Zusammenfassung
Die genetische Information eines Organismus wird in Form von Nukleinsäuren gespeichert. Diese Nukleinsäuren – DNA (deoxyribonucleic acid, Desoxyribonukleinsäure) und RNA (ribonucleic acid, Ribonukleinsäure) – sind lange lineare Polymere. Das bedeutet, sie bestehen aus Nukleotidbausteinen, die wiederum je aus einem Zucker, einem Phosphatrest und einer von vier Basen aufgebaut sind. DNA-Moleküle sind wesentlich länger als RNA-Moleküle und enthalten die gesamte genetische Information eines Organismus, die in der Abfolge der Basen kodiert vorliegt. RNA-Moleküle dagegen enthalten nur einen Teil der Information und können ganz unterschiedliche Aufgaben in der Zelle übernehmen.
Das entscheidende Strukturmerkmal der DNA ist ihre Doppelhelix: Zwei gegenläufige, komplementäre Nukleinsäurestränge winden sich schraubenförmig umeinander. Außen liegt das sogenannte DNA-Rückgrat mit immer abwechselnd verknüpften Zucker- und Phosphatresten. Im Inneren der Helix liegen die Basen. Sie bilden Basenpaare, bei denen jeweils die Basen Adenin und Thymin bzw. Guanin und Cytosin über Wasserstoffbrücken verknüpft sind.
Das menschliche Genom umfasst 3,2×109 Basenpaare. Diese sind aber nicht auf einem langen, durchgehenden DNA-Doppelstrang zu finden, sondern auf 23 Chromosomen aufgeteilt. Jedes Chromosom ist ein lineares DNA-Molekül mit einer bestimmten Länge. Es ist im Lichtmikroskop nur in der Metaphase der Mitose gut sichtbar, da es dann am dichtesten gepackt ist. In den meisten Körperzellen liegen die Chromosomen doppelt vor - als Paare. Dabei kommt ein Teil des Paares von der Mutter und der andere Teil vom Vater. Die beiden zusammengehörigen Chromosomen bezeichnet man als homolog, denn sie besitzen jeweils eine Variante desselben Gens. Veränderungen in der Anzahl oder Struktur der Chromosomen führen zu verschiedenen Krankheitsbildern, z.B. Entwicklungsstörungen. Die Untersuchung der Chromosomen mit verschiedenen molekularbiologischen und zytogenetischen Methoden ermöglicht oft eine eindeutige Diagnosestellung.
Du möchtest diesen Artikel lieber hören als lesen? Wir haben ihn für dich im Rahmen unserer studentischen AMBOSS-Audio-Reihe im Podcastformat vertont. Den Link findest du am Kapitelende in der Sektion „Tipps & Links“.
Nukleotide und Nukleinsäuren
DNA und RNA sind Nukleinsäuren, d.h. aus Nukleotidbausteinen bestehende, langkettige und gerichtete Makromoleküle. „Gerichtet“ bedeutet, dass die Nukleotiduntereinheiten immer in einer bestimmten Richtung miteinander verknüpft sind, woraus sich eine Ableserichtung ergibt. Nukleotide und ihre Derivate erfüllen aber auch noch weitere Aufgaben neben ihrer Funktion als Bausteine der Nukleinsäuren.
Molekulare Eigenschaften der Nukleotide und Nukleinsäuren
Die chemische Beschaffenheit der Nukleinsäuren (DNA und RNA) und ihr Aufbau aus sich wiederholenden Nukleotideinheiten ermöglicht ihre Funktion als Informationsträger und -vermittler.
Allgemeine Struktur der Nukleotide
- Aufbau
- Base (ein Purin- oder ein Pyrimidinderivat)
- Zucker (Pentose)
- Phosphatrest(e)
- Bindungen
- Base + Zucker → (N-glykosidische Bindung) → Nukleosid
- Nukleosid + Phosphatrest an 3'- oder 5'-C-Atom des Zuckers → (Esterbindung) → Nukleotid (auch Nukleosidmonophosphat genannt, bspw. AMP)
- Nukleotide als Bausteine in Nukleinsäuren
- Nukleinsäuren = lange Ketten (Polymere) von Nukleotiden
- Primärstruktur von Nukleinsäure: Nukleotidabfolge in der Kette
- Zuckerreste + Phosphatreste der einzelnen Nukleotide bilden das Rückgrat der DNA und RNA
- Zuckerreste sind über Phosphodiesterbrücken verknüpft
- Phosphodiesterbindungen sind negativ geladen
Das eine Ende der Nukleotidkette besitzt eine freie 3'OH-Gruppe, das andere Ende eine freie 5'OH-Gruppe, die meist mit einem Phosphatrest verknüpft ist. Laut Konvention schreibt man die Reihenfolge der Basen in einer Nukleinsäure immer in 5'→3'-Richtung!
