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DNA – Verpackung und Chromatin
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Verpackung der DNA – Biologie
In eukaryotischen Zellen befindet sich der größte Teil der genetischen Information in Form von DNA im Zellkern. Wusstest du, dass die gesamte DNA im Zellkern einer menschlichen Zelle etwa drei Meter lang ist? Das entspricht ungefähr dem 300 000-fachen Durchmesser des Zellkerns. Warum die DNA trotzdem in den Zellkern passt, werden wir uns im Folgenden genauer anschauen. Du wirst also die einzelnen Ebenen der DNA-Verpackung kennenlernen und erfahren, warum die DNA verpackt wird.
DNA-Organisation in Prokaryoten und Eukaryoten – Unterschied
Die gesamte genetische Information einer Zelle wird als Genom bezeichnet. Bei Prokaryonten, also einzelligen Organismen ohne Zellkern wie zum Beispiel Bakterien, liegt die DNA frei im Cytoplasma als ringförmiges Molekül vor. Bei ein- und mehrzelligen Organismen mit einem Zellkern – den Eukaryonten, zu denen auch wir Menschen gehören – befindet sich der größte Teil der DNA in eben jenem Zellkern.
DNA-Aufbau und DNA-Verpackung – Eukaryoten
Zunächst werden wir uns die Strukturen der eukaryotischen DNA einmal genauer ansehen.
DNA-Doppelstrang
Unsere DNA ist ein Makromolekül, das heißt, sie besteht aus sehr vielen zusammengesetzten Einheiten – den Nukleotiden (Zucker + Phosphatgruppe + organische Base). Die DNA bildet einen Doppelstrang, der in seiner Struktur einer „Strickleiter“ ähnelt, bei der sich Zuckermoleküle und Phosphatgruppen abwechseln und die „Seile“ an den Außenseiten bilden. Die komplementären Basenpaare (Adenin (A) mit Thymin (T) und Cytosin (C) mit Guanin (G)) zeigen nach innen, ähnlich wie „Leitersprossen“, und bilden Wasserstoffbrückenbindungen aus.
DNA-Doppelhelix
Die beiden gegenüberliegenden DNA-Stränge ordnen sich räumlich als Helix an, was „gewunden“ bedeutet, und bilden zusammen die DNA-Doppelhelix. Eine vollständige Verdrehung ist nach zehn Basenpaaren erreicht. Der Durchmesser der Doppelhelix entspricht etwa zwei Nanometern.
Nukleosom
Damit die DNA-Doppelhelix verpackt werden kann, benötigt die Zelle spezielle Proteine, die Histone. Diese bilden einen Histonkomplex aus acht Untereinheiten. Wie Haare um einen Lockenwickler windet sich die DNA zweimal um den Histonkomplex und bildet so die erste Verpackungsstufe im Zellkern. Die Einheit aus Histonkomplex und DNA wird als Nukleosom bezeichnet und hat einen Durchmesser von etwa zehn Nanometern (1. Verpackungsstufe). Viele Nukleosomen hintereinander bilden also eine Struktur, die man sich wie eine Perlenkette vorstellen kann. Dadurch wird die DNA um das Siebenfache verdichtet.
Chromatin
Die Nukleosomenkette wird weiter eingedreht, wobei sechs Nukleosomen eine Windung bilden. Es entsteht also eine Spirale, die als Chromatinfaden bezeichnet wird. Da diese innen hohl ist, spricht man auch vom Solenoid-Modell, was übersetzt „Röhren-Modell“ heißt. Der Chromatinfaden hat einen Durchmesser von 30 Nanometern und verdichtet die DNA um das Vierzigfache (2. Verpackungsstufe). Indem der Chromatinfaden an ein Proteingerüst geheftet wird, entstehen schleifenartige Strukturen. Dadurch liegt die DNA 200-fach verdichtet vor und die Struktur hat einen Durchmesser von etwa 300 Nanometern (3. Verpackungsstufe). Diese Struktur, auch als aktives Chromatin bezeichnet, liegt vor allem zwischen zwei Zellteilungen in der Interphase vor, wenn unter anderem die DNA-Replikation stattfindet.
