Wo kommen Zellen her?

3D Bild einer Mauszelle in der letzten Phase der Zellteilung (Telophase). (Bild von Lothar Schermelleh)

Manchmal beißt man sich unabsichtlich auf die Lippe oder schürft sich das Knie auf, aber innerhalb weniger Tage ist alles wieder verheilt. Ist das Zauberei? Oder gibt es eine andere Erklärung?

Jeden Tag, jede Stunde, jede Sekunde spielt sich in deinem Körper eines der wichtigsten Ereignisse des Lebens ab – Zellen teilen sich. Wenn sich Zellen teilen, machen sie neue Zelle. Eine einzelne Zelle teilt sich, um zwei Zellen zu generieren, und diese beiden Zellen teilen sich dann in vier Zellen, und so weiter. Diesen Vorgang nennt man „Zellteilung“ und „Zellreproduktion“, da eine neue Zelle produziert wird, wenn sich die alte teilt. Die Fähigkeit sich zu teilen macht ein Lebewesen aus. 

Warum teilen sich Zellen?

Zellen teilen sich aus mehreren Gründen. Zum Beispiel, wenn du dein Knie aufschlägst, teilen sich Zellen, um alte, tote oder beschädigte Zellen zu ersetzen. Zellen teilen sich auch, um Lebewesen wachsen zu lassen. Wenn Organismen wachsen, werden nicht ihre Zellen größer. Organismen wachsen, weil sich ihre Zellen teilen und mehr und mehr Zellen produzieren.

Wie viele Zellen sind in deinem Körper?

Du und ich haben als einzelne Zelle, oder auch Eizelle, begonnen. Bis du erwachsen bist, wirst du Billionen an Zellen haben. Die genaue Zahl hängt von der Größe der Person ab, aber Biologen schätzen sie auf ungefähr 37 Billionen. Ja, richtig gelesen, Billionen.

Woher wissen Zellen, wann sie sich teilen müssen?

Während der Zellteilung nennt man die sich teilende Zelle "Mutterzelle". Die Mutterzelle teilt sich in zwei "Tochterzellen". Dieser Ablauf wiederholt sich und wird Zellzyklus genannt.

Zellteilung einer Lungenkrebszelle (Bild: NIH)

Zellen kontrollieren ihre Teilung über chemische Signale, die von bestimmten Proteinen, sogenannten Cyclinen, ausgelöst werden. Diese Signale wirken wie Schalter, die der Zelle mitteilen, wann die Teilung begonnen und beendet werden soll. Zellteilung ist wichtig, damit du wachsen und deine Verletzungen heilen können. Genauso wichtig ist es, die Zellteilung zur richtigen Zeit zu stoppen. Wenn eine Zelle nicht aufhören kann sich zu teilen, obwohl sie das sollte, kann das zu einer Krankheit namens Krebs führen.

Manche Zellen, wie Hautzellen, teilen sich ständig. Wir müssen stetig neue Hautzellen bilden, um Zellen zu ersetzen, die wir verlieren. Wusstest du, dass wir 30.000 bis 40.000 tote Hautzellen jede Minute verlieren? Das bedeutet, wir verlieren ungefähr 50 Millionen Zellen jeden Tag. Das sind eine Menge Hautzellen, die ersetzt werden müssen und macht die Zellteilung der Hautzellen so wichtig. Andere Zellen, wie Nerven und weitere Zellen des Gehirns, teilen sich viel seltener.  

Wie sich Zellen teilen

Abhängig vom Zelltyp gibt es zwei Arten der Zellteilung – Mitose und Meiose. Jede dieser Zellteilungen hat besondere Eigenschaften. Ein Hauptunterschied der Mitose ist, dass sich eine einzelne Zelle in zwei identische Tochterzellen teilt, die beide die gleiche Anzahl Chromosomen haben. Diese Zellteilung ist gut für Wachstum, Heilung und Erhaltung der Biomasse. Während der Meiose teilt sich eine Zelle in vier Keimzellen, die nur die Hälfte der Chromosomen erhalten. Den Chromosomensatz zu halbieren, ist wichtig für die sexuelle Reproduktion und ermöglicht genetische Vielfalt.

Mitotische Zellteilung

Mitose beschreibt wie sich somatische Zellen -- im Unterschied zu Geschlechtszellen — teilen. Somatische Zellen bilden unsere Gewebe und Organe, einschließlich der Haut, Muskeln, Lungen, Darm, und Haarzellen. Geschlechts- oder Keimzellen (mit Eiern vergleichbar) sind keine somatischen Zellen.

Bei der Mitose ist es wichtig sich zu merken, dass die Tochterzellen die gleiche Anzahl Chromosomen haben, wie die Mutterzelle. Die Tochterzellen, die aus der Mitose hervorgehen, nennt man diploide Zellen. Diploide Zellen haben zwei volle Chromosomensätze. Da die Tochterzellen eine exakte Kopie des Erbguts ihrer Mutterzelle erhalten, wird keine genetische Vielfalt erzeugt. 

Die mitotische Zellteilung generiert zwei genetisch identische, diploide Tochterzellen. Die Phasen der Mitose sind hier dargestellt. (Bild von Mysid aus der Science Primer and National Center for Biotechnology Information.)

