind. Eukaryotische Zellen sind recht kompliziert aufgebaut und bestehen aus zahlreichen Zellbestandteilen (siehe Abbildung 2.1). Wie die Prokaryoten sind auch die eukaryotischen Zellen von einer Plasmamembran umgeben, und manchmal wird die Membran zusätzlich durch eine Zellwand verstärkt (Pflanzen zum Beispiel haben Zellwände). Aber damit hören die Gemeinsamkeiten auch schon auf.

Das wichtigste Charakteristikum der Eukaryoten ist der Zellkern (oder auch Nukleus). Der Zellkern ist ebenfalls von einer Membran umgeben, der Kernmembran. Er enthält das Erbgut, die DNA, die auf ein oder mehrere Chromosomen verteilt ist, und schützt diese im täglichen Leben vor Schäden. Die Chromosomen der Eukaryoten sind im Gegensatz zu den Ringen der Prokaryoten normalerweise lange fadenartige Elemente. Ein weiteres Kennzeichen der Eukaryoten ist die Art und Weise, wie die DNA im Zellkern verpackt ist: Eukaryoten haben in der Regel viel mehr DNA zu lagern als Prokaryoten. Darüber hinaus muss diese dann auch noch in den kleinen Zellkern gepackt werden. Dafür wird sie fest um spezielle Proteine gewickelt. (Wenn Sie sich das näher ansehen wollen, lesen Sie Kapitel 6.)

Im Gegensatz zu den Prokaryoten besitzen die Eukaryoten weitere Zellbestandteile, Organellen genannt, die das tägliche Leben ermöglichen. Die Organellen findet man im Zytoplasma außerhalb des Zellkerns. Die zwei wichtigsten Organellen sind:

• Mitochondrien: Das sind die Kraftwerke der eukaryotischen Zelle. Sie pumpen Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP), die sie aus Glukose (einem Einfachzucker) gewonnen haben, in die Zelle. ATP ist wie eine Batterie, die Energie für die Zelle speichert. Sowohl Tier- als auch Pflanzenzellen besitzen Mitochondrien.
• Chloroplasten: Diese Organellen findet man nur in Pflanzenzellen. Sie wandeln die Energie des Sonnenlichts in Glukose um (der Umwandlungsprozess heißt Photosynthese). Die Mitochondrien der Pflanzen verwandeln diese Glukose wieder in Energie (ATP, siehe oben), die die Zelle am Leben hält.

Bei den meisten vielzelligen Eukaryoten kommen zwei Zelltypen vor: Körperzellen (auch somatische Zellen genannt) und Geschlechtszellen. Beide Zelltypen haben unterschiedliche Aufgaben und werden unterschiedlich hergestellt.

Somatische Zellen

Somatische Zellen werden durch einfache Zellteilung produziert, die Mitose genannt wird (wie das funktioniert, finden Sie im Abschnitt »Mitose: Aufspaltung«). Somatische Zellen vielzelliger Organismen wie zum Beispiel dem Menschen sind hoch spezialisiert. Haut- und Muskelzellen beispielsweise sind somatische Zellen. Sie werden jedoch feststellen, dass sie unter dem Mikroskop betrachtet sehr unterschiedlich aussehen. Die verschiedenen Zellen bestehen zwar alle aus den gleichen Bestandteilen (Membran, Organellen, Zellkern und so weiter), aber deren Zusammenstellung und Gestalt variiert von einem Zelltyp zum anderen, sodass sie alle verschiedene Aufgaben wie die Verdauung (Darmzellen), die Energiespeicherung (Fettzellen) oder den Sauerstofftransport zu den Geweben (Blutzellen) übernehmen können.

Geschlechtszellen

Geschlechtszellen sind auf die Fortpflanzung spezialisierte Zellen; nur eukaryotische Organismen pflanzen sich sexuell fort. Die sexuelle Fortpflanzung kombiniert das Erbgut zweier Organismen. Dazu bedarf es besonderer Vorbereitungen: Der Umfang an genetischem Material für die Geschlechtszelle wird halbiert - der Prozess nennt sich Meiose. Bei Menschen und fast allen Tieren gibt es zwei Sorten von Geschlechtszellen mit je einem halben (einfachem statt doppeltem) Chromosomensatz: Eizellen und Spermien.

Das Einmaleins der Chromosomen

Chromosomen sind fadenartige Stränge aus DNA. Zur Weitergabe der genetischen Informationen von einer Generation zur nächsten müssen die Chromosomen kopiert und die Kopien zu gleichen Teilen verteilt werden. Die meisten Prokaryoten besitzen nur ein ringförmiges Chromosom, das für die Zellteilung verdoppelt wird. Eine Kopie wird an die Tochterzelle (das ist die neu entstandene Zelle) weitergegeben. Eukaryotische Zellen haben da ein paar Probleme mehr zu lösen, zum Beispiel die hälftige Aufteilung vieler Chromosomen bei der Mitose und bei der Herstellung von Geschlechtszellen in der Meiose.

Chromosomen zählen

Jeder eukaryotische Organismus besitzt eine bestimmte Anzahl von Chromosomen, der Mensch hat beispielsweise 46 Chromosomen. Von diesen Chromosomen gibt es zwei Sorten:

• Geschlechtschromosomen: Diese Chromosomen bestimmen das Geschlecht. Menschliche Zellen enthalten zwei Geschlechtschromosomen. Wenn Sie eine Frau sind, haben Sie zwei X-Chromosomen; sind Sie ein Mann, haben Sie ein X- und ein Y-Chromosom. (Wenn Sie mehr über...