Chromatid und Chromosom
Durch weitere Verdrehung und Faltung entsteht das sogenannte Chromatid und dieses bildet das Chromosom. Diese Struktur hat einen Durchmesser von 700 Nanometern und die DNA ist 10 000-fach komprimiert (4. Verpackungsstufe).
Vor der Zellteilung und der DNA-Replikation liegt das genetische Material als Ein-Chromatid-Chromosom vor. Wenn sich die Zelle verdoppelt, wird das Chromatid repliziert, sodass es als Zwei-Chromatid-Chromosom vorliegt. Es besteht also aus zwei identischen Chromatiden.
Diese Struktur ist unter dem Lichtmikroskop während der Kern- und Zellteilung (Mitose) sichtbar und wird auch als kondensierter Zustand der DNA bezeichnet. Dadurch kann die DNA während der Mitose transportiert werden, sodass zwei genetisch identische Tochterzellen entstehen. Die beiden Chromatiden des Chromosoms werden auch Schwesterchromatiden genannt und sind durch das Centromer miteinander verbunden. Das Centromer enthält ein Proteingerüst, das Kinetochor. Es dient als Anheftungspunkt für die Spindelfasern zur Trennung der Chromosomen während der Zellteilung. An den Enden des Chromosoms befinden sich auch die Telomere, sie sind wichtig für die Stabilität. Die oberen Arme des Chromosoms werden als „p-Arme" und die unteren Arme als „q-Arme" bezeichnet. Der Durchmesser beträgt etwa 1400 Nanometer.
Nun kennst du die Verpackungsebenen der DNA, die du auch noch einmal im Schaubild betrachten kannst.
Doch wie wirkt sich die DNA-Verpackungsdichte auf die Genregulation aus?
Euchromatin und Heterochromatin – Genregulation
Unterschiedliche Verpackungsdichten der DNA spielen eine wichtige Rolle bei der Genregulation. Denn je dichter DNA verpackt ist, desto schlechter ist sie zugänglich für Moleküle, die Gene ablesen. Dabei bezeichnet Euchromatin eine aufgelockerte Form der DNA und erleichtert die Transkription. Der geringere Verpackungsgrad des Euchromatins ermöglicht Genaktivität.
Im Gegensatz dazu weist Heterochromatin einen hohen Verpackungsgrad auf und Gene können nicht mehr abgelesen werden. Der Bereich ermöglicht keine Genaktivität. Die beiden Formen des Chromatins lassen sich auch durch Färbetechniken unterscheiden. Zum Beispiel erscheint Heterochromatin nach einer Giemsa-Färbung stärker gefärbt als Euchromatin.
DNA-Verpackung – Zusammenfassung
In diesem Video hast du gelernt, welche Formen der DNA-Verpackungen es gibt und warum die DNA verpackt wird. Die wichtigsten Punkte fassen wir noch einmal zusammen:
Damit das genetische Material (DNA) in den Zellkern passt, wird es verpackt und somit auch geschützt.
Die Ebenen der DNA-Verpackung werden durch die Nukleosomen (Histon-DNA-Komplexe), den Chromatinfaden, das Chromatin und die Chromosomen gebildet.
Chromatin (nicht kondensierte DNA) liegt überwiegend in der Interphase vor.
Durch weitere Falten- und Schleifenbildungen an einem Proteingerüst entsteht das Chromatid.
Je nach Zellzyklusphase liegt die DNA als Ein- oder Zwei-Chromatid-Chromosom vor.
Die beiden Chromatiden eines Zwei-Chromatid-Chromosoms werden auch Schwesterchromatiden genannt und sind während der Zellteilung (Mitose) sichtbar. Die kondensierte Form ermöglicht den DNA-Transport.
