Meiose – Biologie
Wir Menschen besitzen einen diploiden Chromosomensatz (2n). Wir haben 46 Chromosomen, wobei eine Hälfte von der Mutter, die andere vom Vater stammt. Aber wieso haben wir die gleiche Anzahl an Chromosomen wie unsere Eltern, wenn doch bei der Befruchtung zwei Keimzellen (Ei- und Samenzelle) miteinander verschmelzen? Die Antwort liegt in einem wichtigen Schritt während der Bildung der Keimzellen, der Meiose.
Was ist die Meiose? – Definition
Die Meiose ist eine besondere Form der Kernteilung. Sie bildet die Grundlage dafür, dass aus einer Zelle mit diploidem Chromosomensatz vier genetisch unterschiedliche Tochterzellen mit haploidem Chromosomensatz entstehen. Die Meiose findet bei der Bildung der Keimzellen statt.
Chromosomen und Chromosomensatz
Bevor wir uns die Meiose genauer anschauen, sollten wir uns einige Begriffe zu den Chromosomen (Bau und Funktion) in Erinnerung rufen. Chromosomen sind kondensierte, also stark verkürzte, DNA. So ist diese besonders transportabel. Im Gegensatz dazu gibt es auch den Zustand von nichtkondensierter DNA – das Chromatin. Dieser Zustand ermöglicht das Ablesen von Genen sowie das Verdoppeln der DNA.
Typischerweise wird ein Chromosom als Zwei-Chromatid-Chromosom dargestellt. Es besteht aus zwei Chromatiden, auch Schwesterchromatiden genannt. Diese entstehen durch Verdopplung der DNA und sind daher genetisch identisch. Zusammengehalten werden sie am Centromer. Während der Mitose werden die Zwei-Chromatid-Chromosomen am Centromer getrennt. Am Ende enthält jeder neu gebildete Zellkern 46 Ein-Chromatid-Chromosomen. Schauen wir uns im Folgenden an, was mit den Chromosomen während der Meiose passiert.
Wie läuft die Meiose ab – Phasen
Anders als die Mitose verläuft die Meiose in zwei Phasen (Reifeteilungen): der Meiose I und der Meiose II. Jede Teilung kann man analog zur Mitose wiederum in Phasen unterteilen: Die Meiose I gliedert sich in Prophase I, Metaphase I, Anaphase I und Telophase I. Entsprechend dazu gliedert sich die Meiose II in Prophase II, Metaphase II, Anaphase II und Telophase II.
Ablauf der Meiose I
In der ersten Reifeteilung findet die Rekombination und die Aufteilung der homologen Chromosomen statt. Unter homologen Chromosomen versteht man ein Paar von Chromosomen, welches sich in Form und Genabfolge gleicht. In unserem Chromosomensatz setzt sich ein homologes Chromosomenpaar aus einem mütterlichen und einem väterlichen Chromosom zusammen.
Nachdem sich das Chromatin in der Prophase I so weit verdichtet hat, dass Chromosomen sichtbar werden, ordnen sich die homologen Chromosomen parallel zueinander an. Sie bilden ein sogenanntes Bivalent, wobei durch Überkreuzung (Chiasmata) von Chromatiden kleine chromosomale Bruchstücke ausgetauscht werden können. Dieser Vorgang wird Crossing‑over genannt.
In der Metaphase I versammeln sich die gepaarten Chromosomen in der Äquatorialebene, die Spindelfasern lagern sich an den Centromeren der Chromosomen an. In der anschließenden Anaphase I erfolgt die Trennung der homologen Chromosomen und nicht, wie in der Mitose, die Trennung der Schwesterchromatiden eines Chromosoms. Dadurch wird der einst diploide Chromosomensatz auf einen haploiden reduziert. Die Aufteilung von väterlichen und mütterlichen Chromosomen ist völlig willkürlich. Die zufällige Verteilung der homologen Chromosomen und die Crossing‑over‑Vorgänge führen zu neuen Kombinationen eines Chromosomensatzes. In der Biologie bezeichnet man das als Rekombination. In der anschließenden Telophase I erfolgt die Bildung von zwei neuen Kernhüllen und die Chromosomen dekondensieren. Die DNA liegt wieder als Chromatin vor.
Um noch einmal den Unterschied zur Mitose hervorzuheben, besitzen die neu gebildeten Kerne einen haploiden Chromosomensatz, also nur noch eine mütterliche oder väterliche Variante eines bestimmten Chromosoms. Die einzelnen Chromosomen hingegen besitzen noch beide Schwesterchromatiden, die aufgrund der Crossing-over-Prozesse aber nicht mehr identisch sein müssen.
Es folgt eine kurze Interphase, in der es jedoch nicht zu einer Verdopplung (Replikation) der DNA kommt, da die Chromosomen noch beide Schwesterchromatiden besitzen. Es handelt sich hierbei also noch um Zwei-Chromatid-Chromosomen.
Ablauf der Meiose II
Die zweite Reifeteilung entspricht der Mitose, jedoch auf Grundlage eines halben Chromosomensatzes. Es erfolgt die Trennung der Schwesterchromatiden:
- Prophase II: Die DNA kondensiert abermals und Chromosomen werden sichtbar.
- Metaphase II: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an.
- Anaphase II: Die Schwesterchromatiden eines Chromosoms werden durch den Spindelapparat getrennt.
- Telophase II: Es bilden sich zwei neue Zellkerne und die Cytokinese (Zellteilung) wird eingeleitet.
Das Ergebnis einer Zellteilung mit meiotischer Kernteilung sind vier Zellen mit haploidem Chromosomensatz, die aus einer Zelle mit diploidem Chromosomensatz hervorgegangen sind.
Meiose – Bedeutung
Die Meiose ist von großer Bedeutung für die Bildung der männlichen Keimzellen und der Eizellen der Frau. Was würde passieren, wenn es keine Meiose gäbe? Dann würde sich bei jeder geschlechtlichen Fortpflanzung, also bei jeder neuen Generation, die Anzahl der Chromosomen erneut verdoppeln. Der artspezifische Chromosomensatz würde verloren gehen und damit die Überlebenschance der Art. Damit das nicht passiert, wird während der Keimzellenentwicklung der Chromosomensatz halbiert. Beim Menschen besitzen die Keimzellen dann nur jeweils 23 Chromosomen. Nach der Befruchtung ergeben die Chromosomen von Vater und Mutter in der entstandenen Zygote den vollständigen, diploiden Chromosomensatz. Beim Menschen sind das 46 Chromosomen.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Meiose
Was ist Meiose?
Die Meiose wird auch als Reifeteilung bezeichnet. Sie ist eine besondere Form der Kernteilung welche bei der Bildung von Keimzellen zum Einsatz kommt. Der Ablauf der Meiose gliedert sich in zwei Phasen (Meiose 1 und Meiose 2) in denen der diploide Chromosomensatz zum haploiden reduziert wird.
Vergleiche die Anaphase 1 mit der Anaphase 2.
In der Anaphase 1 findet die Reduktion des Chromosomensatzes statt. Die homologen Chromosomen werden getrennt und zufällig auf die Zellpole verteilt.
Die Anaphase 2 entspricht der Anaphase der Mitose. In dieser werden die Schwesterchromatiden eines Chromosoms voneinander getrennt, welche sich dann jeweils zu einem der Pole bewegen.
Nenne die Vorgänge, in denen Chromosomen neu kombiniert werden können.
Man unterscheidet zwischen der intrachromosomalen und der der interchromosomalen Rekombination. Bei der interchromosomalen Rekombination kommt es in der Anaphase 1 zu einer zufälligen Verteilung der homologen Chromosomen, die von den Zugfasern des Spindelapparates an den Rand der Zelle gezogen werden. Dadurch werden die Chromosomenpaare neu kombiniert und können nun aus väterlichen und mütterlichen Chromosomen bestehen. Bei der intrachromosomalen Rekombination kommt es während der Prophase 1 zu Crossing over. Dabei legen sich die Chromatiden übereinander und es kann zu einem Bruch von Teilabschnitten kommen, welche anschließend mit Teilen des anderen Chromatids wieder geschlossen werden. Dadurch kommt es zu einem partiellen Austausch der Chromosomen von väterlichen und mütterlichen Chromosomen.
Erkläre die Bedeutung der Meiose mithilfe der Variabilität.
Durch die Meiose und Crossing over können durch den Austausch von Chromosomenanteilen neue Genkombinationen entstehen. Dabei entstehen Spermien und Eizellen, die alle eine unterschiedliche genetische Zusammensetzung aufweisen. Dadurch erhöht sich die genetische Variabilität der Organismen.
Nenne Gemeinsamkeiten und Unterschiede für die Oogenese und der Spermatogenese.
Gemeinsamkeiten:
- Bildung von Keimzellen
- Ablauf: Meiose 1 und Meiose 2
Unterschiede:
-
Spermatogenese: Von der Pubertät bis ins hohe Alter werden kontinuierlich neue Spermien in den Hoden gebildet. Dabei entstehen pro Meiose jeweils vier funktionsfähige Gameten (Spermien).
-
Oogenese: Pränatal werden die Urkeimzellen gebildet. Von diesem Vorrat aus gelangen zwischen Pubertät und Wechseljahren Oozyten in die Reifungsphase. Es entsteht eine funktionsfähiger Eizelle und drei kleinere Polkörperchen.
