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DNA – Verpackung und Chromatin

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Team Digital
DNA – Verpackung und Chromatin
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema 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.

DNA-Verpackungsebenen

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

Beschreibe die unterschiedlichen Stufen der Verdichtung eukaryotischer DNA.
Wo ist die DNA verpackt?
Die DNA wird bildhaft auch als Strickleiter oder Reißverschluss beschrieben. Bewerte die Modellvorstellung und deren Grenzen.
Warum ist die DNA verpackt?
Stelle Vor- und Nachteile der Verpackung der DNA bei Eukaryoten auf und erkläre sie.
Ist die DNA immer um Histone gewickelt?
Warum spiralisiert sich die DNA?
Warum muss DNA in einer Zelle aufgewickelt sein?
Was ist der Unterschied zwischen Histonen und Nukleosomen?
Wie sieht die Verpackung der DNA aus?
Wer entdeckte die Verpackung der DNA?
Warum wäre das Verpacken der DNA bei Prokaryoten hinderlich?
Wie kommt die Verpackung der DNA zustande?
Was sind die Ebenen der DNA-Verpackung?
Wie ist die DNA im Zellkern verpackt?
Warum ist die DNA nicht ständig in Form von Chromosomen in der Zelle verpackt?
Warum gibt es verschiedene Verpackungszustände der DNA?

Transkript DNA – Verpackung und Chromatin

Sooo hier komm’n n’ paar spannende Fakten zur DNA: etwa vierzig bis fünfzig Prozent deiner DNA ist identisch mit der von Kohlgemüse. Deine Zellen sind winzig, dennoch hat die DNA, die in jeder deiner Zellen steckt, eine Länge von etwa zwei Metern. Würde man nun die Länge der DNA aller Körperzellen addieren, käme man bei einer Strecke von einhundertfünfzig Milliarden Kilometern raus, also etwa eintausend mal von der Erde bis zur Sonne – WHAAAT?! Wie kann das sein? Jaja, wird spannend, bleib dran, es geht um "die DNA, ihre Verpackung und das Chromatin". Okay, erstmal ein paar Basics: die DNA ist die Erbsubstanz eines Organismus. Die gesamte Erbsubstanz einer Zelle eines Lebewesens wird auch als GENOM bezeichnet. Beim Menschen handelt es sich dabei um etwa drei Milliarden Nukleotidpaare. Nukleo-was? Falls es hier noch hakt, zieh dir noch mal ein paar Infos zum Aufbau der DNA rein – zum Beispiel hier bei Sofatutor. Bei Eukaryoten wie uns Menschen liegt diese Informationsmenge im Zellkern vor , und zwar auf sechsundvierzig DNA-Moleküle verteilt. Wie am Anfang des Videos bereits verkündet, würde die Strecke der DNA im Zellkern etwa zwei Meter betragen, wären die DNA-Moleküle langgestreckt. So und jetzt erklär' du mir mal, wie eine zwei Meter lange DNA in einen Zellkern von ungefähr fünf Mikrometern Durchmesser passen soll?! Tricky. Nun ja,dazu musst du erstmal folgendes wissen: die DNA aller Eukaryoten ist mit einer Vielzahl von Proteinen verbunden. Diesen Komplex aus DNA und Proteinen nennt man CHROMATIN. Und hier kommen wir der Sache näher. Während des Zellzyklus ist das Chromatin unterschiedlich dicht verpackt. Die kompakteste Version liegt vor der Zellteilung vor: dann werden die DNA-Moleküle unter dem Mikroskop als CHROMOSOMEN sichtbar. Schauen wir uns die Ebenen der DNA-Verpackung bis zum Chromosom einmal genauer an. Auf geht's! Die DNA ist, wie du bereits gelernt hast, in einer DNA-Doppelhelix organisiert. Diese besteht aus einem DNA-Doppelstrang mit einem Zucker-Phosphat-Rückgrat, welcher über Wasserstoffbrücken zwischen den Basen miteinander verbunden ist. Die DNA-Doppelhelix ist in zwei Windungen um bestimmte Proteine gewickelt – die HISTONE. Sie bestehen aus acht Histon-Untereinheiten, also einem Oktamer. Diese Einheit aus DNA und Histon-Oktamer nennt man NUKLEOSOM. Es bildet sich eine Art Perlenkette und die DNA ist um den Faktor sieben verdichtet. Die "Perlenkette" wird weiter gefaltet, wobei immer sechs Nukleosomen pro Windung vorliegen. Es entsteht ein sogenannter CHROMATINfaden mit einer vierzigfachen Verdichtung der DNA. Vor der Zellteilung verdichtet sich der Chromatinfaden zu einer noch kompakteren Struktur. Statt "verdichten" sagt man auch "KONDENSIEREN". Dabei heftet sich der Chromatinfaden an bestimmten Stellen an ein Gerüst aus Nicht-Histon-Poteinen, wodurch Schleifen entstehen. Hierbei wird bereits eine zweihundertfache Verdichtung erreicht. WOW. Und durch weiteres Verdrillen und Falten bildet sich schließlich die Chromatidstruktur eines Chromosoms, wodurch eine zehntausendfache Verdichtung erreicht wird. Nun ist die DNA also wirklich ziemlich dicht. Höhö. Zwei Chromatide, die miteinander verbunden sind, bilden ein Zwei-Chromatid-Chromosom, wie es dir in seiner Form bestimmt geläufig ist. Gucken wir uns so ein Chromosom noch kurz genauer an. Die zwei Chromatide eines Chromosoms werden als Schwesterchromatide bezeichnet. Die beiden Schwesterchromatide enthalten identische Kopien des DNA-Moleküls. An einem bestimmten Bereich – dem CENTROMER hängen sie zusammen. Die Enden des Chromosoms nennt man TELOMERE. Die oberen beiden Arme des Chromosoms werden als P-Arme , die unteren beiden als Q-Arme bezeichnet. Die DNA kann eingefärbt werden, wodurch ein spezifisches Bandenmuster unter dem Mikroskop sichtbar wird. Da die beiden Schwesterchromatide identisch sind, weisen sie auch das gleiche Bandenmuster auf – logisch! Sogenannte HOMOLOGE Chromosomenpaare gleichen sich in Größe und Bandenmuster – Achtung, hier siehst du jeweils Ein-Chromatid-Chromosomen. In einem Karyogramm sieht man die Chromsomen nach Größe, Centromerlage und Bandenmuster sortiert. Hier gibt's noch eine spannende Info für dich: Färbt man die DNA-Protein-Komplexe an, erscheinen die als HETEROchromatin bezeichneten, dichter verpackten Bereiche unter dem Mikroskop intensiver gefärbt. Diese Heterochromatinbereiche sind genetisch inaktiv. In diesen Bereichen werden also KEINE Gene abgelesen. Das sogenannte Euchromatin ist weniger dicht verpackt und erscheint somit leichter angefärbt. Die Euchromatinbereiche sind genetisch aktiv und können durch ihre lockere Verpackung leichter abgelesen werden. Uiuiui ganz schön viele Infos! Fassen wir noch einmal zusammen. Eine der ersten Verpackungsstufen der DNA ist das Chromatin. Ein Chromatinfaden besteht aus Nukleosomen , also DNA-umwickelten Histonen. Die Nukleosomen-Perlenkette wird weiter gefaltet und verdichtet und es ergibt sich die nächste Verpackungsstufe – das Chromatid. Ein Zwei-Chromatid-Chromosom besteht aus zwei Schwesterchromatiden. Die DNA liegt hierbei in einem stark kondensierten Zustand vor. Die Chromosomen sind während der Kern- beziehungsweise vor der Zellteilung sichtbar. Nun kennst du auch den Aufbau eines Chromosoms und den Unterschied zwischen Hetero- und Euchromatin. So und nun sind wir doch alle um einiges schlauer als Kohlgemüse.