Um dein neu erlerntes Wissen zu testen, gibt es interaktive Übungsaufgaben zum Video. Damit ist das Thema „DNA-Verpackung“ in der nächsten Klassenarbeit sicher kein Problem für dich!
Häufig gestellte Fragen zum Thema DNA – Verpackung und Chromatin
Es gibt insgesamt vier Verdichtungsstufen der eukaryotischer DNA.
- Die erste Stufe stellen die Nukleosomen dar. Das sind Einheiten aus Histonen und DNA.
- Die zweite Stufe ist die Verkettung mehrerer Nukleosomen zu spiraligen Chromatinfäden.
- Bei der dritten Stufe werden die Chromatinfäden an ein Proteingerüst geheftet. Die hieraus entstandenen schleifenartigen Strukturen bilden das aktive Chromatin.
- Die vierte Stufe ist die weitere Verdrehung und Faltung, zum Chromatid, welche die Chromosomen bilden.
Bei eukaryotischen Zellen befindet sich die verpackte DNA im Zellkern.
Die DNA als Strickleiter oder Reißverschluss zu beschreiben, hilft beim Grundverständnis der Gerüststruktur der DNA. Damit kann man sich bildlich vorstellen, dass die Zuckermoleküle und Phosphatgruppen die Seile an den Außenseiten bilden. Die komplementären Basenpaare zeigen nach innen, ähnlich wie „Leitersprossen“ oder “Zähne im Reißverschluss”, und bilden Wasserstoffbrückenbindungen aus. Wie alle Modelle kann jedoch auch dieses Modell nicht alle Eigenschaften der DNA abbilden. Das Reißverschlussmodell kann im Gegensatz zum Strickleitermodell das Öffnen der DNA-Doppelstränge während der Transkription implizieren. Beide Modelle sind jedoch nicht in der Lage die genaue räumliche Verdrehung der DNA , also ihre Anordnung als Doppelhelix, abzubilden.
Die Verpackung der DNA dient dazu, dass die DNA nur wenig Platz benötigt und so Zellprozesse ungestört ablaufen können. Zum Beispiel bei der Zellteilung wird so verhindert, dass es zu Verwicklungen oder Schäden kommt. Die unterschiedlichen Verpackungsdichten spielen ausserdem eine wichtige Rolle bei der Genregulation. Je dichter die DNA verpackt ist, desto schlechter ist sie zugänglich für Moleküle, welche Gene ablesen.
Durch das Verpacken der DNA kann bei Eukaryoten die genetische Information stark komprimiert werden. Dadurch kann eine kleinen Zelle ein großes Genom enthalten. Das ermöglicht es den Eukaryoten, im Gegensatz zu den Prokaryoten, sich zu komplexen Organismen zu entwickeln. Außerdem ist die verpackte DNA viel sicherer und effizienter bei der Reproduktion, da so mögliche Verwicklungen und Schäden während der Zellteilung verhindert werden. Allerdings muss die verpackte DNA für die Genexpression wieder entfaltet werden. Dieser Prozess ist energieaufwendig, langsam und fehleranfällig.
Ja, bei Eukaryoten ist die DNA immer um Histone gewickelt. Das dient nicht nur dazu, ein Chromosom zu bilden. Die Umwickelung mit Histonen hat auch eine regulierende Funktion bei der Genexpression. Regionen, die sehr stark verpackt sind, sind nicht transkriptaktiv (Heterochromatin), während weniger verpackte Regionen transkriptaktiv (Euchromatin) sind. Der Grad der Modifizierungen der Histone kann die Geschwindigkeit der Genexpression beeinflussen.