Welche Vorgänge sind für die Rekombination der Erbinformationen entscheidend?
Man unterscheidet zwischen der intrachromosomalen und der interchromosomalen Rekombination:
Interchromosomale Rekombination: In der Anaphase 1 kommt es zu einer zufälligen Verteilung der homologen Chromosomen, die von den Zugfasern des Spindelapparates an den Rand der Zelle gezogen werden. Dadurch werden die Chromosomenpaare neu kombiniert. Sie können nun aus väterlichen und mütterlichen Chromosomen bestehen.
Intrachromosomale Rekombination: Während der Prophase 1 kommt es zu Crossing over. Dabei legen sich die Chromatiden übereinander und es kann dabei zu einem Bruch von Teilabschnitten kommen, welche anschließend mit Teilen des anderen Chromatids wieder geschlossen werden. Dadurch kommt es zu einem partiellen Austausch der Chromosomen von väterlichen und mütterlichen Chromosomen.
Wann findet die Meiose statt?
Bei Männern findet die Meiose ab Bildung der ersten Spermien während der Pubertät statt und hält lebenslang an.
Bei Frauen beginnt die Meiose mit Bildung der Eizellen bereits im Mutterleib oder kurz nach der Geburt. Dann pausiert die Meiose und setzt sich erst mit dem Eintritt des Eisprungs fort. Nach der Befruchtung durch ein Spermium wird der gesamte Vorgang abgeschlossen.
Was passiert bei der Meiose?
Bei der Meiose werden die Geschlechtszellen (Keimzellen) gebildet. Dabei wird der Chromosomensatz halbiert. Aus einer diploiden Zelle entstehen vier haploide Zellen. Der Ablauf der Meiose gliedert sich in zwei Phasen (Meiose 1 und 2) welche jeweils aus vier Unterphasen bestehen. Beim Mann werden dadurch vier Spermien gebildet. Bei der Frau entsteht eine Eizelle und die restlichen drei kleineren Zellen verkümmern. Durch die zufällige Neuverteilung der homologen Chromosomen und weitere Ereignisse, wie zum Beispiel Crossing over, sind die gebildeten Geschlechtszellen alle genetische betrachtet unterschiedlich.
Was entsteht bei der Meiose?
Bei der Meiose entstehen Keimzellen. Beim Mann werden dabei vier Spermien gebildet. Bei der Frau entsteht eine Eizelle, die restlichen drei kleineren Zellen verkümmern.
Wie lange dauert die Meiose?
Eine Meiose beim Mann dauert rund einen Monat. Bei Frauen findet die erste Reifeteilung der Meiose mit Bildung der Eizellen bereits im Mutterleib oder kurz nach der Geburt statt. Die zweite Reifeteilung beginnt erst mit der Ovulation (Eisprung) und wird nach der Befruchtung der Eizelle durch ein Spermium beendet. Deshalb kann eine Meiose bei Frauen mehrere Jahrzehnte dauern.
Was ist das Ergebnis der Meiose?
Bei der Meiose wird der Chromosomensatz halbiert. Es werden Geschlechtszellen (Keimzellen) gebildet. Während dieses Vorgangs entstehen aus einer diploiden Zelle vier haploide Zellen. Beim Mann werden vier Spermien während einer Meiose gebildet. Bei der Frau entsteht eine befruchtungsfähige Eizelle, die restlichen drei Zellen (Polkörperchen) verkümmern.
Durch die zufällige Neuverteilung der homologen Chromosomen während der Meiose und weitere Ereignisse, wie zum Beispiel Crossing over sind die gebildeten Geschlechtszellen alle genetische betrachtet unterschiedlich.
Was ist der Unterschied zwischen Mitose und Meiose?
Die Mitose ist die Zellteilung. Sie besteht aus 4 Phasen. Aus einer Zelle entstehen zwei identische Tochterkerne mit einem diploiden Chromosomensatz.
Die Meiose ist die Reifeteilung. Aus einer Zelle entstehen in zwei Reifeteilungen mit jeweils 4 Phasen vier genetisch nicht identische Tochterkerne mit einem haploiden Chromosomensatz.
Wie viele Phasen hat die Meiose?
Der Ablauf der Meiose gliedert sich in zwei Phasen mit mehreren Unterphasen. Die erste Reifeteilung gliedert sich in Prophase 1, Metaphase 1, Anaphase 1 und Telophase 1. Die zweite Reifeteilung entspricht der Mitose und ist in Prophase 2, Metaphase 2, Anaphase 2 und Telophase 2 aufgeteilt.
Warum ist die Meiose wichtig?
Durch die Meiose werden Geschlechtszellen mit einem haploiden Chromosomensatz gebildet. Bei der Befruchtung kann so wieder eine Zelle mit einem diploiden Chromosomensatz entstehen. Durch die zufällige Neuverteilung der homologen Chromosomen während der Meiose und weitere Ereignisse, wie zum Beispiel Crossing over wird die genetische Variabilität erhöht.
Wie funktioniert die Meiose?
Bei der Meiose wird der Chromosomensatz halbiert. Es werden die Geschlechtszellen (Keimzellen) gebildet. Während diesem Vorgang entstehen aus einer diploiden Zelle vier haploide Zellen. Der Ablauf der Meiose gliedert sich in zwei Phasen (Meiose 1 und Meiose 2) mit mehreren Unterphasen. Beim Mann werden während der Meiose vier Spermien gebildet. Bei der Frau entsteht eine Eizelle und die restlichen drei kleineren Zellen verkümmern.
Durch die zufällige Neuverteilung der homologen Chromosomen während der Meiose und durch weitere Ereignisse (z.B. Crossing over) sind die gebildeten Geschlechtszellen alle genetisch betrachtet unterschiedlich.
Welche Aufgabe hat die Meiose?
Durch die Meiose werden Keimzellen gebildet. Dabei wird der diploide Chromosomensatz zu einem haploiden Chromosomensatz reduziert. Es werden Geschlechtszellen gebildet. Durch die zufällige Neuverteilung der homologen Chromosomen während der Meiose und weitere Ereignisse, wie zum Beispiel Crossing over, wird die genetische Variabilität erhöht.
Was ist das Ziel der Meiose?
Ziel der Meiose ist die Bildung von Keimzellen mit einem haploiden Chromosomensatz. Außerdem wird die genetische Variabilität durch die zufällige Neuverteilung der homologen Chromosomen während der Meiose und weiteren Ereignissen, wie zum Beispiel Crossing over, erhöht.
Wie werden die Chromosomen im Verlauf der Meiose neu kombiniert?
Während der Meiose kann es zur intrachromosomalen und interchromosomalen Rekombination kommen.
Bei der interchromosomalen Rekombination kommt es in der Anaphase 1 zu einer zufälligen Verteilung der homologen Chromosomen, die von den Zugfasern des Spindelapparates an den Rand der Zelle gezogen werden. Dadurch werden die Chromosomenpaare neu kombiniert und können nun aus väterlichen und mütterlichen Chromosomen bestehen.
Bei der intrachromosomalen Rekombination kommt es während der Prophase 1 zu Crossing over. Dabei legen sich die Chromatiden übereinander und es kann zu einem Bruch von Teilabschnitten kommen, welche anschließend mit Teilen des anderen Chromatids wieder geschlossen werden. Dadurch kommt es zu einem partiellen Austausch der Chromosomen von väterlichen und mütterlichen Chromosomen.
Wann beginnt die Meiose bei Mädchen?
Bei Mädchen läuft die Meiose in mehreren Phasen mit längeren Pausen ab. Die erste Phase beginnt schon im Mutterleib und erfolgt bis zum zweiten Lebensjahr. Dann pausiert die Meiose. Erst mit dem Eintritt des Eisprungs setzt sich die Entwicklung der Geschlechtszelle fort. Nach der Befruchtung durch ein Spermium wird der gesamte Vorgang abgeschlossen.
Was kann bei der Meiose schief gehen?
Es kann vorkommen, dass während der Meiose diverse Fehler passieren. Der bekannteste dieser Fehler sind die Trisomien. Man spricht von Trisomien, wenn bei der Meiose 1 die homologen Chromosomen nicht getrennt werden können oder wenn die Chromatiden in der Meiose 2 nicht getrennt werden. Das ist zum Beispiel bei der Erkrankung Trisomie 21 (Down-Syndrom) der Fall. Hier trennen sich die homologen Chromosomen des Chromosoms 21 nicht. Eine Keimzelle enthält kein Chromosom 21 und die andere zwei. Wird die Keimzelle mit zwei Chromosomen nun befruchtet, enthält die entstehende Eizelle dann drei Exemplare des Chromosoms 21.
Meiose: Warum zwei Reifeteilungen?
Die Meiose ist für die Produktion der Keimzellen zuständig. Der Ablauf der Meiose gliedert sich in zwei Phasen mit mehreren Unterphasen. Bei der Meiose 1 entstehen durch die Trennung der homologen Chromosomen haploide Zellen mit doppeltem Chromosomensatz. Bei der Meiose 2 werden dann die Schwesterchromatiden getrennt. Es entstehen vier haploide Tochterzellen. Diese Teilungen gewährleisten, dass bei der Entstehung einer Zygote die artspezifische Chromosomenanzahl erhalten bleibt. Außerdem ermöglichen sie die genetische Vielfalt.
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