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Die meisten alltäglichen Menschen sind mit Desoxyribonukleinsäure oder DNA vertraut, sei es durch die Verfolgung von Verbrechenserscheinungen oder durch die Exposition gegenüber grundlegender Genetik. In ähnlicher Weise hat der typische Gymnasiast höchstwahrscheinlich den Begriff "Chromosom" in manchen Gegenden gehört und erkannt, dass sich auch diese darauf beziehen, wie Lebewesen vererbbare Merkmale reproduzieren und an ihre Nachkommen weitergeben. Die Entität, die DNA und Chromosomen funktionell verbindet, heißt Chromatin, ist jedoch weitaus dunkler.
DNA ist ein Molekül, das von allen Lebewesen besessen ist und in das unterteilt ist Gene, die biochemischen Codes zur Herstellung spezifischer Proteinprodukte. Chromosomen sind sehr lange DNA-Streifen, die an Proteine gebunden sind und sicherstellen, dass die Chromosomen ihre Form je nach Lebensphase der Zelle, in der sie sich befinden, dramatisch ändern können. Chromatin ist einfach das Material, aus dem Chromosomen hergestellt werden. anders ausgedrückt, Chromosomen sind nichts anderes als einzelne Chromatinstücke.
DNA im Überblick
DNA ist eine von zwei in der Natur vorkommenden Nukleinsäuren, die andere ist Ribonukleinsäure (RNA). Bei Prokaryoten, bei denen es sich fast ausschließlich um Bakterien handelt, befindet sich die DNA in einem losen Cluster im Zytoplasma der Bakterienzellen (dem halbflüssigen, proteinreichen Zellinneren) und nicht in einem Zellkern, da diese einfachen Organismen keine interne Membran besitzen Strukturen. Bei Eukaryoten (d. H. Tieren, Pflanzen und Pilzen) liegt die DNA im Zellkern.
DNA ist ein aus Untereinheiten (Monomeren) zusammengesetztes Polymer genannt Nukleotide. Jedes Nukleotid enthält wiederum einen Pentose- oder Fünf-Kohlenstoff-Zucker (Desoxyribose in DNA, Ribose in RNA), eine Phosphatgruppe und eine stickstoffhaltige Base. Jedes Nukleotid verfügt über eine von vier verschiedenen Stickstoffbasen; In der DNA sind dies Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). In der RNA sind die ersten drei vorhanden, aber Uracil oder U ersetzt Thymin. Da es die Basen sind, die die vier DNA-Nukleotide voneinander unterscheiden, bestimmt ihre Sequenz die Einzigartigkeit der DNA jedes einzelnen Organismus als Ganzes. Jeder der Milliarden Menschen auf der Erde hat einen genetischen Code, der durch DNA bestimmt wird und den niemand sonst hat, es sei denn, er oder sie hat einen identischen Zwilling.
Die DNA befindet sich in ihrer chemisch stabilsten Form in einer doppelsträngigen helikalen Formation. Die beiden Stränge sind an jedem Nukleotid durch ihre jeweiligen Basen gebunden. A paart mit und nur mit T, C paart mit und nur mit G. Aufgrund dieser spezifischen Basenpaarung befindet sich jeder DNA-Strang in einem ganzen Molekül komplementär zu den anderen. DNA ähnelt daher einer Leiter, die an jedem ihrer Enden mehrfach in entgegengesetzte Richtungen gedreht wurde.
Wenn DNA Kopien von sich selbst erstellt, wird dieser Prozess aufgerufen Replikation. Die Hauptaufgabe der DNA besteht darin, den Code für die Herstellung von Proteinen in den Teilen der Zelle zu erstellen, in denen sie benötigt wird. Dies geschieht, indem man sich auf einen biochemischen Kurier verlässt, den zufällig auch die DNA erzeugt. Einzelne DNA-Stränge werden verwendet, um ein Molekül zu bilden, das Messenger-RNA oder mRNA genannt wird. Dieser Vorgang wird aufgerufen Transkriptionund das Ergebnis ist ein mRNA-Molekül mit einer Nukleotid-Basensequenz, die komplementär zu dem DNA-Strang ist, aus dem konstruiert wurde (als Matrize bezeichnet), mit der Ausnahme, dass U im mRNA-Strang anstelle von T erscheint. Diese mRNA wandert dann in Richtung Strukturen in das Zytoplasma genannt Ribosomen, die die mRNA-Anweisungen verwenden, um spezifische Proteine aufzubauen.
Chromatin: Struktur
Im Leben existiert fast die gesamte DNA in Form von Chromatin. Chromatin ist DNA gebunden an Proteine genannt Histone. Diese Histonproteine, die etwa zwei Drittel der Chromatinmasse ausmachen, umfassen vier paarweise angeordnete Untereinheiten, wobei die Paare alle zu einer Acht-Untereinheiten-Struktur gruppiert sind, die als Oktamer bezeichnet wird. Diese Histonoctamere binden an DNA, wobei sich DNA wie ein Faden um eine Spule windet. Um jedes Oktamer sind etwas weniger als zwei vollständige DNA-Windungen gewickelt - insgesamt etwa 146 Basenpaare. Das gesamte Ergebnis dieser Wechselwirkungen - das Histonoctamer und die DNA, die es umgibt - wird als a bezeichnet Nukleosom.
Der Grund für das auf den ersten Blick überschüssige Proteingepäck ist unkompliziert: Mit Histonen, genauer gesagt mit Nukleosomen, kann die DNA so stark komprimiert und gefaltet werden, dass eine vollständige Kopie der DNA in eine Zelle passt Zelle etwa ein Millionstel Meter breit. Menschliche DNA, die vollständig begradigt ist, würde erstaunliche 6 Fuß messen - und denken Sie daran, das ist in jeder der Billionen Zellen in Ihrem Körper.
Die Histone, die zur Bildung von Nukleosomen an DNA gebunden sind, lassen das Chromatin wie eine Reihe von Perlen aussehen, die unter einem Mikroskop an einer Schnur aufgereiht sind. Dies täuscht jedoch, da Chromatin in lebenden Zellen vorhanden ist und weitaus dichter gewickelt ist, als dies durch das Umwickeln der Histonoktamere möglich ist. Dabei werden Nukleosomen in Schichten übereinander gestapelt, und diese Stapel werden wiederum auf vielen Ebenen der strukturellen Organisation gewickelt und verdoppelt. Grob gesagt erhöhen allein die Nukleosomen die DNA-Packung um den Faktor sechs. Das anschließende Stapeln und Wickeln dieser Fasern zu einer etwa 30 Nanometer breiten Faser (30 Milliardstel Meter) erhöht die DNA-Packung weiter um den Faktor 40. Diese Faser ist um eine Matrix oder einen Kern gewickelt, der das 1000-fache derjenigen ergibt Verpackungseffizienz. Und vollständig kondensierte Chromosomen erhöhen dies um das 10.000-fache.
Die Histone, die oben als vier verschiedene Typen beschrieben wurden, sind tatsächlich sehr dynamische Strukturen. Während die DNA in Chromatin während ihrer gesamten Lebensdauer die gleiche exakte Struktur beibehält, können an die Histone verschiedene chemische Gruppen gebunden sein, einschließlich Acetylgruppen, Methylgruppen, Phosphatgruppen und mehr. Aus diesem Grund ist es wahrscheinlich, dass Histone eine wichtige Rolle dabei spielen, wie die DNA in ihrer Mitte letztendlich exprimiert wird - das heißt, wie viele Kopien bestimmter mRNA-Typen von verschiedenen Genen entlang des DNA-Moleküls transkribiert werden.
Die an Histone gebundenen chemischen Gruppen verändern, welche freien Proteine in der Umgebung an bestimmte Nukleosomen binden können. Diese gebundenen Proteine können die Organisation der Nukleosomen entlang der Länge des Chromatins auf unterschiedliche Weise verändern. Auch unmodifizierte Histone sind hoch positiv geladen, wodurch sie standardmäßig fest an das negativ geladene DNA-Molekül binden. Proteine, die über die Histone an Nukleosomen gebunden sind, können die positive Ladung der Histone verringern und die Histon-DNA-Bindung schwächen, so dass sich das Chromatin unter diesen Bedingungen "entspannen" kann. Durch diese Auflockerung des Chromatins sind die DNA-Stränge leichter zugänglich und können leichter betrieben werden. Dies erleichtert Prozesse wie Replikation und Transkription, wenn die Zeit dafür gekommen ist.
Chromosomen
Chromosomen sind Chromatinsegmente in ihrer aktivsten, funktionellsten Form. Menschen haben 23 verschiedene Chromosomen, darunter 22 nummerierte Chromosomen und ein Geschlechtschromosom, entweder X oder Y. Jede Zelle in Ihrem Körper, mit Ausnahme von Gameten, hat jedoch zwei Kopien jedes Chromosoms - 23 von Ihrer Mutter und 23 von dein Vater. Die nummerierten Chromosomen unterscheiden sich erheblich in der Größe, aber Chromosomen mit der gleichen Nummer, egal ob sie von Ihrer Mutter oder Ihrem Vater stammen, sehen unter dem Mikroskop alle gleich aus. Ihre beiden Geschlechtschromosomen sehen jedoch anders aus, wenn Sie männlich sind, weil Sie ein X und ein Y haben. Wenn Sie weiblich sind, haben Sie zwei X-Chromosomen. Daraus können Sie ersehen, dass der genetische Beitrag der Männchen das Geschlecht der Nachkommen bestimmt. Wenn ein Mann ein X für die Mischung spendet, hat der Nachwuchs zwei X-Chromosomen und ist weiblich. Wenn der Mann sein Y spendet, hat der Nachwuchs eines von jedem Geschlechtschromosom und ist männlich.
Wenn sich Chromosomen replizieren, dh wenn vollständige Kopien der gesamten DNA und Proteine innerhalb der Chromosomen angefertigt werden, bestehen sie aus zwei identischen Chromatiden, Schwesterchromatiden genannt. Dies geschieht separat in jeder Kopie Ihrer Chromosomen, sodass Sie nach der Replikation insgesamt vier Chromatiden für jedes nummerierte Chromosom haben: zwei identische Chromatiden in der Kopie Ihres Vaters von beispielsweise Chromosom 17 und zwei identische Chromatiden in der Kopie Ihrer Mutter von Chromosom 17.
Innerhalb jedes Chromosoms sind die Chromatiden an einer Struktur von kondensiertem Chromatin gebunden, die als Centromere. Trotz seines etwas irreführenden Namens erscheint das Zentromer nicht notwendigerweise auf halber Länge jedes Chromatids; In den meisten Fällen ist dies jedoch nicht der Fall. Diese Asymmetrie führt zum Auftreten kürzerer "Arme", die sich vom Zentromer in eine Richtung erstrecken, und längerer "Arme", die sich in die andere Richtung erstrecken. Jeder kurze Arm wird als p-Arm und der längere Arm als q-Arm bezeichnet. Mit dem Abschluss des Humangenomprojekts zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurde jedes spezifische Gen im Körper lokalisiert und auf jeden Arm jedes menschlichen Chromosoms abgebildet.
Zellteilung: Meiose und Mitose
Wenn sich alltägliche Zellen des Körpers teilen (Gameten, die in Kürze besprochen werden, sind die Ausnahme), erfolgt eine einfache Reproduktion der gesamten Zell-DNA, die Mitose genannt wird. Auf diese Weise können Zellen in den verschiedenen Geweben des Körpers wachsen, repariert und ersetzt werden, wenn sie abgenutzt sind.
In den meisten Fällen sind die Chromosomen in Ihrem Körper entspannt und diffus im Zellkern und werden in diesem Zustand oft einfach als Chromatin bezeichnet, da die Organisation in dem Maße fehlt, in dem sie sichtbar sind. Wenn die Zelle sich am Ende der G1-Phase des Zellzyklus teilen muss, replizieren sich die einzelnen Chromosomen (S-Phase) und beginnen im Zellkern zu kondensieren.
So fängt es an Prophase der Mitose (die M-Phase des gesamten Zellzyklus), die erste von vier abgegrenzten Phasen der Mitose. Zwei Strukturen genannt Centrosomen wandern zu gegenüberliegenden Seiten der Zelle. Diese Zentrosomen bilden Mikrotubuli, die sich nach außen strahlend zu den Chromosomen und in die Mitte der Zelle erstrecken und das erzeugen, was man nennt mitotische Spindel. Im MetaphaseAlle 46 Chromosomen bewegen sich in einer Linie in die Mitte der Zelle, wobei diese Linie senkrecht zur Linie zwischen den Chromosomen verläuft. Wichtig ist, dass die Chromosomen so ausgerichtet sind, dass sich ein Schwesterchromatid auf der einen Seite der Trennlinie und ein Schwesterchromatid vollständig auf der anderen Seite befindet. Dies stellt sicher, dass, wenn die Mikroröhrchen als Retraktoren fungieren Anaphase und ziehen Sie die Chromosomen an ihren Zentromeren in auseinander telophaseerhält jede neue Zelle eine identische Kopie der 46 Chromosomen der Elternzellen.
Bei der Meiose beginnt der Prozess mit Keimzellen in den Gonaden (Fortpflanzungsdrüsen), deren Chromosomen wie bei der Mitose ausgerichtet sind. In diesem Fall sind sie jedoch sehr unterschiedlich angeordnet, wobei sich homologe Chromosomen (die mit der gleichen Nummer) über die Trennlinie verbinden. Dies bringt das Chromosom 1 Ihrer Mutter in Kontakt mit dem Chromosom 1 Ihres Vaters und so weiter. Dadurch können sie genetisches Material austauschen. Außerdem sind die homologen Chromosomenpaare zufällig über die Trennlinie verteilt, sodass Ihre Mütter nicht alle auf der einen Seite und Ihre Väter auf der anderen Seite sind. Diese Zelle teilt sich dann wie bei der Mitose, aber die resultierenden Zellen unterscheiden sich voneinander und von der Elternzelle. Der ganze "Sinn" der Meiose besteht darin, die genetische Variabilität der Nachkommen sicherzustellen, und dies ist der Mechanismus.
Jede Tochterzelle teilt sich dann, ohne ihre Chromosomen zu replizieren. Das führt zu Gametenoder Geschlechtszellen, die nur 23 einzelne Chromosomen aufweisen. Die Gameten beim Menschen sind Sperma (männlich) und Eizellen (weiblich). Einige wenige ausgewählte Spermien und Eizellen verschmelzen während des Befruchtungsprozesses miteinander und bilden eine Zygote mit 46 Chromosomen. Es sollte klar sein, dass Gameten nur die Hälfte der Anzahl "normaler" Chromosomen aufweisen dürfen, da sie mit anderen Gameten zu einer "normalen" Zelle verschmelzen.