Die Grundeinheit der DNA sind die Nukleotide. Sie bestehen aus Zuckern, Phosphatgruppen und organischen Basen. Die Basen sind über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden (Adenin mit Thymin, Guanin mit Cytosin). Diese Bindungen sind hydrophob, also wassermeidend. Gleichzeitig besteht das Cytoplasma meistens aus Molekülen auf Wasserbasis. Durch die Drehung der DNA werden die Lücken zwischen den einzelnen Molekülen verkleinert, so dass die Basen den geringsten Kontakt mit dem Wasser haben. Hieraus ergibt sich die spiralige Form der DNA.
Wenn die DNA nicht verpackt wird, ist sie viel zu lang und gross für den Zellkern. Die verpackte Form stellt außerdem die Transportform der DNA dar und ist bei der Genregulation und der Zellteilung (Mitose) wichtig.
Histone sind die Proteine, an denen sich die DNA Doppelhelix spiralig windet. Die Einheit aus Histonen und der DNA nennt man Nukleosom.
Die Verpackung der DNA erfolgt in vier Schritten: 1. Schritt: Histonkomplex und DNA bilden Nukleosomen. 2. Schritt: Nukleosomen bilden eine spiralförmige Kette, den Chromatinfaden. 3. Schritt: Die Chromatinfäden binden sich an Gerüstproteine, dadurch entsteht das aktive Chromatin. 4. Schritt: Durch weitere Verdrehungen und Faltungen des Chromatins entsteht das Chromatid.
An dem Prozess der Verpackung der DNA waren und sind bis heute viele Forschungsteams beteiligt. Als Erstbeschreiber der Histone gilt Albrecht Kossel. James Watson and Francis Crick haben das vollständige Modell der DNA-Doppelhelix veröffentlicht.
Es gibt vier Stufen der Verdichtung der DNA.
Die DNA von Prokaryoten ist klein und ringförmig angeordnet. Die DNA schwimmt frei im Zellplasma. Die Chromosomen der Bakterien sind jedoch keine strukturlosen Moleküle. Auch sie sind mit Proteinen assoziiert und räumlich strukturiert. Sie enthalten jedoch kein Chromatin. Die DNA der Prokaryoten wird durch die sogenannte Superspiralisierung komprimiert. Die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten läuft im Vergleich zur Proteinbiosynthese der Eukaryoten schneller und einfacher ab. Das liegt auch an der komplizierten Verpackung der eukaryotischen DNA.
Die wesentlichen Schritte der Verpackung der DNA werden durch spezielle Proteine und enzymatische Aktivitäten durchgeführt.
Die DNA ist auf vier Ebenen verpackt:
- Erste Ebene: Nukleosomen
- Zweite Ebene: Chromatinfaden
- Dritte Ebene: aktives Chromatin
- Vierte Ebene: Chromatid und Chromosom.
Die Verpackung der DNA im Zellkern besteht aus vier Schritten. Der erste Schritt ist das Bilden von Nukleosomen aus Histonen und DNA. Der zweite Schritt ist die Verkettung der Nukleosomen zu spiralförmigen Chromatinfäden. Der dritte Schritt besteht aus der Bindung von Chromatinfäden an Gerüstproteine. Dadurch entsteht das aktive Chromatin. Der vierte Schritt ist die Entstehung von Chromatid durch weitere Verdrehungen und Faltungen des Chromatin. Es bilden sich Chromosomen.
In der Chromosomenform ist die DNA so dicht verpackt, dass in diesem Zustand kaum eine Proteinbiosynthese stattfinden kann, was außerhalb der Zellteilung permanent in einer Zelle stattfindet. Daher wird die Chromosomenform nur während der Zellteilung (Mitose) eingenommen.
Der Verpackungszustand der DNA ist ein zentraler Aspekt der Genregulation. Die Verpackung der DNA erleichtert den Transport der DNA. Allerdings ist die DNA in einer verpackten Form auch schwer zugänglich für andere Moleküle, etwa für die DNA-Synthese oder Transkription. Daher ist die DNA in einer Zelle unterschiedlich verpackt, je nachdem in welchem Prozess sich die Zelle gerade befindet.
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