Keimzellen & Ablauf der Meiose

Vielleicht hast Du Dich schon mal gefragt, warum sich Geschwister zwar ähnlich sind, aber nie genau gleich aussehen. Das liegt an der Meiose. Dabei handelt es sich um eine besondere und wichtige Form der Zellteilung. Das Ziel des Ganzen ist es, aus einer Mutterzelle genetisch unterschiedliche Tochterzellen zu schaffen. Wohingegen das Ziel der Mitose die Entstehung von zwei genetisch identischen Tochterzellen ist.

Einfach erklärt

Es gibt zwei verschiedene Arten der Zellteilung: die Mitose und die Meiose.

Die Meiose ist eine besondere Form der Zellteilung, allerdings unterscheidet sie sich erheblich von der Mitose. Bei der Mitose entstehen zwei genetisch identische Tochterzellen, mit dem Sinn, die Anzahl der Zellen zu vermehren (Zellwachstum).

Die Meiose findet ausschliesslich in Keimzellen (Eizelle, Spermium) statt, und es entstehen insgesamt vier Tochterzellen, die sich genetisch unterscheiden. Jede der vier Tochterzellen enthält jeweils einen einfachen, oder auch haploiden Chromosomensatz. Die Mutterzelle durchläuft dabei zwei Schritte:

Meiose 1, oder auch Reduktionsteilung
Meiose 2, oder auch mitotische Zellteilung

Bei der Befruchtung, wenn Eizelle und Spermium aufeinander treffen und miteinander verschmelzen, entsteht eine Zelle, die wieder den vollständigen doppelten/haploiden Chromosomensatz mit 46 Chromosomen erhält.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose

Ablauf der Meiose

Die Meiose besteht, wie die Mitose, aus verschiedenen Phasen, die nacheinander ablaufen. Die Phasen der Meiose sind genau wie die Phasen der Mitose benannt, allerdings sind sie zusätzlich nummeriert, da während der Meiose zweimal der Zellzyklus durchlaufen wird.

Meiose 1 - Reduktionsteilung

Jede Körperzelle enthält $46$ Chromosomen, also einen doppelten (diploiden) Chromosomensatz. Damit sich bei der Befruchtung nicht der Chromosomensatz verdoppelt, muss der Chromosomensatz in der Reduktionsteilung reduziert werden.

Prophase 1

Die Chromosomen spiralisieren sich auf, damit sie in der Transportform vorliegen. Homologe Chromosomen positionieren sich nebeneinander, dabei kann es zum sogenannten Crossingover kommen. Dabei überlappen sich manche Bereiche der homologen Chromosomen und tauschen untereinander genetisches Material aus, was zu einer zusätzlichen Durchmischung der DNA führt. Die Spindelapparate bilden sich an den beiden Zellpolen aus und die Kernhülle löst sich auf.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose

Metaphase 1

Nachdem der Spindelapparat vollständig ausgebildet ist, ordnen sich die Chromosomen in der Äquatorialebene an. Daraufhin binden die Spindelfasern an das Centromer der Chromosomen.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose

Anaphase 1

Die Chromosomen werden im Ganzen (also als Zwei-Chromatid-Chromosom) am Centromer zu den entgegengesetzten Zellpolen gezogen.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose

Telophase 1

Eine neue Kernhülle wird gebildet und die Zelle teilt sich. Die beiden Tochterzellen haben einen vollständigen Chromosomensatz aus Zwei-Chromatid-Chromosomen erhalten.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose

Ergebnis der Reduktionsteilung

Aus einer diploiden Mutterzelle sind zwei haploide Tochterzellen entstanden. Die Mutterzelle hatte $46$ vollständige Chromosomen (Zwei-Chromatid-Chromosomen), deshalb diploid (doppelter Chromosomensatz). Die beiden Tochterzellen haben je $23$ Chromosomen (Zwei-Chromatid-Chromosomen) erhalten, deshalb haploid (einfacher Chromosomensatz).

Eine diploide Mutterzelle

Zwei haploide Tochterzellen

$46$ Chromosomen

$23$ Chromosomen

Zwei-Chromatid-Chromosomen

Zwei-Chromatid-Chromosomen

Diploid = Doppelter Chromosomensatz

Haploid = Einfacher Chromosomensatz

(Eselsbrücke: Haploid = Halber Chromosomensatz)

Meiose 2 - Mitotische Zellteilung

Der zweite Schritt der Meiose wird mitotische Zellteilung genannt, weil die Schritte eigentlich identisch zur Mitose sind (Bedenke bitte, dass wir im ersten Schritt der Meiose (Reduktionsteilung) bereits zwei Tochterzellen erhalten haben, die sich nun weiter teilen). Ab jetzt werden diese beiden haploiden Tochterzellen als Mutterzellen bezeichnet, und die daraus resultierenden Zellen wieder als Tochterzellen.