DNA – Verpackung und Chromatin Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video DNA – Verpackung und Chromatin kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschrifte das dargestellte Chromosom.

    Tipps

    Die Begriffe „Centromer“ und „Telomer“ stammen von den griechischen Wörtern für „Mitte“ und „Ende“ ab.

    Lösung

    Ein Chromosom kurz vor und während der Zellkernteilung sieht aus wie der Buchstabe X. Sehen wir uns dieses Chromosom näher an:

    • Die beiden Chromatiden eines Chromosoms werden als Schwesterchromatiden bezeichnet. Sie enthalten identische Kopien des DNA-Moleküls.
    • In einem bestimmten Bereich, dem Centromer, sind die Schwesterchromatiden miteinander verbunden.
    • Die Enden des Chromosoms heißen Telomere.
    • Die beiden oberen Arme des Chromosoms heißen p-Arme, die beiden unteren q-Arme.

  • Begründe, warum die DNA verpackt vorliegt.

    Tipps

    Die beiden Schirme im Bild sind zwei Meter lang. Ungefähr so lang sind alle DNA-Moleküle in einer menschlichen Zelle zusammen. Der Durchmesser des Zellkerns einer menschlichen Zelle beträgt etwa fünf Mikrometer. Die Gesamtlänge aller DNA-Moleküle in der Zelle ist also etwa 400 Millionen Mal länger als der Durchmesser des Zellkerns.

    Lösung

    Bei Eukaryonten befindet sich die Erbinformation im Zellkern. Beim Menschen ist sie auf 46 DNA-Moleküle verteilt. Eine durchschnittliche menschliche Zelle enthält DNA-Moleküle mit einer Gesamtlänge von etwa zwei Metern. Diese befinden sich in einem Zellkern mit einem Durchmesser von etwa fünf Mikrometern. Damit die DNA dort hineinpasst, muss sie möglichst wenig Raum einnehmen. Dies wird durch eine mehrstufige Verpackung erreicht.