Nukleosid: Base+Zucker; Nukleotid: Base+Zucker+Phosphat!
Nukleinsäurebasen
Nukleinsäurebasen sind heterozyklische Purin- und Pyrimidinderivate, die in DNA und RNA vorkommen. Ihre Reihenfolge in der Nukleinsäurekette ist entscheidend für die Kodierung der genetischen Information .
Struktur und Nomenklatur der Nukleinsäurebasen
Grundgerüst | Base in DNA und/oder RNA | Als Nukleosideinheit in RNA | Als Nukleosideinheit in DNA |
---|---|---|---|
Pyrimidin | Cytosin (C) | Cytidin | Desoxycytidin |
Thymin (T) | ∅ | Thymidin | |
Uracil (U) | Uridin | ∅ | |
Purin | Adenin (A) | Adenosin | Desoxyadenosin |
Guanin (G) | Guanosin | Desoxyguanosin |
Die Basen der DNA sind Guanin, Cytosin, Adenin und Thymin, die der RNA Guanin, Cytosin, Adenin und Uracil!
Keto-Enol-Tautomerie der Nukleinsäurebasen
- Intramolekulare Umlagerungen (Isomerisierungen) in Purinen und Pyrimidinen, die eine Ketogruppe (d.h. eine nicht-endständige Carbonylgruppe) und ein benachbartes Wasserstoffatom besitzen
- Das Reaktionsgleichgewicht liegt bei den Purin- und Pyrimidinbasen auf Seiten der Ketoform.
- Das ist wichtig für die DNA-Replikation und den Transkriptionsvorgang, da in der Enolform keine korrekte Basenpaarung zustande kommen kann (das hätte u.U. Mutationen zur Folge).
Weitere wichtige Basen
Weitere wichtige Basen sind die Purinbasen Hypoxanthin und Xanthin . Beide sind Zwischenprodukte des Purinstoffwechsels und nicht Teil der DNA. Hypoxanthin kommt als seltene Base in RNA vor, z.B. im Rahmen des RNA-Editings. Das Nukleosid von Hypoxanthin heißt Inosin , das Nukleosid von Xanthin heißt Xanthosin .
Nukleinsäurezucker
Der Zucker in der DNA ist die Desoxyribose, der Zucker in der RNA die Ribose .
- Struktur: DNA und RNA enthalten als Zucker eine Pentose, die als Fünferring vorliegt
- Nomenklatur: Die Nummerierung der Kohlenstoffatome der Zucker in Nukleinsäuren erfolgt durch eine Zahl mit einem Strich. Dadurch kann man sie von den Zahlen für die Atome der Basen unterscheiden, die ohne Strich geschrieben werden.
- Unterschied: Die Desoxyribose unterscheidet sich von der Ribose durch das Fehlen eines Sauerstoffatoms am C2'-Atom.
- Bindung
- Zwischen Pentose und Base: N-glykosidische Bindung
- Zwischen den Pentosen: Phosphodiesterbindung
Desoxyribonukleotide, denen auch das Sauerstoffatom am C3'-Atom fehlt, nennt man Didesoxyribonukleotide. Ihr Einbau führt zum Abbruch von DNA-Replikation und Transkription, was sich bspw. bei der DNA-Sequenzierung nach Sanger sowie bei der antiviralen Therapie von HIV-Infektionen zunutze gemacht wird.
Phosphatreste
- Ein Nukleotid kann ein, zwei oder drei Phosphatreste besitzen.
- Bindung
- Zwischen Ribose und Phosphatrest: Phosphorsäureesterbindung
- Zwischen den Phosphatresten: Energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen
- In Abhängigkeit von der Anzahl der Phosphatreste bezeichnet man die Nukleotide auch als
- Je nachdem, ob der Phosphatrest am C3'-Atom oder am C5'-Atom des Zuckers gebunden ist, erfolgt auch die Benennung der Nukleotide.
- Mit einem „d“ wird ein Desoxyribonukleotid gekennzeichnet.
- Beispiel: Desoxyadenosin-5'-monophosphat (abgekürzt 5'-dAMP) für ein Desoxyadenosinnukleosid mit einem über das C5'-Atom verknüpften Phosphatrest
Vergleich von DNA und RNA
DNA | RNA | |
---|---|---|
Basen | ||
Zucker |
|
|
Länge |
|
|
Struktur |
|
|
Funktion |
|
|
Für die Synthese von DNA und RNA werden Nukleosidtriphosphate miteinander verbunden!
