Bio I Meiose und sexuelle Reproduktion

Zusammenfassung Kapitel 13
Meiose und sexuelle Reproduktion
Einführung in die Vererbung
Chromosomenvererbung
Gene: Vererbungseinheiten, DNA - Segmente mit spezifischer Nukleotid – Abfolge, bilden zusammen Genom
DNA: Polymer aus vier verschieden Nukleotiden, bei Eukaryoten in Chromosomen unterteilt
Chromosom: langes, aufgerolltes DNA – Molekül, trägt 100e-1000e von Genen
Locus: spezifischer Ort eines Gens
Gene programmieren die Zelle, damit diese bestimmte Proteine synthetisiert. Die Proteine sind dann für die
Expression unseres Charakterzugs zuständig.
Die Basis der Vererbung ist die DNA – Replikation. Die replizierte DNA gelangt mittels Gameten zu den
Nachkommen.
Jede Spezies hat eine charakteristische Chromosomenzahl (Mensch 46).
Vergleich asexuelle und sexuelle Reproduktion
Asexuelle (vegetative/ungeschlechtliche) Fortpflanzung: Ein einziger Elter gibt Kopie seines ganzen Genoms
weiter. Vermehrung durch Mitose, Knospung (Hydra), ... Genetische Unterschiede selten, Nachkommen sind
Klon des Elter
Sexuelle (geschlechtliche) Fortpflanzung: Nachkomme erhält von zwei Elternteilen je einen Chromosomensatz
grössere Variation, jeder Nachkomme hat eine einzigartige Genkombination, unterscheiden sich untereinander
und von Eltern
Die Rolle der Meiose im sexuellen Entwicklungszyklus
Als Entwicklungszyklus bezeichnet man die in der Generationenfolge auftretenden Entwicklungs- und
Fortpflanzungsstadien eines Organismus, von der Befruchtung der Eizelle bis zur Produktion eigener
Nachkommen.
Im sexuellen Entwicklungszyklus wechseln sich Befruchtung und Meiose ab
Der menschliche Entwicklungszyklus
Somatische Zellen: alle ausser Sperma- und Eizellen; 23 Chromosomenpaare (mit Lichtmikroskop sichtbar)
Autosomen: alle „Nicht - Geschlechtschromosomen“, also alle ausser X und Y
Homologe Chromosomen: die beiden Chromosomen, die ein Paar bilden; tragen die Informationen für das
selbe (Ausnahme dabei sind die Geschlechtschromosomen)
Gameten: Sperma- und Eizellen, haben 22 Autosomen +1 Geschlechtschromosom haploide Zellen
Syngamie: Befruchtung; Verschmelzen von Eizelle und Sperma, führt zur Zygote (diploid)
Durch mitotische Teilungen erhalten alle somatischen Zellen die Gene der Zygote.
Die einzigen menschlichen Zellen die nicht durch Mitose entstehen sind die Gameten, welche sich in den
Gonaden (Eierstöcken und Hoden) entwickeln.
Die Mitose verändert den Chromosomensatz nicht. Die Meiose hingegen halbiert ihn; diploide Zellen werden zu
haploiden. Die Befruchtung stellt wieder den diploiden Satz her.
Der menschliche Entwicklungszyklus ist für viele Tiere typisch.
Befruchtung und Meiose sind die Merkmale für die sexuelle Reproduktion.
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Die Vielfalt der sexuellen Entwicklungszyklen
Es gibt drei Hauptgruppen. Sie unterscheiden sich im Zeitpunkt von Meiose und Befruchtung:
• Diplont: Alle mehrzelligen Stadien sind diploid. Die Gameten sind die einzigen haploiden Zellen. Die
Meiose läuft während der Bildung der Gameten ab und die Zygote folgt unmittelbar. Der mehrzellige
Organismus entsteht aus der mitotischen Teilung der Zygote. (die meisten Tiere; menschlicher Zyklus)
• Haplont: Nur die Zygote ist diploid. Die Meiose erfolgt unmittelbar nach der Befruchtung. Die daraus
entstehenden haploiden Zellen teilen sich mitotisch und werden zum mehrzelligen Organismus. Der
haploide Organismus bildet die Gameten durch Mitose. (die meisten Pilze und einige Algen)
• Diplo-Haplont: Es findet ein diplo-haploider Generationswechsel statt. Sowohl diploide als auch haploide
vielzellige Stadien sind vorhanden. Das diploide vielzellige Stadium wird als Sporophyt bezeichnet. Durch
Meiose bildet der Sporophyt haploide Sporen. Diese werden durch mitotische Teilungen zum Gametophyt
(vielzelliges haploides Stadium). Ebenfalls durch Mitose bildet dieser Gameten, die sich wieder zu einer
diploiden Zygote vereinen. Durch Mitose entsteht wieder ein Sporophyt. (Pflanzen und einige Algen)
Gemeinsamkeit: Sowohl diploide als auch haploide Zellen kommen vor. Meiose und Zygote wechseln sich ab.
Es gibt genetische Variationen bei den Nachkommen.
Meiose
Wie der Mitose geht auch der Meiose eine Replikation (Verdoppelung der Chromosomen) voran. Es folgen zwei
Zellteilungen; Meiose I und II. Daraus entstehen vier Tochterzellen mit haploidem Chromosomensatz.
