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Die Organisation der DNA

Versuche - DNA-Struktur - DNA-Organisation

Die beiden DNA-Fäden eines typischen menschlichen Chromosoms sind jeweils bis zu 4 cm lang - wenn man sie vollständig auseinanderziehen würde. Ein Metaphase-Chromosom ist aber nur 1/100 Millimeter lang; es ist also 8000 mal kürzer als die beiden darin enthaltenen DNA-Fäden! Der Grund hierfür ist recht simpel: Die langen DNA-Fäden müssen in den recht kleinen Zellkern der Eukaryotenzelle hineinpassen.

Wie kommt diese starke Verkürzung (Kondensierung) zustande? Ganz einfach! Stellen Sie sich einen zehn Meter langen Bindfaden vor. Nun wickeln Sie diesen Bindfaden zu einem Knäuel auf. Dieses Knäuel hat dann einen Durchmesser von vielleicht 4 oder 5 Zentimetern.

So ähnlich werden die DNA-Fäden einer menschlichen Zelle kondensiert (verdichtet). Allerdings ist diese Kondensation nicht ganz so einfach wie die des Bindfadens. Wenn wir einen 10 Meter langen Bindfaden in ein 5 cm durchmessendes Knäuel kondensieren, haben wir einen Kondensationsfaktor von 1000 : 5 bzw. 200 : 1. Die Länge des Bindfadens beträgt nach der Kondensation nur noch 1/200 der ursprünglichen Länge. Ein Chromosom, wie man es während der Metaphase der Mitose im Lichtmikroskop sehen kann, ist aber auf 1/8000 kondensiert. Ein einfaches "Aufwickeln" oder "Zusammenknüllen" reicht hier also nicht aus. Das "Aufwickeln" eines DNA-Fadens geschieht in mehreren Stufen.

Stufe 1: Nucleosomen

Nucleosome organization schema

Organisation eines Nucleosoms
Quelle: engl. Wikipedia.
Das Bild wurde erstellt von dem User Darekk2 unter der "Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported" Lizenz.

Auf dem Bild "Organisation eines Nucleosoms" kann man gut erkennen, wie sich die DNA um einen Komplex aus acht kleinen Proteinen wickelt (ca. 1,6 Windungen mit 146 bis 147 Basenpaaren). Dieser Komplex wird aus den Histonen H2A, H2B, H3 und H4 gebildet; jedes Protein kommt zweimal in dem Komplex vor. Histone sind leicht positiv geladene basische Proteine, welche die negativ geladene DNA elektrisch anziehen. Das Histon H1 spielt eine besondere Rolle bei der Verknüpfung der einzelnen Nucleosomen zur nächsthöheren Struktur.

Durch das "Wickeln" der DNA um den Histonkomplex wird ein Kondensationsfaktor von ca. 5 bis 10 erreicht. Das ist noch nicht sehr viel, wenn man an den tatsächlichen Faktor von 8000 denkt. Aber wir sind ja auch noch lange nicht fertig mit dem Kondensieren…

Stufe 2: 10nm-Faser

Zwischen den einzelnen Nucleosomen befindet sich eine Art "nackter" DNA, so ca. 50 bis 70 Basenpaare lang.

Eine schnell hingeworfene Skizze der 10 nm - Faser

Eine schnell erstellte Graphik der 10 nm - Faser
Dieses Bild baut auf dem Bild von Darekk2 (siehe Abb. 1) auf.
Daher unterliegt es ebenfalls der "Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported" Lizenz.

Stellen Sie sich eine Perlenkette vor, um die jemand feinen Silberdraht gewickelt hat, dann bekommen Sie eine ungefähre Vorstellung von Aufbau der sogenannten 10 nm-Faser, der nächsten Stufe in der Organisation der DNA.

Stufe 3: 30 nm-Faser

Unter bestimmten Bedingungen (hohe Ionenkonzentration) bildet diese 10 nm-Faser wiederum eine Spirale mit einem Durchmesser von 30 nm.

Die 30nm Faser

Eine grobe Skizze der 30 nm-Faser

Diese Struktur wird dann als 30 nm-Faser oder Solenoid-Struktur bezeichnet. Es gibt allerdings auch noch andere Strukturen, je nach Salzgehalt und pH-Wert des Milieus. Eine Windung dieser Spirale besteht aus sechs Nucleosomen. Der Kondensationsfaktor der DNA liegt jetzt bei ca. 50. Das ist immer noch nicht sehr viel.

Stufe 4: 300 nm-Faser

Bei der "Aufwicklung" der 30 nm-Faser zu einer zehnmal so dicken Struktur spielen die Histone keine Rolle mehr, jetzt kommen andere Proteine ins Spiel. Nach neueren Erkenntnissen bilden diese Proteine quasi das Grundgerüst eines Chromosoms, in das dann die 30 nm-Fasern "eingehängt" werden. Unter bestimmten Bedingungen kann man im Elektronenmikroskop als nächsthöhere Struktur Fasern mit 300 nm Durchmesser erkennen…

Stufe 5: 700 nm-Faser

…die sich dann nochmals zu Fasern von ca. 700 nm Durchmesser organisieren. Diese Fasern schließlich sind dann "aufgewickelt" zum eigentlichen Chromosom.

Stufe 6: Chromosom

Damit wären wir am Ende der DNA-Kondensation.

Aktueller Wissenstand zur Organisation der DNA

Aktueller Wissenstand zur Organisation der DNA.
Quelle: engl. Wikipedia.
Das Bild wurde erstellt vom User Zephyris (Richard Wheeler) unter der " GNU Free Documentation License".

Hier noch einmal ein schönes Bild, das den aktuellen Wissenstand zur Organisation der DNA zusammenfasst. Das Original-Bild ist recht groß, sie kommen zum Original, indem Sie auf das Bild oben klicken.