Prophase 2

Die Chromsomen spiralisieren sich wieder auf und liegen in der Transportform vor. Die Kernhülle löst sich wieder auf und ein Spindelapparat bildet sich an den Zellpolen aus.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose

Methaphase 2

Nachdem sich alle Chromosomen in der Äquatorialebene angeordnet haben, binden die Spindelfasern am Centromer der Chromosomen.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose

Anaphase 2

Die Chromosomen werden am Centromer in Ein-Chromatid-Chromosomen aufgetrennt und an die entgegengesetzten Zellpole transportiert.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose

Telophase 2

Eine neue Kernhülle wird gebildet und die Zellen teilen sich. Nach der Zellteilung sind vier Tochterzellen mit jeweils einem Chromosomensatz aus Einzelchromosomen entstanden.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose

Ergebnis der Reduktionsteilung

Zwei haploide Mutterzellen	Vier haploide Tochterzellen
$23$ Chromosomen	$23$ Chromosomen
Zwei-Chromatid-Chromosomen	Ein-Chromatid-Chromosomen
Haploid = Einfacher Chromosomensatz	Haploid = Einfacher Chromosomensatz

Keimzellen: Eizellen und Spermien

Das Produkt der Meiose sind vier genetisch unterschiedliche Keimzellen, die notwendig sind für die Befruchtung. Im männlichen Geschlecht handelt es sich bei den Keimzellen um Spermien, beim weiblichen Geschlecht um Eizellen (Oozyten). Allerdings gibt es zwischen den Geschlechtern einen Unterschied:

Männliches Geschlecht: Aus einer diploiden Ursamenzelle entstehen vier gleichwertige haploide Spermien.
Weibliches Geschlecht: Aus einer diploiden Ureizelle nur eine Eizelle. Die übrigen drei Tochterzellen werden Polkörperchen genannt und sie sind nicht befruchtbar. In der Regel werden die Polkörperchen wieder abgebaut.

Keimzellen Produktion

Es gibt auch noch einen weiteren wichtigen Unterschied zwischen den Keimzellen.

In den Hoden befinden sich die Urkeimzellen. Nachdem sie die Meiose durchlaufen haben, differenzieren sie sich weiter zu funktionstüchtigen Spermien. Ein Ejakulat enthält $200$ bis $600$ $Millionen$ Spermien. Ab dem Eintritt in die Geschlechtsreife werden ständig neue Spermien produziert.

In den Eierstöcken entwickeln sich die Urkeimzellen zu Eizellen. Sie treten bereits als Fötus in die Prophase 1 der Meiose ein. Im Gegensatz zu Spermien verweilen die Eizellen in diesem Stadium und durchlaufen erst nach dem Eintritt der Geschlechtsreife den Rest des Zyklus. Wenn eine reife Eizelle den Eierstock verlässt, ist die Meiose noch in der Metaphase 2. Sofort nach der Befruchtung wird die Meiose der Eizelle erst abgeschlossen. Im Laufe des Lebens reifen deshalb nur etwa $400$ Eizellen heran. Das bedeutet, dass ab dem Zeitpunkt der Geburt alle Eizellen des weiblichen Neugeborenen in der Prophase 1 sozusagen "eingefroren" sind, bis sie sich im Zuge des Eisprungs weiter entwickeln. Das ist unter anderem auch der Grund für die Menopause im weiblichen Körper.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose — 1) Diploide Urkeimzelle
2) Eizellen, die in der Prophase 1 der Meiose "eingefroren" sind bis zur Geschlechtsreife
3) Reifung der Eizellen bis zum Eisprung
4) Reife Eizelle
5) Polkörperchen

Bedeutung der Meiose

Nur Keimzellen durchlaufen die Meiose, und ihre Funktion ist die Fortpflanzung. Deshalb entstehen bei der Meiose genetisch unterschiedliche Zellen. Die Meiose hat eine grosse Bedeutung für den Fortbestand von Lebewesen. Zum einen sorgt dieser Mechanismus dafür, dass der Chromosomensatz gleich bleibt und sich nicht verdoppelt. Eizelle und Spermium haben beide nur einen halben Chromosomensatz (hapoloid), das heisst, wenn sie verschmelzen (Befruchtung) entsteht dabei wieder ein vollständiger doppelter Chromosomensatz (diploid). Zum anderen spielt die Meiose eine wichtige Rolle für die genetische Vielfalt. Durch die Befruchtung entsteht eine Kombination aus mütterlichen und väterlichen Genen. Zusätzlich sorgt das Crossingover während der Prophase 1 zu einer zusätzlichen Durchmischung des genetischen Materials und führt zu noch mehr Vielfalt.