Die Bausteine der DNA sind dATP, dGTP, dCTP und dTTP, die der RNA sind ATP, GTP, CTP und UTP!
Funktion der Nukleotide und ihrer Derivate
Nukleotide und Nukleotidderivate haben im Körper wichtige Funktionen.
- Bausteine der Nukleinsäuren: Die Nukleosidtriphosphate dATP, dGTP, dCTP und dTTP (in DNA) bzw. ATP, GTP, CTP und UTP (in RNA) sind die aktivierten Vorstufen für die Synthese von DNA und RNA.
- Energieträger: Insbesondere als universelle Energiewährung der Zelle in Form von ATP, aber auch GTP
- Signalmoleküle: Vor allem die second Messenger cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) und cGMP (zyklisches Guanosinmonophosphat) , beides Phosphorsäurediester
- Aktivatoren zur Übertragung von Gruppen: Nukleotide sind durch die Möglichkeit zur Bildung von energiereichen Bindungen in der Lage, in Biosynthesen ein Molekül auf ein anderes zu übertragen, z.B.:
- UDP-Glucose ist eine aktivierte Form der Glucose in der Glykogenbiosynthese.
- Aus der Nahrung stammendes Cholin kann mittels CTP zu CDP-Cholin aktiviert und so in der Synthese von Phosphatidylcholin eingesetzt werden.
- 3'-Phosphoadenosin-5'-Phosphosulfat (PAPS) dient in der Biosynthese von Sulfatiden als Sulfatgruppendonator.
- S-Adenosylmethionin (SAM) wird aus Methionin gebildet und dient als Cofaktor bei Methylierungsreaktionen .
- Regulatoren: Von enzymatischen Reaktionen in Signaltransduktionswegen (z.B. aktiviert GTP G-Proteine)
- Carriermoleküle: Z.B. die Elektronencarrier Nicotinamid-Adenindinukleotid (NAD+) und Flavin-Adenindinukleotid (FAD) als Bestandteil von Coenzymen bei Redoxreaktionen
Der Energieträger ATP enthält Ribose und nicht Desoxyribose als Zucker, besitzt also eine 2'OH-Gruppe!
DNA: Struktur und Eigenschaften
Die DNA enthält die genetischen Informationen der Zelle und gibt diese bei der Zellteilung an die Tochterzellen weiter. Dabei ermöglicht die Struktur der DNA-Moleküle als Doppelstränge und die spezifische Basenpaarung die Erzeugung von zwei identischen Tochtermolekülen.
DNA-Struktur
Die DNA liegt in der Zelle die meiste Zeit nicht als einsträngige Kette von Desoxyribonukleotiden vor, sondern als Doppelstrang. Die beiden Stränge sind komplementär zueinander und verlaufen antiparallel . Die Basen in den beiden Strängen bilden spezifische Basenpaare über Wasserstoffbrücken (H-Brücken).
- Doppelhelix: Dreidimensionale Struktur der DNA, in der sich die zwei Polynukleotidstränge schraubenartig umeinander winden
- Stabilisierung durch
- Basenpaarung über Wasserstoffbrücken
- Hydrophober Effekt: Das negativ geladene Zucker-Phosphat-Rückgrat liegt auf der Außenseite, die Basen im Inneren der Helix.
- "Basenstapel": Die Basenpaare stapeln sich übereinander („stacking interactions“) und ziehen sich durch Van-der-Waals-Kräfte an, was eine weitere Stabilisierung bewirkt.
- Weitere Kennzeichen: Auf der Außenseite der Doppelhelix findet man zwei Vertiefungen, die kleine Furche und die große Furche .
Basenpaare in der DNA: Guanin paart mit Cytosin (3 H-Brücken), Adenin paart mit Thymin (2 H-Brücken)!
DNA-Konformation
DNA kann verschiedene Strukturformen annehmen. Sie liegt in vivo hauptsächlich in der B-Konformation vor (B-DNA). Neben der B-DNA gibt es auch noch eine A- (A-DNA) und eine Z-Konformation (Z-DNA). Außerdem können sich übergeordnete (Tertiär‑)Strukturen ausbilden, die durch Superspiralisierung zustande kommen. James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin und Maurice Wilkins leiteten aus verschiedenen experimentellen Beobachtungen ein Modell der B-DNA ab. Watson, Crick und Wilkins erhielten dafür 1962 den Nobelpreis für Medizin; Franklin verstarb bereits zuvor und konnte nicht mehr bedacht werden.
