Zellkern, Chromosomen und DNA-Replikation: Grundlagen

Kernhülle und Kernporen

Kernporen sind kreisrunde Löcher, die in allen Kernen der beiden Membranen der Kernhülle eingelagert sind.

Sie sind wässrige Kanäle, die den Austausch von Molekülen zwischen dem Zellkern und dem Cytosol regeln. Sie ermöglichen den freien Verkehr von kleinen, wasserlöslichen Molekülen sowie den aktiven Transport größerer Moleküle.

Chromatin: Struktur und Komponenten

Im Zellkern eukaryotischer Zellen ist die DNA mit Proteinen assoziiert und zu einer kompakten Struktur, dem Chromatin, verpackt.

Merkmale des Chromatins

Das Chromatin besteht aus DNA und Proteinen. Die Proteine können in zwei Typen unterteilt werden:

• Histone: Sie sind stark basische Proteine.
• Nichthistonproteine.

Ultrastruktur des Chromatins

Die fibrilläre Beobachtung von Chromatin zeigt eine Struktur aus aneinandergereihten Fasern, die als Nukleosomen bezeichnet werden.

Jede einzelne Faser hat das Aussehen einer Perlenschnur. Die kugelförmigen Einheiten sind die Nukleosomen. Diese Nukleosomen sind durch eine Fibrille verbunden, deren Dicke der einer DNA-Doppelhelix entspricht (Linker-DNA).

Kernplasma und Nucleolus

Kernplasma (Karyoplasma/Kernmatrix)

Das Kernplasma, auch Karyoplasma oder Kernmatrix genannt, ist eine halbflüssige Matrix im Inneren des Zellkerns.

Nucleolus (Kernkörperchen)

Der Nucleolus ist eine konstante Struktur innerhalb des Zellkerns. Er ist ein mehr oder weniger abgerundetes, lichtbrechendes Organell und liegt meist in der Nähe der Kernhülle.

Funktionen des Nucleolus

Im Nucleolus findet die rRNA-Synthese sowie die Verarbeitung und Verpackung der ribosomalen Untereinheiten statt, welche anschließend in das Cytosol exportiert werden.

Metaphasen-Struktur des Chromosoms

Ein Metaphasen-Chromosom besteht aus zwei parallelen Chromatiden, die das Ergebnis der Vervielfältigung des genetischen Materials sind (mit Ausnahme des Zentromerbereichs).

Zentromer (Primäre Einschnürung)

Das Zentromer, oder die primäre Einschnürung, teilt das Chromosom in zwei Arme, die gleich oder unterschiedlich lang sein können. Es nimmt eine variable, aber für jedes Chromosom feste Position ein. Das Zentromer enthält konstitutives Heterochromatin, d.h. stark verdichtetes und genetisch inaktives Chromatin.

Kinetochoren

Auf beiden Seiten des Zentromers und auf jeder der beiden Chromatiden befinden sich Proteinstrukturen, die Kinetochoren genannt werden. Dies sind die Punkte, von denen aus Mikrotubuli polymerisiert werden.

Sekundäre Einschnürungen

Dies sind spezifische, identifizierte Bereiche in den Chromosomenarmen.

Telomere

Telomere sind schützende Strukturen an den Enden jedes eukaryotischen Chromosoms. Sie verhindern den Verlust von genetischer Information an den Enden während jedes Replikationszyklus.

Banden

Banden sind Segmente des Chromatins, die mit unterschiedlicher Intensität gefärbt werden können.

Klassifikation und Anzahl der Chromosomen

4 Typen von Chromosomen (nach Zentromerposition)

• Metazentrisch: Das Zentromer nimmt eine Mittelstellung ein; die beiden Arme sind von gleicher oder ähnlicher Länge.
• Submetazentrisch: Das Zentromer nimmt eine submeridionale Position ein; ein Arm ist geringfügig länger.
• Akrozentrisch: Die Zentromerposition ist subterminal.
• Telozentrisch: Das Zentromer befindet sich am Ende des Chromosoms.

Anzahl der Chromosomen

Die Chromosomenzahl ist für alle Zellen desselben Organismus konstant.

Die meisten Organismen sind diploid (2n), d.h. sie besitzen zwei Sätze von Chromosomen. Diese enthalten Paare homologer Chromosomen, die genetische Informationen für die gleichen Merkmale tragen. Gameten (Keimzellen) sind haploid (n).

Es gibt auch Organismen (wie einige Algen und Farne), bei denen alle Zellen haploid sind, oder solche, die mehr als zwei Chromosomensätze (polyploid) aufweisen.

Die Chromosomenzahl steht in keinem direkten Zusammenhang mit der erreichten Entwicklungsstufe des Organismus.

Karyotyp und Chromosomentypen

Die Gesamtheit aller Chromosomen einer Zelle wird als Karyotyp bezeichnet. Man unterscheidet zwei Arten von Chromosomen:

• Autosomen (somatische Chromosomen): Sie sind bei beiden Geschlechtern derselben Art gleich und sind an der Entwicklung der Merkmale des Somas beteiligt.
• Gonosomen (Geschlechtschromosomen): Sie sind verantwortlich für die Geschlechtsbestimmung. Beim Menschen sind dies die X- und Y-Chromosomen.