Meiose I
Interphase I: Replikation der Chromosomen jedes Chromosom besteht aus zwei Schwesterchromatiden.
Die Centriolen verdoppeln sich ebenfalls.
Prophase I: Die Chromosomen verdichten sich, homologe Chromosomen finden zusammen (Synapse).
Durch Überkreuzen der Chromatiden (Chiasmata) können Stücke ausgetauscht werden
(Crossing-over).
Ein so zusammenlagerndes homologes Chromosomenpaar wird als Tetrade bezeichnet.
Die Centriolen wandern zu den Polen und bilden Spindelfasern aus. Kernmembran und
Nucleoli lösen sich auf.
Die Spindelfasern „packen“ die Kinetochoren (beim Centromer) und die Chromosomenpaare
wandern zur Metaphaseplatte (am Äquator zwischen den Centriolen). Die Prophase I nimmt
90% der Zeit der ganzen Meiose in Anspruch und kann Tage dauern.
Metaphase I: Die Chromosomenpaare sind in der Metaphaseplatte angeordnet.
Anaphase I: Der Spindelapparat bewegt die Chromosomen zu den Polen. Dabei werden die
Chromosomenpaare getrennt (die Chromatiden bleiben aber noch zusammen).
Telophase I und Cytokinese: An jedem Pol befindet sich nun haploider Chromosomensatz. Es folgt die
Cytokinese (Cytoplasmateilung) zwei Tochterzellen entstehen.
Bei einigen Spezies bilden sich nun Kernmembran und Nucleoli wieder und es folgt eine
Interphase II vor der Meiose II. Bei anderen Spezies folgt die Prophase II unmittelbar. ( Es
erfolgt aber nie eine zweite Replikation!)
Meiose II
Prophase II: Der Spindelapparat bildet sich und die Chromosomen bewegen sich zur Metaphaseplatte.
Metaphase II: Die Chromosomen sind auf der Metaphaseplatte angeordnet; die Kinetochoren der
Schwesterchromatiden sind entgegengesetzt ausgerichtet.
Anaphase II: Die Schwesterchromatiden trennen sich am Centromer und wandern zu den entgegengesetzten
Polen.
Telophase II und Cytokinese: Bei beiden Polen bildet sich ein Zellkern; die Cytokinese folgt. vier
Tochterzellen, jede mit haploider Zahl nicht - replizierter Chromosomen.
(Bild 13.6 S.232-233 bietet einen guten Überblick)
Vergleich Mitose – Meiose
Die Meiose reduziert die Chromosomenzahl.
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Genetische Konsequenzen: Mitose produziert genetisch identische Tochterzellen, Meiose produziert
Tochterzellen die weder zu den Eltern noch zueinander identisch sind.
Bei der Mitose gibt es keine Synapse und somit kein Chiasma was für Crossing-over nötig wäre.
Bei der Metaphase I der Meiose ordnen sich die homologen Chromosomenpaare auf der Metaphaseplatte an;
nicht die einzelnen Chromosomen wie bei der Mitose.
Bei der Anaphase I der Meiose trennen sich nicht die Chromatiden wie bei der Mitose sondern die homologen
Chromosomenpaare.
Die Meiose II trennt die Schwesterchromatiden und verläuft sehr ähnlich wie die Mitose.
Funktion: Die Mitose dient (bei Tieren) zur Zellvermehrung, so dass aus der Zygote ein mehrzelliger
Organismus entstehen kann. Auch verletztes Gewebe wird mittels Mitose geheilt.
Die Meiose dient zur Produktion von Gameten und ist Ursache der genetischen Variabilität.
Ursprung der genetischen Variation
Drei Mechanismen sind dafür zuständig: Freie Rekombination der Chromosomen, Crossing-over, zufällige
Befruchtung
Freie Rekombination der Chromosomen
Bei der Metaphase I ist es zufällig, welches Chromosom des homologen Paares gegen welche Pol ausgerichtet
ist. Dadurch erfolgt eine zufällige Verteilung der mütterlichen und väterlichen Chromosomen. Es gibt dabei 2n
Möglichkeiten (n = haploide Chromosomenzahl des Organismus, Mensch 223 = ca. 8 Mio.)
Crossing-over
Durch Crossing-over entstehen Chromosomen, die ein einzigartiges Gemisch aus väterlichem und mütterlichem
Material darstellen. (geschieht während Prophase I)
Zufällige Befruchtung
Wenn jeder Elternteil 2n verschiedene Gameten erzeugen kann, so produzieren die Eltern zusammen eine
Zygote, die eine unter 2n x 2n möglichen Rekombinationen darstellt (Mensch 64 Billionen).
Evolutionäre Anpassung beruht auf der genetischen Variabilität einer Population
Neben der sexuellen Reproduktion trägt auch die Mutation zur genetischen Variabilität bei. Ohne diese beiden
Faktoren wäre die Evolution unmöglich gewesen: Eine Population evolviert durch den unterschiedlichen
Fortpflanzungserfolg ihrer genetisch verschiedenen Mitglieder. Im Durchschnitt erzeugen jene Individuen, die
am besten an ihre Umwelt angepasst sind, die meisten fortpflanzungsfähigen Nachkommen und geben so ihre
Gene weiter. Die erbliche Variabilität ermöglicht also die Evolution.
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