Der mitotische Zellzyklus

Bevor eine Zelle mit der Teilung beginnt, befindet sie sich in der „Interphase“. Man könnte meinen, dass sich Zellen ständig teilen müssen (bedenke, dass 2 Billionen Zellteilungen pro Tag in deinem Körper stattfinden), doch tatsächlich verbringt jede Zellen die meiste Zeit in der Interphase. Die Interphase ist die Zeit, in der eine Zelle sich auf die Zellteilung vorbereitet und in den Zellzyklus eintritt. Während dieser Zeit häufen Zellen Nährstoffe und Energie an. Die Mutterzelle fertigt außerdem eine Kopie der DNS an, um sie gleichmäßig auf die Tochterzellen zu verteilen.

Die mitotische Zellteilung kann in mehrere Schritte oder Phasen des Zellzykluses unterteilt werden – Interphase, Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, Telophase und Cytokinese- die in der erfolgreichen Entstehung von zwei diploiden Zellen resultieren.

Der mitotische Zellzyklus beinhaltet mehrere Phasen, welche in die Teilung zweier diploider Zellen münden. Jede Phase wird hier erklärt und ist mit Fluoreszenzmikroskopaufnahmen illustriert. Klicke auf das Bild, um mehr über jede Phase zu erfahren. (Bild von OpenStax College mit modifizierten Arbeiten von Mariana Ruiz Villareal, Roz van Heesheen, und den Wadsworth Center.)

Wenn sich eine Zelle während der Mitose teilt, werden einige Zellorganellen zwischen den Tochterzellen aufgeteilt. Zum Beispiel wachsen und teilen sich Mitochondrien während der Interphase, sodass genügend Mitochondrien an die Tochterzellen verteilt werden können. Der Golgiapparat jedoch wird während der Mitose abgebaut und in den neu entstandenen Tochterzellen wieder neu aufgebaut. Viele Aspekte, was mit Zellorganellen vor, während und nach der Zellteilung passiert, sind Gegenstand aktueller Forschung. (Du kannst hier mehr über Zellbestandteile und Organellen lesen.)

Meiotische Zellteilung

Meiose ist die andere Art der Zellteilung. Meiose ist die Zellteilung, die Geschlechts- oder Keimzellen, wie die weibliche Eizelle oder männliches Sperma, generiert. Was gibt es Wichtiges über die Meiose zu lernen? Während der Meiose erhält jede Tochterzelle ein einzigartiges Set an genetischer Information. Nach der Meiose kann die Eizelle mit einer Spermazelle verschmelzen, um einen neuen Organismus zu bilden.

Meiose ist der Grund für genetische Vielfalt in allen Organismen, die sich geschlechtlich fortpflanzen. Während der Meiose können kleine Teile zwischen Chromosomen ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird „genetische Rekombination“ genannt. Genetische Rekombination erklärt, warum Geschwister, die aus den Ei- und Spermazellen der gleichen Eltern entstanden sind, sehr unterschiedlich aussehen können.

Der meiotische Zellzyklus hat zwei Hauptphasen der Teilung – Meiose I und Meiose II. Das Endergebnis sind vier haploide Tochterzellen, die jeweils unterschiedliche genetische Information erhalten. Diese genetische Information ist nicht nur von Tochter- zu Tochterzelle verscheiden, sondern unterscheidet sich auch zu der genetischen Information der Mutterzelle. Klicke hier für mehr Details. (Bild von Science Primer des National Center for Biotechnology.)

Der meiotische Zellzyklus

Die Meiose besteht aus zwei Zyklen der Zellteilung, praktischerweise als Meiose I und Meiose II bezeichnet. In Meiose I wird der doppelte Chromosomensatz halbiert und genetische Information rekombiniert. In Meiose II halbiert die genetische Information eines jeden Chromosomens. Als Endergebnis erhält man vier Tochterzellen, die man als haploid bezeichnet. Haploide Zellen weisen nur einen einfachen Chromosomensatz auf – die Hälfte der Chromosomen der Mutterzelle.

Bevor die Meiose I beginnt, durchläuft die Zelle die Interphase. Wie in der Mitose, nutzt die Zelle die Zeit, um sich auf die bevorstehende Teilung vorzubereiten, indem sie Nährstoffe und Energie ansammelt und eine Kopie der DNS anfertigt. Während der nächsten Phasen der Meiose, wird die DNS durch genetische Rekombination umverteilt und unter den entstehenden 4 haploiden Zellen aufgeteilt

Also merke, Mitose hilft uns zu wachsen und Meiose ist der Grund, warum wir alle einzigartig sind!

Verweise:

Bianconi E, Piovesan A, Facchin F, Beraudi A, Casadei R, Frabetti F, Vitale L, Pelleri MC, Tassani S, Piva F, Perez-Amodio S, Strippoli P, Canaider S. Ann. An estimation of the number of cells in the human body.  Retrieved March 14, 2014 from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23829164.

Original animal cell and E. Coli cell video from National Institute of Genetics via Wikimedia. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Movie_4._Cell_division.ogv