    Zusätzlich bietet die Verpackung Schutz vor äußeren Einflüssen, ermöglicht die Regulation der Genexpression und trägt zu Ordnung und Organisation im Zellkern bei.

  • Ordne die Ebenen der DNA-Verpackung.

    Tipps

    Nukleosomen sind Einheiten aus DNA und Histon-Oktameren.

    Bei den Wörtern „Chromatinfaden“ und „Chromatid“ muss man genau hinschauen:
    Der Wortteil „Chroma-“ stammt aus dem Griechischen. Er bedeutet „Farbe“ und bezieht sich darauf, dass diese Strukturen gefärbt werden können – so wurden sie auch entdeckt.
    Das Chromatin ist in bestimmten Zellphasen als lose Substanz erkennbar, während es sich in anderen Zellphasen zur Struktur des Chromatids verdichtet.

    Lösung

    Die DNA-Doppelhelix ist um bestimmte Proteine, die Histone, gewickelt. Ein Oktamer aus acht Histon-Untereinheiten bildet mit der DNA eine Einheit, die als Nukleosom bezeichnet wird. Diese Nukleosomen bilden eine Perlenkette, wodurch die DNA um den Faktor sieben verdichtet wird.

    Mit immer sechs Nukleosomen pro Windung wird die Perlenkette weiter gefaltet. Es entsteht ein sogenannter Chromatinfaden mit einer vierzigfachen Verdichtung der DNA.

    Vor der Zellteilung verdichtet sich der Chromatinfaden zu einer noch kompakteren Struktur. Dieser Vorgang der Verdichtung wird auch Kondensation genannt. Der Chromatinfaden lagert sich an bestimmten Stellen an ein Gerüst aus Nicht-Histon-Proteinen an und bildet so Schlaufen. Dabei wird bereits eine zweihundertfache Verdichtung erreicht.
    Durch weiteres Verdrehen und Falten entsteht schließlich die Chromatidstruktur eines Chromosoms, wodurch eine zehntausendfache Verdichtung erreicht wird.

  • Definiere die folgenden Fachbegriffe.

    Tipps

    Heterochromatin-Bereiche sind dichter verpackt als Euchromatin-Bereiche.

    Lösung

    DNA ist nicht immer gleich verpackt:

    Chromatin ist ein Komplex aus DNA und Proteinen: Es kann aufgelockert vorliegen und bildet dann genetisch aktive Bereiche, die als Euchromatin bezeichnet werden. Es kann aber auch dicht gepackt sein und bildet dann genetisch inaktive Bereiche, die als Heterochromatin bezeichnet werden.
    Je nach Zellphase ist das Chromatin unterschiedlich stark verpackt: In der Interphase, der Zellphase zwischen zwei Zellteilungen, liegt das Chromatin als loser Komplex vor. Zu Beginn der Mitose verdichtet es sich stark.
    Die Gesamtheit der Erbinformation wird als Genom bezeichnet.

  • Bestimme, welches Bild ein Chromosom kurz vor bzw. während der Zellkernteilung zeigt.

    Tipps

    Die Form der Chromosomen wird oft mit Buchstaben verglichen. Die meisten menschlichen Chromosomen haben kurz vor und während der Zellkernteilung die Form eines X. Beim Mann gibt es jedoch eine Ausnahme: das sogenannte Y-Chromosom.

    Lösung

    Ein Chromosom kurz vor und während der Zellkernteilung sieht aus wie der Buchstabe X.
    Die beiden Chromatiden eines Chromosoms werden als Schwesterchromatiden bezeichnet. Die beiden Schwesterchromatiden enthalten identische Kopien des DNA-Moleküls. Sie sind durch das Centromer miteinander verbunden.

  • Leite her, wie die DNA in der jeweiligen Zellphase verpackt ist.

    Tipps

    Der Begriff „Kondensation“ beschreibt die Verdichtung von DNA-Molekülen.

    Nach der Replikation existieren zwei identische Kopien der DNA für jedes Chromosom.

    Das A in der Abbildung steht für die Anaphase der Mitose.

    Lösung

    Wie dicht die DNA verpackt ist, hängt von der Zellphase ab:

    Besonders hoch kondensiert ist sie in der M-Phase, um die effiziente Trennung der Chromosomen während der Zellteilung zu erleichtern. Bis zur Anaphase liegt das Chromatid doppelt vor.

    Danach und in der G1-Phase liegt das Chromatid einfach vor. Man spricht hier auch von Ein-Chromatid-Chromosomen. In dieser Phase ist die DNA am geringsten verpackt. Sie liegt hier in Form von Chromatinfäden vor.

    In der S-Phase verdoppelt sich das Chromatid. Ab jetzt und in der G2-Phase liegt es zweifach vor. Daher spricht man hier auch von Zwei-Chromatid-Chromosomen.

    In der G2-Phase ist die DNA bereits kondensiert in Vorbereitung auf die M-Phase.