Chromatin, Chromosomen und Zellmembranen

Chromatin und Chromosomen

Chromosomen sind Strukturen, die in 23 Paaren organisiert sind. Sie bestehen aus Chromatin, einem Komplex aus DNA und Proteinen.

Genetische Information

• Gene: Bestimmen die Merkmale eines Individuums.
• Genom: Die Gesamtheit der genetischen Information in der DNA, die Informationen für etwa 30.000 Proteine enthält.
• Karyotyp: Geordnete Darstellung der Chromosomenpaare.
• Homologe Chromosomen: Paare von Chromosomen, eines vom Vater und eines von der Mutter.

Struktur eines Chromosoms

Ein Chromosom besteht im Wesentlichen aus einem Zentromer.

• Metazentrisch: Das Zentromer liegt in der Mitte, die Arme sind gleich lang.
• Submetazentrisch: Ein Arm ist länger als der andere.
• Akrozentrisch: Kurzer p-Arm und sehr langer q-Arm.
• Telozentrisch: Nur ein Arm sichtbar, Zentromer am Ende.

Informationen, die mit irrelevanter DNA unterbrochen sind, werden als Junk-DNA bezeichnet. Chromosom 22, eines der kleinsten, repräsentiert 1,5 % des gesamten menschlichen Genoms. Es gibt repetitive DNA-Stücke, die in einer besonders kompakten Form von Chromatin verpackt sind. Bei 10-facher Vergrößerung sind etwa 40 Gene aufgeführt.

Zytoplasma und Chromatin

Das Plasma ist eine gelartige Struktur im Zytoplasma. Es enthält weder Mikrotubuli noch Mikrofilamente, sondern besteht aus H₂O, Proteinen, RNA und Ionen. In ihm sind "Chromatin" und Prozesse wie RNA-Synthese und DNA-Replikation eingebettet.

Chromatin-Zusammensetzung

• a) Histone: Primäre Proteine mit niedrigem Molekulargewicht, im gleichen Gewichtsverhältnis wie die DNA.
• b) Nicht-Histone: Sehr heterogene Gruppe, darunter Enzyme, die an Transkription und DNA-Replikation beteiligt sind.

Chromatin-Typen

• Euchromatin: Wenig kondensiertes Chromatin, in dem genetische Information transkribiert wird.
• Heterochromatin: Inaktive Form am Rande des Zellkerns, hell gefärbt.
  • A) Konstitutives Heterochromatin: Enthält keine genetische Information (10-20%).
  • B) Fakultatives Heterochromatin: Enthält Informationen, deren Gene nicht exprimiert werden (80-90%).

Nukleosomen: Bestehen aus 8 basischen Proteinmolekülen (Histonen). Sie werden aus dem Chromatin durch Verdauung mit einer Nuklease freigesetzt. Die DNA-Länge beträgt 146 Nukleotidpaare, genug für etwa 1,65 Umdrehungen um den Histonkern.

Biologische Membranen

Die grundlegenden Bestandteile der Zellmembran sind Lipide, Proteine und in geringerem Maße Kohlenhydrate. Ihre Zusammensetzung variiert je nach Zelltyp und Funktion. Zwei wichtige Prozesse der Energieumwandlung, die Photophosphorylierung und die oxidative Phosphorylierung, finden in Membranen statt.

Eigenschaften der Zellmembran

• Ermöglicht den selektiven Austausch von Materialien.
• Beteiligt an der Aufnahme externer Reize und der Erzeugung chemischer oder elektrischer Signale.
• Die extrazelluläre Matrix bietet Schutz und wirkt bei interzellulären Beziehungen mit.

1972 schlugen Singer und Nicolson ein Modell vor:

Lipid-Protein-Kohlenhydrat-Modell

• A) Biologische Membranen sind fließende und asymmetrische Strukturen.
• B) Ihre Komponenten bilden ein Mosaik.
• C) Bestehen aus einer Lipiddoppelschicht, Proteinen und Kohlenhydraten.

Proteine:

• Integrale Proteine (70%): Durchdringen die Membran teilweise oder vollständig.
• Periphere Proteine: Befinden sich auf der Innenseite, kovalent an andere Proteine gebunden oder an ein integrales Glykolipid oder eine Fettsäure gekoppelt.

Kohlenhydrate befinden sich auf der Außenseite der Membran und bilden die Glykokalix, die kovalent an Proteine und Lipide gebunden ist.

Lipiddoppelschicht

Die Lipiddoppelschicht ist eine hochselektive Barriere für den Durchgang von Stoffen. Sie ist 4 bis 5 nm dick und besteht aus Phospholipiden, Sphingolipiden und Cholesterin (amphipathische Moleküle).

Cholesterin: Wirkt als "Fluiditätspuffer". Bei tiefen Temperaturen verhindert es die "Kristallisation der Membran", und bei hohen Temperaturen verringert es die Membranfluidität.

• Selbstorganisation: In wässriger Umgebung bilden sich Doppelschichten, in denen hydrophobe Schwänze zwischen zwei Schichten hydrophiler Köpfe verborgen sind.
• Selbstdichtung: Sie neigen dazu, sich selbst zu verschließen und bilden luftdichte Kammern, wodurch freie Kanten vermieden werden.
• Fluidität: Bewegungen wie Diffusion, Flexion und Rotation werden durch hydrophobe Wechselwirkungen und Temperaturänderungen verursacht.

Faktoren, die die Fluidität beeinflussen

• Erhöhen die Fluidität: Ungesättigte Fettsäuren, niedriger Cholesterinspiegel, hohe Temperatur, kurze Kohlenwasserstoffschwänze.
• Erhöhen die Viskosität: Hoher Sättigungsgrad und längere Kohlenwasserstoffschwänze, niedrige bis mittlere Temperatur.
• Verringern die Viskosität: Hoher Grad an ungesättigten Kohlenwasserstoffen und kürzere Schwänze, hohe bis mittlere Temperatur.

Eigenschaften des Flusses

• Ermöglicht die Diffusion und Interaktion von Proteinen.
• Verteilung von Lipiden nach ihrer Synthese.
• Verschmelzung von Membranen.
• Gerechte Verteilung der Membranmoleküle zwischen Tochterzellen nach der Zellteilung.

Funktionen der Membranproteine

• Transport von Nährstoffen, Ionen und Metaboliten.
• Verbindung von Molekülen auf beiden Seiten der Membran.
• Empfang chemischer Signale von außen und Weiterleitung ins Zellinnere.
• Katalyse bestimmter Reaktionen als Enzyme (Proteine machen 50% der Membran aus; auf jedes Proteinmolekül kommen 50 Lipide).

Kohlenhydrate in der Membran

Sie befinden sich auf der Außenseite eukaryotischer Zellen und machen 2 bis 10% der Trockenmasse aus.

Funktionen der Kohlenhydrate

• Schutz der Zelloberfläche vor mechanischen oder physikalischen Angriffen.
• Beteiligung an der Zellerkennung und -adhäsion.
• Viele negative Ladungen ziehen Kationen und extrazelluläres Wasser an.
• Immunologische Eigenschaften: Unterschiede zwischen Blutgruppen werden durch bestimmte kurze Oligosaccharide in der Plasmamembran roter Blutkörperchen bestimmt. Diese Oligosaccharide unterscheiden sich nur in den terminalen Monomeren.