Biologie · Klasse 10–13 · aktualisiert
Zelldifferenzierung: So spezialisieren sich Zellen
Zellen mit ähnlicher DNA übernehmen verschiedene Aufgaben. Du lernst, wie Signale, Genaktivität und Determination das steuern.
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Kurz gesagt
Zelldifferenzierung ist die Entwicklung einer wenig spezialisierten Zelle zu einem Zelltyp mit bestimmter Struktur und Aufgabe. Die DNA bleibt meist weitgehend erhalten; welche Gene aktiv sind, ändert sich. Signale können den Entwicklungsweg zuvor festlegen.
Bei der Zelldifferenzierung entwickelt sich eine wenig spezialisierte Zelle zu einem Zelltyp mit einer bestimmten Struktur und Aufgabe. So entstehen zum Beispiel Nerven-, Muskel- oder Blutzellen. Meist bleibt dabei die genetische Ausstattung erhalten; entscheidend ist, welche Gene aktiv sind. Auf dieser Seite lernst du, wie Genexpression, Determination und Entwicklungspotenz zusammenhängen. Außerdem prüfst du, warum Differenzierung meistens stabil, aber nicht ausnahmslos unumkehrbar ist.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Die Zellen eines vielzelligen Organismus besitzen in der Regel weitgehend dieselbe genetische Information. Trotzdem unterscheiden sie sich in Form, innerem Aufbau und Funktion. Der Grund: Nicht jeder Zelltyp nutzt alle Gene gleichzeitig. Dadurch entstehen unterschiedliche Zellmerkmale: Die Struktur ist also nicht zufällig. Sie passt zur jeweiligen Funktion.
Definition
Genexpression
Genexpression bedeutet, dass die Information eines Gens abgelesen und für die Herstellung eines Genprodukts genutzt wird. Bei der Zelldifferenzierung werden bestimmte Gene längerfristig aktiviert, andere bleiben inaktiv.
| Zelltyp | Angepasste Struktur | Aufgabe |
|---|---|---|
| Muskelzelle | meist lang gestreckt | Kraft erzeugen und Bewegung ermöglichen |
| Nervenzelle | stark spezialisierte Form | Informationen weiterleiten |
| Blutzelle | je nach Typ kompakte, angepasste Form | Aufgaben im Blut erfüllen |
Beispiel: Genaktivität bei einer Muskelzelle
- 1Eine Vorläuferzelle und eine spätere Muskelzelle besitzen weitgehend dieselbe genetische Information.
- 2In der Muskelzelle werden andere Gene genutzt als in einer Nervenzelle.
- 3Dadurch entstehen passende Zellbestandteile, Gestalt und Funktion: Genaktivität bestimmt die Spezialisierung mit.
Teste dich
Eine Zelle kann auf einen Entwicklungsweg festgelegt sein, bevor sie von außen spezialisiert aussieht. Diese Festlegung heißt Determination. Bei der folgenden Differenzierung verändert sich längerfristig die Genaktivität; daraus entstehen angepasster Aufbau und Funktion. Die Abfolge lautet: Signale beeinflussen eine Zelle, ihr Weg wird festgelegt, passende Gene werden reguliert, und spezialisierte Merkmale werden sichtbar.
Die Entwicklungspotenz beschreibt, welche Zelltypen noch möglich sind. Mit zunehmender Festlegung wird die Auswahl gewöhnlich kleiner. Totipotente Zellen können einen vollständigen Organismus samt nötiger früher Strukturen hervorbringen. Eine Pflanzenzygote ist ein Beispiel. Pluripotente Zellen bilden viele Körperzelltypen, allein aber keinen vollständigen Organismus; künstlich rückprogrammierte iPS-Zellen sind ein Beispiel. Multipotente Stammzellen liefern mehrere Typen eines begrenzten Bereichs. Neurale Stammzellen können etwa Nervenzellen und verschiedene Gliazellen hervorbringen.
Stammzellen erneuern ihren Vorrat und bilden Tochterzellen für die Spezialisierung. Ihre Potenz ist eine Fähigkeit; die Determination bezeichnet eine Festlegung und die Differenzierung deren Ausbildung.
Definition
Determination
Determination ist die Festlegung des Entwicklungsschicksals einer Zelle. Die Zelle ist auf eine bestimmte Entwicklungsrichtung festgelegt, obwohl ihre spätere Form und Funktion möglicherweise noch nicht sichtbar sind.
Merke: Determination legt den Entwicklungsweg fest. Differenzierung macht den spezialisierten Aufbau und die Funktion erkennbar.
Beispiel
- 1Eine Vorläuferzelle ist bereits auf die Entwicklung zur Nervenzelle festgelegt.