Der Zellzyklus

Die Zellteilung ermöglicht es einer Zelle, ihr genetisches Material zu duplizieren, welches dann zu gleichen Teilen auf die Tochterzellen verteilt wird, während das Zytoplasma in zwei Hälften geteilt wird.

Der Zellzyklus umfasst alle Veränderungen, die eine Zelle von ihrer Entstehung durch Teilung bis zu ihrer eigenen Teilung in zwei Tochterzellen durchläuft.

Der eukaryotische Zellzyklus gliedert sich in zwei Hauptphasen:

1. Die Interphase, in der die Zelle wächst und verschiedene Substanzen synthetisiert.
2. Die M-Phase (Mitose und Zytokinese), in der die eigentliche Zellteilung stattfindet.

Interphase

Die Interphase ist das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Mitosen und nimmt den größten Teil des Zellzyklus ein. Während dieser Phase zeigt die Zelle eine hohe metabolische Aktivität, nimmt an Größe zu und verdoppelt ihr genetisches Material in Vorbereitung auf die Zellteilung. Die Interphase gliedert sich in drei Perioden:

• G1-Phase: Hier werden Proteine synthetisiert, die für das Zellwachstum benötigt werden. Zellen, die sich nicht mehr teilen, treten in die G0-Phase (Ruhephase) ein. Dies geschieht häufig bei Zellen, die einen wichtigen Differenzierungsprozess durchlaufen haben.
• S-Phase (Synthesephase): In dieser Phase findet die DNA-Replikation und die Histon-Synthese statt. Als Ergebnis der Replikation besteht jedes Chromosom nun aus zwei am Zentromer verbundenen Chromatiden.
• G2-Phase: Diese Phase ist von sehr kurzer Dauer. Hier werden Gene transkribiert und Proteine synthetisiert, die für die Zellteilung notwendig sind. Auch die Zentriolen replizieren in dieser Phase.

DNA-Replikation: Mechanismen und Modelle

Der allgemeine Mechanismus der Replikation wurde von Watson und Crick postuliert, als sie die Doppelhelix-Struktur und die komplementären Basen entdeckten. Sie schlugen vor, dass sich die DNA-Doppelhelix öffnet und die beiden Nukleotidketten getrennt werden.

Mögliche Replikationsmodelle

• Konservativ: Eine Doppelhelix behält die beiden ursprünglichen Stränge, während die andere vollständig aus zwei neuen Strängen gebildet wird.
• Dispersiv: Jeder Tochterstrang besteht aus Fragmenten des ursprünglichen Strangs und Stücken der Neusynthese.
• Semikonservativ (von Watson und Crick vorgeschlagen): Jede neue Doppelhelix behält einen Strang der ursprünglichen Helix und synthetisiert einen neuen, komplementären Strang.

Phasen der Replikation in Prokaryoten

Die Replikation wird in zwei Hauptphasen unterteilt: Initiation und Elongation. Während der Elongation erfolgt auch die Fehlerkorrektur.

1. Initiation (Startphase)

Die Initiation beinhaltet im Wesentlichen die Entwindung und Öffnung der Doppelhelix. Das Bakterienchromosom besitzt einen einzigen Replikationsursprung, der als oriC (Initiationspunkt) bezeichnet wird.

• Die oriC-Region wird von spezifischen Proteinen erkannt, die daran binden.
• Enzyme wie Helikasen brechen die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Stickstoffbasen auf, wodurch sich die Doppelhelix wie ein Reißverschluss öffnet.
• Das Abwickeln der DNA tritt in diesem Bereich auf.
• SSB-Proteine (Single-Strand Binding Proteins) binden an die Matrizenstränge, um ein erneutes Verdrillen zu verhindern und die Basen für andere Moleküle zugänglich zu halten.

Am Replikationsursprung (oriC) bildet sich eine Replikationsblase mit zwei Y-förmigen Replikationsgabeln, an denen neue DNA-Stränge synthetisiert werden. Die Replikationsblase breitet sich entlang des Chromosoms in beide Richtungen aus; daher ist die Replikation bidirektional.

2. Elongation (Dehnungsphase)

Dies ist die Phase, in der ein neuer DNA-Strang auf jedem Matrizenstrang der ursprünglichen Doppelhelix synthetisiert wird. Neben den Initiationsenzymen sind hier verschiedene Typen von DNA-Polymerasen beteiligt, die eine doppelte Funktion haben:

• Polymerase-Aktivität: Sie fügen Nukleotide aneinander, um den neuen DNA-Strang zu bilden. Sie bewegen sich entlang des Matrizenstrangs, wählen das komplementäre Desoxyribonukleotid aus und binden es ein. Die neuen DNA-Stränge werden durch die Montage von Desoxyribonukleosid-Triphosphaten synthetisiert.
• Exonuklease-Aktivität: Sie entfernen nicht übereinstimmende (falsch gepaarte) stickstoffhaltige Nukleotidbasen (Korrekturlesefunktion).