Biologie I

Wenn sich eine Zelle teilt, besteht eine ihrer Hauptaufgaben darin, sicherzustellen, dass jede der beiden neuen Zellen eine vollständige, perfekte Kopie des genetischen Materials erhält. Fehler beim Kopieren oder eine ungleiche Aufteilung des genetischen Materials zwischen den Zellen können zu ungesunden oder funktionsunfähigen Zellen (und sogar zu Krankheiten wie Krebs) führen. Aber was genau ist dieses genetische Material, und wie verhält es sich im Laufe einer Zellteilung?

DNA und Genome

DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist das genetische Material lebender Organismen. Beim Menschen ist die DNA in fast allen Körperzellen zu finden und liefert die Anweisungen, die sie brauchen, um zu wachsen, zu funktionieren und auf ihre Umgebung zu reagieren. Wenn sich eine Zelle des Körpers teilt, gibt sie eine Kopie ihrer DNA an jede ihrer Tochterzellen weiter. Die DNA wird auch auf der Ebene von Organismen weitergegeben, indem sich die DNA in Spermien und Eizellen zu einem neuen Organismus vereinigt, der genetisches Material von beiden Elternteilen enthält. Physikalisch gesehen ist die DNA eine lange Kette gepaarter chemischer Einheiten (Nukleotide), die es in vier verschiedenen Arten gibt, und sie trägt Informationen, die in Einheiten, den so genannten Genen, organisiert sind. Gene enthalten in der Regel Anweisungen für die Herstellung von Proteinen, die den Zellen und Organismen ihre funktionellen Eigenschaften verleihen.

Bei Eukaryoten wie Pflanzen und Tieren befindet sich der größte Teil der DNA im Zellkern und wird als Kern-DNA bezeichnet. Mitochondrien, Organellen, die Energie für die Zelle gewinnen, enthalten ihre eigene mitochondriale DNA, und Chloroplasten, Organellen, die die Photosynthese in Pflanzenzellen durchführen, haben ebenfalls Chloroplasten-DNA. Die DNA-Mengen in Mitochondrien und Chloroplasten sind viel kleiner als die im Zellkern. In Bakterien und anderen Prokaryonten befindet sich der größte Teil der DNA in einem zentralen Bereich der Zelle, dem so genannten Nukleoid, das ähnlich wie ein Zellkern funktioniert, aber nicht von einer Membran umgeben ist.

Die Gesamtheit der DNA einer Zelle wird als ihr Genom bezeichnet. Da alle Zellen eines Organismus (bis auf wenige Ausnahmen) die gleiche DNA enthalten, kann man auch sagen, dass ein Organismus sein eigenes Genom hat, und da die Mitglieder einer Art typischerweise ähnliche Genome haben, kann man auch das Genom einer Art beschreiben. Wenn man vom menschlichen Genom oder einem anderen eukaryontischen Genom spricht, meint man im Allgemeinen den DNA-Satz, der sich im Zellkern befindet (d. h. das Kerngenom). Mitochondrien und Chloroplasten werden als eigene Genome betrachtet.

Chromosomen

Jede Art hat ihre eigene charakteristische Anzahl von Chromosomen. Der Mensch zum Beispiel hat 46 Chromosomen in einer typischen Körperzelle, während Hunde 78 haben. Wie viele Tier- und Pflanzenarten ist auch der Mensch diploid (2n), d. h. die meisten Chromosomen liegen in zusammengehörigen Gruppen vor, die als homologe Paare bezeichnet werden. So sind die 46 Chromosomen einer menschlichen Zelle in 23 Paaren organisiert, und die beiden Mitglieder jedes Paares gelten als homolog zueinander (mit der kleinen Ausnahme der X- und Y-Chromosomen; siehe unten).

Menschliche Spermien und Eizellen, die nur ein homologes Chromosom aus jedem Paar haben, gelten als haploid (1n). Wenn ein Spermium und eine Eizelle verschmelzen, verbindet sich ihr genetisches Material zu einem vollständigen, diploiden Chromosomensatz. Für jedes homologe Chromosomenpaar in Ihrem Genom stammt also eines der Homologen von Ihrer Mutter und das andere von Ihrem Vater.

Das Bild stammt aus „Karyotype“ von den National Institutes of Health (Public Domain).

Die beiden Chromosomen eines homologen Paares sind einander im Allgemeinen sehr ähnlich. Sie haben die gleiche Größe und Form und weisen das gleiche Muster aus hellen und dunklen Bändern auf, wie man im oben gezeigten menschlichen Karyotyp (Bild der Chromosomen) sehen kann. Die dunklen Banden markieren stärker verdichtete DNA (normalerweise mit weniger Genen), während die hellen Banden weniger verdichtete DNA (normalerweise mit mehr Genen) markieren. Am wichtigsten ist, dass die beiden Homologe eines Paares die gleiche Art von genetischer Information tragen. So gibt es zum Beispiel ein Gen, das sich in der Nähe des unteren Teils von Chromosom 15 befindet und die Augenfarbe beeinflusst. Eine Person könnte die blaue Version oder das Allel dieses Gens auf einem Homologen haben, aber die braune Version auf dem anderen. Beide Homologe haben die gleiche Art von Gen an der gleichen Stelle, aber sie können (und tun es oft!) unterschiedliche Versionen von Genen haben.

Beim Menschen bestimmen die X- und Y-Chromosomen das biologische Geschlecht einer Person, wobei XX für weiblich und XY für männlich steht. Während die beiden X-Chromosomen in den Zellen einer Frau wirklich homolog sind, sind es die X- und Y-Chromosomen in den Zellen eines Mannes nicht. Sie unterscheiden sich in Größe und Form, wobei das X-Chromosom viel größer ist als das Y-Chromosom, und enthalten verschiedene, meist unterschiedliche Gene (auch wenn es kleine Bereiche der Ähnlichkeit gibt). Die X- und Y-Chromosomen sind als Geschlechtschromosomen bekannt, während die anderen 44 menschlichen Chromosomen als Autosomen bezeichnet werden.