- 2Äußerlich kann sie einer anderen Vorläuferzelle noch ähneln.
- 3Erst während der Differenzierung bildet sie die spezialisierten Merkmale aus, die sie für die Weiterleitung von Informationen benötigt.
Teste dich
Zellen reagieren auf Signale aus ihrer Umgebung und auf Nachbarzellen. Auch die Herkunft aus einer Zelllinie beeinflusst ihre Entwicklung. Räumliche Konzentrationsunterschiede von Signalstoffen heißen Gradienten. Die Polarität einer Zelle bedeutet, dass Eigenschaften in ihr ungleich verteilt sind. Nach einer ungleichen Teilung können Tochterzellen deshalb verschiedene Bestandteile erhalten und unterschiedliche Genprogramme aktivieren. Das eröffnet verschiedene Zellwege, ohne dass ihre DNA einfach ausgetauscht wird.
Beim vielzelligen Grünalgenverband Volvox übernehmen Zellen unterschiedliche Aufgaben: Ein Teil dient der Fortbewegung, ein anderer der Fortpflanzung. Diese Arbeitsteilung zeigt, warum Spezialisierung für einen Zellverband nützlich ist.
Beispiel: Ungleiche erste Teilung einer Pflanzenzygote
- 1Eine frühe Pflanzenzygote besitzt eine innere Polarität.
- 2Nach einer ungleichen Teilung entstehen Tochterzellen mit verschiedenen Entwicklungswegen.
- 3Eine wird zum Vorläufer des Embryos; die andere zur ersten Suspensorzelle mit vorübergehender Stützfunktion.
- 4Der Suspensor ist vorübergehend; die meisten seiner Zellen werden später abgebaut. Die ungleiche Ausstattung kann verschiedene Genaktivität und Zellschicksale auslösen.
Teste dich
Bei vielen tierischen Körperzellen bleibt Differenzierung langfristig stabil. Eine ausdifferenzierte Nervenzelle übernimmt gewöhnlich nicht die Aufgabe einer Muskelzelle. Viele vollständig spezialisierte Zellen teilen sich zudem nicht mehr. Das ist eine typische Regel, kein ausnahmsloses Gesetz.
Bei Dedifferenzierung verliert eine Zelle Merkmale ihres spezialisierten Zustands. Unter bestimmten Bedingungen kann danach ein anderer Zellweg entstehen: Transdifferenzierung. Das bedeutet keinen beliebigen Wechsel jeder Zelle. Pflanzen zeigen oft größere Entwicklungsplastizität. Meristemzellen in Wurzel und Spross bleiben teilungsaktiv und bilden beispielsweise Leit- oder Abschlussgewebe. Manche schon differenzierten Pflanzenzellen können nach einer Verwundung wieder mit Teilungen beginnen.
Stabile Zellzustände ermöglichen verlässliche Arbeitsteilung im Gewebe. Ausnahmen müssen mit ihren Bedingungen beschrieben werden.
Definition
Dedifferenzierung
Bei einer Dedifferenzierung verliert eine Zelle Merkmale ihres spezialisierten Zustands und gelangt in einen weniger differenzierten Zustand.
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Alles auf einen Blick
Zelldifferenzierung
Genaktivität
Unterschiedliche aktive Gene erzeugen verschiedene Zellmerkmale.
Determination
Signale können den Entwicklungsweg früh festlegen.
Differenzierung
Der spezialisierte Aufbau und die Funktion entstehen.
Potenz
Die möglichen Zellwege werden gewöhnlich enger.
Polarität
Ungleiche Zellbestandteile können Tochterzellen verschieden beeinflussen.
Plastizität
Zellzustände sind oft stabil, aber bedingte Änderungen sind möglich.
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Arbeitsteilung bei Volvox erklären
- 1In einem Volvox-Verband übernehmen Zellen unterschiedliche Aufgaben.
- 2Ein Teil der Zellen bewegt den Verband; andere sind an der Fortpflanzung beteiligt.
- 3Diese Aufgaben beruhen auf unterschiedlicher Spezialisierung innerhalb des Verbandes.
- 4Der Fall zeigt, wie unterschiedliche Zellfunktionen ein organisiertes Ganzes ermöglichen.
Fehler finden
Warum entstehen verschiedene Zellfunktionen? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 2Richtig: Die Muskelzelle behält gewöhnlich weitgehend dieselbe DNA. Unterschiedliche Genexpression statt vollständigem Genverlust trägt zu ihrer Spezialisierung bei.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Eine Zelle kann schon sein, bevor ihre neue Form sichtbar wird. Unterschiedliche führt trotz ähnlicher DNA zu verschiedenen Zellmerkmalen. Mit zunehmender Festlegung wird die Entwicklungspotenz gewöhnlich .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback