Chromatinkondensation und Bau der Chromosomen
Wie Chromatin im Zellzyklus verdichtet wird, worin sich Eu- und Heterochromatin unterscheiden und aus welchen Strukturelementen ein Chromosom besteht.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Chromosom ist ein lineares DNA-Molekül, das mit Histonen als Chromatin verpackt ist und je nach Zellzyklusphase unterschiedlich stark kondensiert vorliegt.
- Bei der Kondensation werden Nucleosomen zu kompakteren Strukturen gepackt; maximal verdichtet sind Metaphase-Chromosomen, repliziert wird im dekondensierten Zustand.
- Euchromatin ist locker und transkriptionell aktiv, Heterochromatin stärker kondensiert, genarm aktiv und dunkler anfärbbar.
- Ein Metaphase-Chromosom besteht aus zwei Chromatiden, die am Centromer verbunden sind; die Enden tragen Telomere, dem Centromer ist das Kinetochor angelagert.
- Der diploide Satz des Menschen umfasst 46 Chromosomen; Allele liegen auf homologen Chromosomen am gleichen Genort.
Worum es geht
Ausgestreckt wäre die DNA einer menschlichen Zelle rund 2 m lang. In den Kern passt sie nur, weil sie in mehreren Stufen verpackt ist. Wie stark sie verdichtet ist, entscheidet über Genaktivität und Sichtbarkeit. Das ist auch die Grundlage, um Mitosehemmstoffe und Karyogramme zu verstehen.
Kondensation
Grundeinheit des Chromatins ist das Nucleosom. Die Nucleosomenkette (11 nm) faltet sich zur 30-nm-Faser. Diese bildet Schleifendomänen an einem Proteingerüst. Bei der Kondensation werden also Nucleosomen schrittweise zu kompakteren Strukturen aufeinandergepackt. Dabei bleibt es eine durchgehende Faser. Mehrere Fasern winden sich nicht wie bei einem Seil umeinander. Wie dicht gepackt wird, bestimmen die Wechselwirkungen zwischen DNA und Histonen mit.
Der Kondensationsgrad ändert sich im Zellzyklus. In der G1-Phase ist das Chromatin locker, in der Metaphase maximal verdichtet. Repliziert wird die DNA im dekondensierten Zustand, denn die Polymerasen brauchen Zugang. Nach der Mitose lockert sich das Chromatin wieder auf. In einzelne Nucleosomen zerfällt es dabei aber nicht.
Zwei Proteinkomplexe formen das Chromosom. Condensin treibt die Verdichtung an. Cohäsin hält die Schwesterchromatiden zusammen und stabilisiert so die kompakte Struktur.
Eu- und Heterochromatin
Auch in der Interphase ist Chromatin nicht überall gleich dicht. Euchromatin ist locker gepackt und umfasst die transkriptionell aktiven Bereiche. Heterochromatin ist stärker kondensiert, seine Gene werden kaum abgelesen. Dieser Unterschied bleibt auch in der S-Phase bestehen.
Mit Färbetechniken lassen sich beide unterscheiden: Heterochromatin färbt sich dunkler an. Wie Zellen Bereiche gezielt stilllegen, behandelt die Epigenetik.
Strukturelemente des Chromosoms
Erst kondensierte Chromosomen sind im Lichtmikroskop sichtbar. In der Interphase erkennt man auch nach Anfärben keine Einzelchromosomen. Man untersucht daher Metaphase-Chromosomen. Nach der Replikation besteht jedes aus zwei identischen Chromatiden, den Schwesterchromatiden.
Sie hängen am Centromer zusammen, einer auch lichtmikroskopisch erkennbaren Einschnürung. Es teilt die Chromatide in den kurzen p-Arm und den langen q-Arm. An den Enden sitzen die Telomere, repetitive Sequenzen, die die Enden schützen. Telomere hat jedes Chromosom, auch das Anaphase-Chromosom aus nur einer Chromatide. Stärker färbbare Verdichtungen entlang der Chromatiden heißen Chromomeren.
Dem Centromer unmittelbar angelagert ist das Kinetochor. An diesem Proteinkomplex setzen die Mikrotubuli des Spindelapparats an. Auch Condensin ist dem Chromosom angelagert.
Das Centromer ist ein Abschnitt des Chromosoms selbst, das Kinetochor ein außen aufgelagerter Proteinkomplex. Die in der Äquatorialebene aufgereihten Metaphase-Chromosomen bilden die Metaphaseplatte, nicht das Centromer.
Nach der Lage des Centromers unterscheidet man metazentrische, submetazentrische, akrozentrische und telozentrische Chromosomen.
Aus Chromatin aufgebaute Chromosomen gibt es nur bei Eukaryoten. Ihre Kern-DNA ist linear. Auch der Kern einer typischen Pflanzenzelle enthält keine ringförmigen Chromosomen. Ringförmige DNA findet man bei Bakterien sowie in Mitochondrien und Plastiden.
Chromosomensatz
Körperzellen des Menschen sind diploid. Ihr Satz umfasst 46 Chromosomen: 44 Autosomen und 2 Geschlechtschromosomen. Je zwei Chromosomen gleicher Genfolge, eines von jedem Elternteil, sind homologe Chromosomen. Sie tragen dieselben Gene am gleichen Genort. Jedes autosomale Gen liegt deshalb in der Regel zweifach vor, als zwei Allele. Wie die Homologen verteilt werden, zeigt die Meiose.
Quiz
Aussage 1
Heterochromatin ist stärker kondensiert als Euchromatin und zeigt eine geringe Genaktivität.
Euchromatin umfasst die transkriptionell aktiven Bereiche, Heterochromatin ist dichter gepackt und kaum aktiv.
Aussage 2
Das Kinetochor ist ein Proteinkomplex, der dem Centromer unmittelbar angelagert ist und an dem Spindelmikrotubuli ansetzen.
Das Centromer gehört zum Chromosom selbst, das Kinetochor ist ihm direkt aufgelagert und verbindet es mit den Mikrotubuli.
Aussage 3
Der Zellkern einer typischen Pflanzenzelle enthält neben linearen auch ringförmige Chromosomen.
Die Kern-DNA der Eukaryoten ist linear. Ringförmige DNA kommt bei Bakterien sowie in Mitochondrien und Plastiden vor, nicht im Zellkern.
Aussage 4
Die DNA wird repliziert, während die Chromosomen maximal kondensiert vorliegen.
Replikation erfolgt im dekondensierten Zustand, weil die Polymerasen Zugang zur DNA brauchen. Maximal kondensiert sind Metaphase-Chromosomen.
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