Biologie; Grundlagen der Fortpflanzung; 1. Gymi; Keimzellen & Ablauf der Meiose — Während der Befruchtung verschmelzen das haploide Spermium mit der haploiden Eizelle und bilden einen vollständigen Chromosomensatz.

Rekombination

Wie viele Kombinationsmöglichkeiten gibt es eigentlich bei der Befruchtung, wenn Spermium und Eizelle miteinander verschmelzen?

Insgesamt entstehen bei der Meiose vier Keimzellen mit haploidem Chromosomensatz. Allerdings unterscheidet sich das genetische Material dieser Zellen, da die Verteilung der Chromosomen in der ersten meiotischen Teilung (Reduktionsteilung) zufällig erfolgt.

Es kann mathematisch berechnet werden:

Bei einer Zelle mit $23$ Chromosomenpaaren gibt es $2²³$  Möglichkeiten, die Chromosomen auf die Keimzellen zu verteilen. Das heisst, dass ein Mensch fast $8$ $Millionen$ verschiedene Keimzellen bilden kann!

Diese Neuverteilung des genetischen Materials wird Rekombination genannt.

Durch die Befruchtung einer Eizelle mit einem Spermium wird die Chromosomenanzahl wieder auf $46$ verdoppelt. Jede Keimzelle hat über $8$ $Millionen$ Kombinationsmöglichkeiten, also hat die befruchtete Eizelle $8$ $Millionen$ x $8$ $Millionen$ = $64$ x $10¹²$ verschiedene Kombinationsmöglichkeiten der Chromosomen. Das ist der Grund, warum sich Geschwister ähnlich sehen können, aber nie komplett identisch sind (ausser eineiige Zwillinge), weil die Wahrscheinlichkeit fast gegen null geht, dass zweimal dieselbe Kombinationsmöglichkeit eintritt. Das ist auch der Sinn des Ganzen, um für genetische Vielfalt zu sorgen.

Zusammenfassung

Zwei Arten der Zellteilung: Mitose und Meiose.
Die Meiose findet ausschliesslich in Keimzellen (Spermien, Eizellen) statt.
Es gibt zwei Teilungsschritte in der Meiose:
Meiose 1, oder Reduktionsteilung
Meiose 2, oder mitotische Zellteilung
Reduktionsteilung: Jede Zelle enthält einen doppelten Chromosomensatz, welcher reduziert werden muss auf 23 Chromosomen, damit bei der Befruchtung der Chromosomensatz nicht verdoppelt wird.
Phasen der Reduktionsteilung: Prophase 1, Metaphase 1, Anaphase 1, Telophase 1.
Ergebnis der Reduktionsteilung: Aus einer diploiden Mutterzelle entstehen zwei haploide Tochterzellen, die jeweils Zwei-Chromatid-Chromosomen enthalten.
Während der Prophase 1 kommt es zum Crossingover, wodurch homologe Chromosomen untereinander genetisches Material austauschen für die zusätzliche Durchmischung der DNA.
Mitotische Zellteilung: Die entstandenen zwei diploiden Zellen teilen sich ein weiteres Mal und durchlaufen im Prinzip dieselben Schritte wie in der Mitose.
Phasen der mitotischen Zellteilung: Prophase 2, Metaphase 2, Anaphase 2, Telophase 2.
Ergebnis der mitotischen Zellteilung: Aus zwei haploiden Mutterzellen entstehen vier haploide Tochterzellen, die jeweils nur noch Ein-Chromatid-Chromosomen enthalten.
Bedeutung der Meiose: Wichtig für die genetische Vielfalt bei der Befruchtung.
Rekombination: Durch die unterschiedliche Verteilung der Chromosomen, auf die Tochterzellen sowie dem Crossingover wird das genetische Material unterschiedlich verteilt.