DNA – Verpackung und Chromatin

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