Eigenschaften der B-DNA
- Rechtsgängige Doppelhelix
- 10 Basenpaare pro Helixwindung auf einer Länge von 3,4nm
- Helixdurchmesser: 2nm
- Basen stehen in etwa senkrecht zur Achse der Helix
Eigenschaften der A-DNA
- Wie B-DNA rechtsgängige Doppelhelix, allerdings breiter und kürzer als B-DNA
- Basenpaare stehen nicht senkrecht auf der Helixachse, sondern sind der Achse gegenüber etwas geneigt
- Dehydratisierte Form, d.h. DNA kann experimentell so vorliegen, aber nicht in vivo; allerdings nehmen manche RNAs und DNA-RNA-Hybride diese Konformation an
Eigenschaften der Z-DNA
- Linksgängige Doppelhelix
- Länger gestreckt als B-DNA und dadurch geringerer Durchmesser
- In GC-reichen Sequenzen vorkommend, insgesamt aber unter physiologischen Bedingungen selten
- Phosphatgruppen des DNA-Rückgrats bilden hier eine Zickzacklinie
Die DNA liegt in der Zelle hauptsächlich als B-DNA vor und ist damit eine rechtsgängige Doppelhelix!
Supercoils
- Definition: Verdrillte Doppelhelix, sog. Superhelix
- Vorkommen: Insbesondere bei ringförmigen DNA-Molekülen
- Bei Prokaryoten: Bakterienchromosom, Plasmide
- Bei Eukaryoten
- Mitochondriale DNA (ringförmig)
- „Unflexible“ Abschnitte der linearen, chromosomalen DNA
- Eigenschaften: Superspiralisierte, also in Form von Supercoils vorliegende DNA-Moleküle haben eine viel kompaktere Struktur als entspanntere Formen des gleichen Moleküls.
Weitere strukturelle Besonderheiten der DNA
Die DNA ist in ihrer Längsrichtung sehr flexibel. Durch die Bindung von Proteinen kann die Konformation der DNA beeinflusst werden. Aber auch die Abfolge der Basen hat Auswirkungen auf ihre lokale Struktur.
Palindrom
- Definition: Ein Palindrom ist im Allgemeinen eine Zeichensequenz, die von vorn und hinten gelesen die gleiche Zeichenreihenfolge enthält, z.B. Otto.
-
Molekularbiologische Verwendung des Begriffs „Palindrom“ für sog. inverted repeats (umgekehrte Sequenzwiederholungen)
- Auf den beiden komplementären Strängen eines DNA-Doppelstrangs kommen bei palindromischen Sequenzen über einen bestimmten Sequenzabschnitt jeweils die gleichen Basenabfolgen vor, d.h. immer in 5'→3'-Richtung gelesen ist die Basenreihenfolge die gleiche.
- Dazwischen können Basen liegen, die nicht übereinstimmen.
- Diese Abschnitte sind mit sich selbst komplementär und können Haarnadelstrukturen ausbilden .
- Bei doppelsträngiger DNA führt das zur Ausbildung von kreuz-förmigen Strukturen.
- Funktion: Manche Proteine, die DNA binden können, brauchen palindromische Sequenzen als Erkennungssequenz, z.B. Steroidhormonrezeptoren oder Restriktionsenzyme .
RNA: Struktur und Eigenschaften
RNA-Klassen und ihre Struktur
RNA-Moleküle sind Nukleinsäuren (wie DNA-Moleküle). Prinzipiell gleicht der Aufbau eines RNA-Einzelstrangs (Primärstruktur) dem der DNA-Einzelstränge. Wie oben bereits erwähnt, enthält RNA aber Ribose als Zucker und Uracil als Base . In Zellen vorkommende RNA-Moleküle sind wesentlich kürzer als DNA-Moleküle und übernehmen sehr verschiedene Funktionen, u.a. in der Proteinbiosynthese, als strukturgebende Elemente oder als Enzym (Ribozym). RNAs lassen sich in verschiedene Klassen einteilen, die sich in ihrer Länge, Struktur und Funktion unterscheiden. In Abhängigkeit von der Klasse liegen die RNA-Moleküle einzelsträngig oder abschnittsweise doppelsträngig vor. In doppelsträngigen RNA-Abschnitten paart Guanin mit Cytosin (3 H-Brücken) und Adenin mit Uracil (2 H-Brücken).
Klassifizierung der RNA | ||
---|---|---|
Definition und Funktion | Struktur | |
mRNA (messenger RNA) |
|
|
tRNA (transfer RNA) |
|
|
rRNA (ribosomale RNA) |
| |
snRNA (small nuclear RNA) |
|
|
snoRNA (small nucleolar RNA) |
| |
RNA-Bestandteil des Signalerkennungspartikels auch: scRNA (small cytoplasmic RNA) |
|
|
RNA-Bestandteil der Telomerase (human telomerase RNA, hTR) |
|
|
miRNA (mikroRNA) |
|
|
siRNA (small interfering RNA) |
|
|
RNA-Interferenz (RNAi)
- Definition: Gezieltes Ausschalten von spezifischen Ziel-RNAs (meist mRNAs) durch kurze, einzelsträngige RNAs, die an die Ziel-RNAs über Basenpaarung binden
- Regulatorische RNA-Moleküle: u.a. miRNAs, siRNAs
- Funktion
- Herunterregulation der Genexpression (sog. Gene Silencing)
- Abwehrmechanismus gegen zellfremde RNA-Moleküle
- Mechanismen
- Inhibition der Translation
- Destabilisierung der mRNA
- Entfernung des Polyadenylatschwanzes am 3'OH-Ende der mRNA (Deadenylierung)
- Entfernung des 5'-Caps (engl. decapping)
- Abbau der mRNA
Organisation des menschlichen Genoms
Das menschliche Genom umfasst etwa 3,2 Milliarden Basenpaare . Eine diploide menschliche Zelle enthält dementsprechend 6,4x109bp. Würde die DNA einer Zelle als lineares Molekül vorliegen, hätten alle Chromosomen zusammen eine Länge von etwa 1,8m. Die DNA muss also verpackt im Zellkern vorliegen.
Anteile der verschiedenen Sequenzen am menschlichen Genom
Das menschliche Genom unterteilt sich in Kerngenom und mitochondriales Genom.
Anteile des Kerngenoms
- Ca. 10% Gene und damit im Zusammenhang stehende Sequenzen
- Ca. 90% keine Gene
-
Ca. 45% des Kerngenoms sind Wiederholungssequenzen (repetitive DNA-Elemente)
- Einfache repetitive DNA-Elemente („tandem repeats“)
- Makrosatelliten-DNA (= Satelliten-DNA): Sequenzwiederholungen von bis zu 18000 Nukleotiden
- Minisatelliten-DNA: Sequenzwiederholungen von 3 bis 100 Nukleotiden
- Mikrosatelliten-DNA: Sequenzwiederholungen von 2 bis 6 Nukleotiden
- Ehemals „mobile“ DNA-Elemente (wie z.B. Transposons, LTR , Non-LTR, LINE , SINE )
- Einfache repetitive DNA-Elemente („tandem repeats“)
- Ca. 24% des Kerngenoms sind Introns
-
Ca. 45% des Kerngenoms sind Wiederholungssequenzen (repetitive DNA-Elemente)
Mitochondriales Genom (mitochondriale DNA, mtDNA)
Zusammensetzung und Aufbau von Chromosomen
Die DNA liegt im Zellkern von Eukaryoten an Proteinkomplexe gebunden vor. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen sehen diese Strukturen aus wie Perlen auf einer Kette. Sie sind weiter verdichtet zu Chromatinfasern, die wiederum durch die Einwirkung anderer Proteine zu Schleifen gefaltet werden. Maximal verdichtet liegen die DNA-Moleküle in der Metaphase der Mitose vor. Nur hier sind die einzelnen Chromosomen lichtmikroskopisch unterscheidbar.
- Chromosom
- Definition
- Bei Eukaryoten linearer DNA-Doppelstrang, der die vererbbare Information für Bau und Funktion des Organismus trägt
- Ist ein Teil des Genoms und enthält kodierende und nicht-kodierende Abschnitte
- Definition
- Kondensationsstufen der DNA im Zellkern (von wenig zu maximal kondensiert)
- DNA-Doppelhelix
- Nukleosom: DNA-Doppelhelix + Histonproteine (Histonoctamer)
- 30nm-Chromatinfaser (auch: Solenoid)
- Chromatinschleife
- Chromosomen in der Metaphase (um den Faktor 10.000 kondensierter als auf der Ebene der DNA-Doppelhelix)
Histonproteine
- Definition: Gruppe von Proteinen, die im Zellkern von Eukaryoten die DNA binden
- Allgemeine Eigenschaften
- Positiv geladen durch hohen Anteil an basischen Aminosäuren (Arginin und Lysin)
- Gehen starke ionische Wechselwirkungen mit der negativ geladenen DNA ein
- Liegen in so großer Zahl vor, dass ihre Masse ca. der der DNA im Zellkern entspricht
- Werden im Zytosol an freien Ribosomen synthetisiert und in den Zellkern transportiert
- Typen: Es gibt 4 Kernhistone und ein Verbindungshiston
- Kernhistone
- Proteinnamen: H2A, H2B, H3, H4
- Struktur: Alle vier Kernhistone haben eine ähnliche Struktur, die sich im Laufe der Evolution kaum verändert hat .
- Funktion
- Bilden den Nukleosomenkern, um den die DNA immer abschnittsweise herumgewunden ist
- Strukturell handelt es sich dabei um ein Histonoctamer, denn es ist ein aus acht Proteinen (je zwei Moleküle H2A, H2B, H3 und H4) aufgebauter Proteinkomplex
- Steuern die Genexpression über posttranslationale Modifikation der Histone u.a. über eine Acetylierung von Lysin
- Bilden den Nukleosomenkern, um den die DNA immer abschnittsweise herumgewunden ist
- Verbindungshiston
- Proteinname: H1
- Struktur: Noch nicht komplett bekannt, aber andere, weniger einheitliche Struktur als Kernhistone.
- Funktion: Stabilisiert die DNA auf dem Histonoctamer und bindet zum Teil an die DNA in den Zwischenstücken zwischen den Nukleosomen
- Kernhistone
Nukleosom (Nukleosomen-Core-Partikel)
- Definition: Strukturelle und funktionelle Grundeinheit des Chromatins
- Struktur
-
Komplex aus DNA (ca. 150bp) und Histonoctamer
- DNA bildet um den Nukleosomenkern eine flache, linksgängige Superhelix mit etwa 1,8 Windungen
- Die Nukleosomen sind über kurze DNA-Abschnitte variabler Länge (durchschnittlich 50 bis 60bp) miteinander verbunden .
- Diese DNA-Stücke nennt man auch Linker-DNA (Verbindungs-DNA)
- Nukleosomen und Linker-DNA bilden zusammen den Nukleosomenstrang
- 30nm-Faser (Solenoid)
- Nukleosomenstrang, der spiralförmig zu Fasern von 30nm Durchmesser aufgewickelt ist
- Jede Windung der 30nm-Fasern enthält etwa sechs Nukleosomen
- An der Stabilisierung ist das Histonprotein H1 beteiligt
- Schleife
- Verdichtungsform der DNA über Nukleosomen und 30nm-Fasern hinaus
- An der Bildung von Schleifen sind sowohl das Histonprotein H1 als auch sog. Nicht-Histonproteine beteiligt
-
Komplex aus DNA (ca. 150bp) und Histonoctamer
Chromatin
- Definition: Komplex aus DNA und allen mit ihr assoziierten Proteinen (Histonproteine und Nicht-Histonproteine)
- Funktion: Verdichtung und Organisation der DNA-Struktur (beeinflusst auch die Genregulation)
- Formen
- Heterochromatin: Dicht gepackt, enthält „inaktive“ DNA
- Konstitutives Heterochromatin: Vor allem aus nicht-kodierenden, repetitiven DNA-Sequenzen bestehendes Heterochromatin, das auch in Interphase-Zellkernen kondensiert vorliegt und insbesondere in der Nähe von Telomer und Zentromer vorkommt.
- Fakultatives Heterochromatin: Kodierende, d.h. Gene enthaltende DNA-Sequenzen, die fakultativ, d.h. optional, als Heterochromatin vorliegen können, aber auch entpackt als Euchromatin.
- Beispiel: Eines der zwei X-Chromosomen in den Zellen eines weiblichen Organismus liegt als fakultatives Heterochromatin vor und ist inaktiviert.
- Euchromatin: Locker gepackt, enthält „aktive“ DNA, d.h. DNA, an der Transkription stattfinden kann
- Heterochromatin: Dicht gepackt, enthält „inaktive“ DNA
- Aufbau: Grundstruktur aus sich wiederholenden Einheiten (Nukleosomen)
Morphologie und Darstellung von Chromosomen
Die Chromosomen sind nur in der Zellteilung sichtbar, insbesondere in der Metaphase.
- Chromosomensatz des Menschen: 23 Paare homologer (gleichartiger) Chromosomen
- Einteilung nach Vielfachem des Chromosomensatzes
- Diploid („doppelter“ Chromosomensatz): Menschliche somatische Zellen enthalten 46 Chromosomen - d.h. 46 DNA-Moleküle - unterschiedlicher Länge, die 23 Paare homologer Chromosomen bilden. Eines der homologen Chromosomen stammt von einem Elternteil, das andere vom anderen Elternteil .
- Haploid („einfacher“ Chromosomensatz): Nach der Meiose enthalten die Keimzellen nur 23 Chromosomen (keine Chromosomenpaare!), also einen haploiden Chromosomensatz mit nur einer Kopie jedes Chromosoms .
- Einteilung in Autosomen und Geschlechtschromosomen
- 22 Autosomenpaare, bestehend aus zwei homologen Chromosomen
-
1 Gonosomenpaar, bestehend aus zwei X-Chromosomen (♀) oder einem X- und einem Y-Chromosom (♂)
- Pseudoautosomale Regionen (PAR): Auf X- und Y-Chromosom gleichermaßen zu findende DNA-Abschnitte, wobei sich PAR1 auf dem kurzen Arm und PAR2 auf dem langen Arm der Gonosomen befindet
- Einteilung nach Vielfachem des Chromosomensatzes
- Je nachdem, in welcher Phase des Zellzyklus sich eine Zelle befindet, besteht ein Chromosom aus einem oder zwei Chromatiden
- Schwesterchromatide: Zwei identische DNA-Moleküle mit zugehörigen Verpackungsproteinen, die durch die DNA-Replikation entstanden und über das Zentromer mittels sog. Cohesine verbunden sind
Die Bezeichnung „Chromosom“ wird auch sehr häufig synonym verwendet für das lichtmikroskopisch sichtbare Metaphasenchromosom, obwohl die Chromosomen in allen Phasen des Zellzyklus vorhanden sind.
Kennzeichen von Chromosomen (Chromosomenmorphologie)
- Kinetochor: Proteinkomplex an den Chromosomen, der als Ansatzpunkt für die Mikrotubuli in der Mitose dient
- Zentromer: Verbindungsstelle der Schwesterchromatiden
- Unterteilt die Chromatiden in einen kurzen p-Arm und einen langen q-Arm
- Je nach Lage des Zentromers unterteilt man Chromosome in
- Submetazentrisch: Zentromer liegt nicht genau in der Mitte, d.h. kurzer p-Arm und langer q-Arm sind deutlich sichtbar
- Metazentrisch: Zentromer ungefähr in der Mitte, d.h. p- und q-Arm sind etwa gleich lang
- Akrozentrisch: Zentromer verbindet jeweils fast eines der Enden der beiden Schwesterchromatiden
- Die akrozentrischen Autosomen (Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22) enthalten an ihren kurzen Enden die Gene für die großen ribosomalen RNAs, die sich in den sog. Nukleolus-Organisator-Regionen (NOR) anordnen
- Am Zentromer werden die Kinetochoren zusammengebaut (deshalb wird das Zentromer auch oft als Ansatzpunkt der Spindel bezeichnet)
- Telomer: Repetitive, nicht-kodierende DNA-Sequenzen an den Enden der Chromosomen
Chromosomen werden unterschieden nach ihrer Länge, der Lage des Zentromers und nach ihrem Bandenmuster!
Darstellung der Chromosomen
Zur Untersuchung der Chromosomenzahl und für einen Überblick über eventuelle strukturelle Veränderungen lassen sich die Chromosomen in einem sog. Karyogramm sichtbar machen. Durch verschiedene Färbemethoden erhält man spezifische Bandenmuster, die für jedes Chromosom charakteristisch sind.
- Karyogramm
- Darstellungsmethode zur Untersuchung der Chromosomen eines Individuums und Sichtbarmachung möglicher Abweichungen in ihrer Anzahl oder Struktur
- Die Chromosomen werden isoliert und angefärbt; dann kann man das sog. Bandenmuster analysieren
- Bandenmuster: Quer verlaufende Bänder unterschiedlicher Breite und Verteilung, die in Abhängigkeit von der Präparation und Färbetechnik induziert werden können
- Material
- Für die zytogenetische Untersuchung werden meist Lymphozytenpräparate verwendet.
- In der pränatalen Diagnostik verwendet man auch Amnionzellen.
- Präparation
- Die zu untersuchenden Zellen werden in Kultur genommen und zur Teilung angeregt.
- Um Metaphasenchromosomen zu erhalten, werden die Zellen dann mit dem Spindelgift Colchicin behandelt.
- Dadurch werden die Schwesterchromatiden in der Anaphase der Mitose nicht voneinander getrennt.
- Bänderungstechniken
- Analyse: Begutachtung von durchschnittlich 10 bis 15 Metaphasen-Chromosomensätzen bei 1250-facher Vergrößerung
- Ergebnis
- Karyotyp: Auswertung des Karyogramms nach Anzahl und Struktur der Chromosomen
- Zuerst wird die Gesamtanzahl der Chromosomen genannt, dann die Art der vorliegenden Gonosomen und zuletzt ggf. Anomalien.
- Beispiele: (46, XX) für einen normalen, weiblichen Karyotyp, (47, XY+21) für einen Jungen mit Trisomie 21 (siehe auch: Humangenetik - Vorklinik)
- Zuerst wird die Gesamtanzahl der Chromosomen genannt, dann die Art der vorliegenden Gonosomen und zuletzt ggf. Anomalien.
- Karyotyp: Auswertung des Karyogramms nach Anzahl und Struktur der Chromosomen
- Material
Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH)
- Definition: Methode zur spezifischen Anfärbung von DNA-Sequenzen durch Fluoreszenz-markierte DNA-Sonden, z.B. zur Anfärbung von Chromosomen in Karyogrammen, zur Tumordiagnostik oder zur Kartierung von Genen auf Chromosomen in der Metaphase
- Prinzip
- Denaturierung der DNA in den präparierten Chromosomen
- Hybridisierung der DNA mit einzelsträngigen, Fluoreszenz-markierten DNA-Sonden, die komplementär zu DNA-Abschnitten verschiedener Chromosomen sind
- Untersuchung des Chromosomensatzes im Fluoreszenzmikroskop
- Wo die Sonde gebunden hat, ist ein farbliches Signal zu erkennen
- Fehlt das Signal, kann man davon ausgehen, dass der komplementäre Abschnitt der DNA fehlt.
- Besonderheiten
- Das spezifische Anfärben erhöht die Auflösung im Vergleich zu den klassischen Färbemethoden für Karyogramme
- Dadurch können auch kleinere Veränderungen der Chromosomen, z.B. kleinere Deletionen, erkannt werden.
- FISH ist auch auf Chromosomen in der Interphase möglich
Wiederholungsfragen zum Kapitel Aufbau von DNA und RNA
Nukleotide und Nukleinsäuren
Wie ist ein Nukleotid aufgebaut? Welche Bindungen enthält es?
Wie heißen die Basen von DNA bzw. RNA? Welche Basen paaren sich?
Welche weiteren wichtigen Basen kennst du? Wie heißen ihre Nukleoside?
Wie erfolgt die Nomenklatur der Zucker in DNA bzw. RNA?
Wie ist das Signalmolekül cAMP aufgebaut?
Welchen Zucker enthält ATP?
DNA
Wie liegt DNA normalerweise in der Zelle vor?
Wie viele Basenpaare finden sich in B-DNA normalerweise pro Helixwindung?
Erkläre den Begriff Palindrom!
RNA
Beschreibe wichtige Strukturmerkmale der tRNA!
Aus welchen Bestandteilen sind die Untereinheiten extramitochondrialer Ribosomen aufgebaut?
Welche Aufgabe übernimmt rRNA?
Welche RNA ist Bestandteil des Spleißosoms?
Welche Funktion übernehmen mikroRNA?
Was versteht man unter RNA-Interferenz und welche Mechanismen nutzt sie?
Welche Aufgabe übernehmen snoRNAs hauptsächlich?
Welche Rolle spielt RNA innerhalb der Telomerase?
Organisation des menschlichen Genoms
Wie viel Prozent des Kerngenoms bzw. des mitochondrialen Genoms kodiert für Gene? Was ist mit dem Rest?
Welche einfachen repetitiven DNA-Elemente kennst du?
Wieso sind Histonproteine positiv geladen?
Was ist ein Nukleosom?
Was wird als Chromatin bezeichnet?
Wie unterscheiden sich Heterochromatin und Euchromatin?
Aus wie vielen Chromosomen (Autosomen und Gonosomen) besteht der menschliche Chromosomensatz?
Wie lautet das Karyogramm einer gesunden Frau bzw. eines gesunden Mannes?
Wo finden sich pseudoautosomale Regionen?
Was wird als Kinetochor bezeichnet? Wo wird es zusammengebaut?
Wie wird die Verbindungsstelle der Schwesterchromatiden bezeichnet?
Wo liegen typischerweise Nukleolus-Organisator-Regionen? Was wird dort kodiert?
Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.
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In Kooperation mit Meditricks bieten wir durchdachte Merkhilfen an, mit denen du dir relevante Fakten optimal einprägen kannst. Dabei handelt es sich um animierte Videos und Erkundungsbilder, die auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend sind. Die Inhalte liegen meist in Lang- und Kurzfassung vor, enthalten Basis- sowie Expertenwissen und teilweise auch ein Quiz sowie eine Kurzwiederholung. Eine Übersicht aller Inhalte findest du im Kapitel „Meditricks“. Meditricks gibt es in unterschiedlichen Paketen – für genauere Informationen empfehlen wir einen Besuch im Shop.
Nukleotide
Chromosomen
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