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Nukleosom

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Biologie


Nukleosome sind wichtige Bestandteile im Zellkern von Eukaryoten. Sie sind primär für die Verpackung und Komprimierung der DNA im Zellkern zuständig und stehen deshalb in engem Kontakt mit der Erbinformation. 



Definition Nukleosom


Ein Nukleosom besteht generell aus einem Proteinkomplex (Histon) und einem ungefähr zweifach darum gewickelten DNA-Strang. Ein Nukleosom ist also als ein Histon mit seinem passenden DNA-Abschnitt definiert.


Die Nukleosomen liegen zur Komprimierung der DNA im Zellkern


Wenn du mehr zu dem Thema Histone erfahren möchtest, können wir dir den ganzen Artikel zu Histonen empfehlen.



Eigenschaften und Bestandteile der Histone


Histone sind Proteine und die Grundeinheit der Nukleosomen. Da sie aus verschiedenen positiv geladenen Aminosäuren bestehen, (besonders Lysin- und Arginin-Reste) weisen sie bei einem neutralen pH-Wert eine positive Ladung auf. Arginin und Lysin gehören zu den basischen proteinogenen Aminosäuren des menschlichen Körpers. 


Durch ihre Ladung ziehen sie die negativ geladenen Phosphatgruppen der DNA an. So kommt es zum Kontakt zwischen DNA und Histon. Die Histone können sich dadurch um die DNA und deren Basenpaare wickeln und sie wie bei einer Spule komprimieren, sodass sie durch diesen Kontakt in den Zellkern passen.


Aufbau der Histone


Histone besitzen als Grundeinheit des Nukleosoms einen speziellen Aufbau. Dabei gibt es unterschiedliche Klassen, die Kernhistone und die Verbindungshistone.


Die Kernhistone


Die Kernhistone (core histones) sind verschiedene Haupt-Proteinklassen der Histone, die sich zu Komplexen zusammenlagern. Sie stehen eng mit der DNA in Kontakt. So lagern sich erst zwei Kernhistone zusammen und bilden ein Dimer. In einem zweiten und dritten Schritt lagern sich zwei Dimere zu einem Tetramer, und schließlich zwei Tetramere zu einem Oktamer zusammen. Dieses Oktamer der Histone wickelt sich nun um die DNA und deren Basenpaare und bewirkt mit diesem Kontakt die Spiralisierung des DNA-Stranges.


Die Verbindungshistone


Die Verbindungshistone (linker histones), verbinden zwei Histon Oktamere miteinander und stellen so einen Kontakt dazwischen her. Sie sind also an dem Abschnitt der DNA, welcher nicht wie ein Knäuel oder eine Spule gewickelt ist, sondern das Verbindungsstück dazwischen in Form eines Histons. Diese siehst du hier auf Abbildung 1 noch einmal dargestellt.



Nukleosom Histon-Oktamer StudySmarterAbbildung 1: Histon Oktamer der Kernhistone mit dem Verbindungshiston (hier als H1 bezeichnet)  
Quelle: quizlet.com 
 



Nukleosomen


Nukleosomen nehmen bei der Bildung der Chromosomen einen relativ frühen Part ein. Das Histon Oktamer und seine Linker-DNA bilden das Nukleosom. Es wurde zuerst von Ada und Donald Olins entdeckt. Die beiden Wissenschaftler konnten so erstmals ein Nukleosom in einem gequollenen Zellkern über ein Elektronenmikroskop abbilden. Dadurch wurde das Nukleosom als die kleinste Verpackungseinheit des Chromosoms definiert.


Forschung zum Nukleosom Aufbau


Nach den Aufnahmen aus dem Elektronenmikroskop wurde zunächst von Adam Klug versucht, die Struktur der Nukleosomen 1984 mit seiner Arbeitsgruppe zu ermitteln. In seiner Arbeitsgruppe war auch der Wissenschaftler Timothy Richmond zugegen. Richmond übernahm die Forschung an der Analyse der Struktur und trieb diese voran. 1997 gelang es Richmond mit seiner Arbeitsgruppe ein Bild mit einer guten Auflösung eines Nukleosoms zu erhalten. Diese Arbeitsgruppe unter Richmond erstellte 2002 eine sogar noch bessere Aufnahme. Die Arbeitsgruppe und Richmond leisteten damit wichtige Arbeit über die Erkenntnisse zu den Nukleosomen und deren Struktur.



Die Funktion der Nukleosomen


Die Nukleosomen liegen im Zellkern ( = Nukleolus) vor. Dort verpacken diese die DNA und haben auch diverse andere Aufgaben:


Bildung des Chromatin Fadens


Die Nukleosome bilden zusammen mit ihrer Linker-DNA die 30 nm Fiber, beziehungsweise die Solenoid Struktur. Diese beschreibt die Verdichtung der DNA mit einer hohen Anzahl von Kontakten zu Nukleosomen. Wenn sich diese dann aufwickeln, ergibt sich das fadenförmige Chromatin, eine Art Organisationsstruktur der DNA. Dieses Aufwickeln wird auch als Superspiralisation (super coil) bezeichnet. Wenn sich dieses Chromatin weiter aufwickelt, kommt es zur Bildung des Chromosoms. 


Nukleosomen bilden Chromosomen


Das Nukleosom ist die kleinste Verpackungseinheit in einem Chromosom. Nur durch die Nukleosomen und die Spiralisierung kann die DNA so klein gefaltet und komprimiert werden. So kann sich das fadenähnliche Chromatin durch diesen Kontakt bilden. Aus diesem Chromatin wird dann letztlich das hochkondensierte Chromosom. Den Weg von einer DNA-Doppelhelix-Struktur zu einem Chromosom findest du in der unten stehenden Abbildung 2.


Nukleosom, DNA-Verpackung, StudySmarter

Abbildung 2: Schematische Darstellung des strukturellen Weges von der DNA-Doppelhelix bis zum späteren Chromosom 
Quelle: quizlet.com



Nukleosomen bei der Mitose


Die DNA muss bei der Zellteilung (Mitose) hochkondensiert in Chromosomen vorliegen. Dafür sind die Nukleosomen ein wichtiger Baustein. Diese bilden letztlich den Baustein des Chromatinfadens und der Chromosomen. In der Metaphase der Mitose lagern sich die Chromosomen in der Mitte der Zelle (Äquatorialebene) an, um danach auseinander gezogen und schlussendlich auf zwei Zellen verteilt zu werden.


Verpackung der DNA durch Nukleosomen


Die Gene liegen auf der DNA-Doppelhelix vor. Damit alle Gene und Informationen von Eukaryoten in den Zellkern passen, müssen diese speziell aufgewickelt und komprimiert, beziehungsweise kondensiert werden. 


Beeinflussung durch Nukleosomen


Die Nukleosomen bilden die Verpackungseinheit der DNA mit ihren Basenpaaren. Durch die enge Verpackung und den Kontakt können Nukleosomen die DNA und deren Zugänglichkeit beeinflussen. 


Beeinflussung der Transkription durch Nukleosomen


Die Nukleosomen können die DNA so modifizieren, dass diese besser oder schlechter verpackt ist, also der Kontakt fester oder lockerer ist. Eine stark kondensierte DNA kann von diversen Enzymen räumlich nicht erreicht werden. Wenn nun aber die DNA  lockerer vorliegt, kann diese von Enzymen, wie beispielsweise der DNA-Polymerase abgelesen werden.


Vorgang der Transkription durch Nukleosomen


Nukleosomen können also beeinflussen, ob die DNA abgelesen wird oder nicht. Wenn nun verschiedene DNA Abschnitte gelockert vorliegen und abgelesen werden, können die Gene darauf in der Proteinbiosynthese zu Proteinen und Bausteinen des Körpers verarbeitet werden. Gerade die Nukleosomen an Promotoren oder Enhancern der DNA, welche das Ablesen initiieren, können einen großen Einfluss auf die Transkription haben.


DNA Zugänglichkeit bei der Mitose


Bei der Zellteilung (Mitose) werden, besonders in der Metaphase, die hochkondensierten Chromosomen benötigt. Die DNA kann aber nur abgelesen werden, wenn sie locker vorliegt. Daraus kann geschlossen werden, dass in einem dicht verpackten Chromosom ein Ablesen (Transkription) der DNA nicht möglich ist.


Epigenetische Modifikation durch Nukleosomen


Die Zellen im Körper tragen nahezu alle die gleiche DNA, also den gleichen Bauplan im Zellkern. Trotzdem gibt es im Organismus viele verschiedene spezialisierte Zellen.


Epigenetik ist die Veränderung von Chromosomen, die sich beispielsweise auf die Aktivität verschiedenster Gene auswirkt. Dabei wird aber die DNA-Sequenz nicht verändert.


Spezialisierte Zellen im Körper stammen von der epigenetischen Modifikation der Zellen durch Nukleosomen. Dadurch, dass durch die Nukleosomen immer unterschiedliche Abschnitte der DNA locker vorliegen, können nur bestimmte Proteine in bestimmten Zellen exprimiert werden und sind nur dort vorhanden. Die Nukleosomen sorgen also im Körper für die Ausbildung unterschiedlicher spezialisierter Zellen.



Autoimmunerkrankungen durch Nukleosomen


Wie jeder Baustein des Körpers haben auch Nukleosomen einige Schwachstellen. Diese können weitreichende Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben. Nukleosomen können nämlich Autoimmunerkrankungen verursachen. 


Autoimmunerkrankungen erklärt


Unter Autoimmunerkrankungen werden Krankheitsbilder zusammengefasst, in denen der menschliche Körper einen körpereigenen Stoff als körperfremd erkennt. Dadurch versucht das Immunsystem gegen diesen Stoff vorzugehen und bildet Antikörper. Diese richten sich aber dann fälschlicherweise gegen den eigenen Körper, weswegen sie auch als Auto-Antikörper bezeichnet werden. Ein typisches Beispiel einer Autoimmunkrankheit ist Diabetes Typ I.


Autoimmunerkrankung der Nukleosomen


Werden Nukleosome von Auto-Antikörpern angegriffen, kann es passieren, dass sie frei im Körper herumwandern und Entzündungsreaktionen auslösen. Dies ist beispielsweise bei der Krankheit SLE der Fall. Zu den Symptomen der Krankheit gehören Entzündungen von Blutgefäßen, Gelenken oder Organen wie der Niere.


Es gibt heute Hinweise darauf, dass durch einen sogenannten "Nukleosomen-Abdruck" (zellfreie DNA) bei Krebserkrankungen die Lage des ursprünglichen Primärtumors erkannt werden könnte. Dies wäre ein wichtiger Schritt in der Krebs-Forschung und -Therapie.



Nukleosom - Das Wichtigste


  • Nukleosomen bestehen aus Histonen und dem DNA-Abschnitt, den sie umwickeln.
  • Nukleosomen bilden die kleinste Verpackungseinheit des Chromatins.
  • Durch Superspiralisation (Solenoid Struktur) der Nukleosomen entsteht letztendlich das Chromatin und dann das Chromosom.
  • Nukleosomen können bei epigenetischen Modifikationen und der Regulation der Transkription eine Rolle spielen.
  • Werden Nukleosomen von körpereigenen Antikörpern als körperfremd erfasst, liegt eine Autoimmunerkrankung vor.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Nukleosom

Ein Nukleosom besteht aus einem Histon-Oktamer und dem entsprechenden DNA-Abschnitt, den es umwickelt.

Das Chromatin ist ein hoch spiralisierter Faden aus vielen Nukleosomen.

Histone sind die Bausteine der Nukleosomen. Acht Histone und der passende DNA Abschnitt ergeben letztendlich das Nukleosom.

Die Nukleotidsequenz ist eine bestimmte Abfolge der Basen (Nukleotide) der DNA.

Finales Nukleosom Quiz

Frage

Was ist ein Nukleosom?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Histon Komplex mit seinem DNA Abschnitt.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet Nukleolus?

Antwort anzeigen

Antwort

​Nukleolus bedeutet Kern.

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Frage

Was können die Nukleosomen beeinflussen?

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Antwort

In welchem Zustand DNA vorliegt (kompakt/locker).

Frage anzeigen

Frage

Welchen Schritt der Proteinbiosynthese können Nukleosomen beeinflussen?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie können die Transkription beeinflussen.

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Frage

Durch welche Wechselwirkungen kommt es überhaupt zur Nukleosom Bildung?

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Antwort

Die kommt durch die negativ geladene DNA und den positiv geladenen Histonen zustande.

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Frage

Wie heißt der Forscher, der bis 2002 ein immer höher aufgelöstes Bild der Nukleosomen aufnehmen konnte?

Antwort anzeigen

Antwort

Dies ist der Forscher Richmond mit seiner Arbeitsgruppe.

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Frage

Wozu dienen die Nukleosomen?

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Antwort

Sie sind zuständig für die Verpackung der DNA.

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Frage

Warum muss die DNA verpackt werden?

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Antwort

Sie muss verpackt werden, um in den kleinen Zellkern zu passen und um Platz zu sparen.

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Frage

Was ist der kleinste Grundbaustein des Chromatins?

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Antwort

Das Nukleosom ist der kleinste Baustein.

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Frage

Was ist die 30nm Fiber?

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Antwort

Das sind viele Nukleosomen fadenförmig zusammengewickelt.

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Frage

Wie entsteht Chromatin?

Antwort anzeigen

Antwort

Chromatin entsteht durch die Aufwicklung der 30nm Fiber, die aus vielen Nukleosomen besteht.

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Frage

Wie entsteht ein Chromosom?

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Antwort

Ein Chromosom entsteht dadurch, dass sich die Chromatinfäden verdichten bzw. aufspiralisieren.

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Frage

Welche Histone gibt es?

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Antwort

Es gibt die Kern- und die Verbindungshistone.

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Frage

Welche Histone sind zwischen Nukleosomen vorhanden?

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Antwort

Die Verbindungshistone.

Frage anzeigen

Frage

Welche Histon Struktur bildet das Nukleosom?

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Antwort

Das Histon Oktamer.

Frage anzeigen

Frage

Woher bekommt das Histon Oktamer seinen Namen?

Antwort anzeigen

Antwort

Es wird aus acht Histonen geformt.

Frage anzeigen

Frage

Welche Wissenschaftler konnten das erste Bild eines Nukleosoms generieren?

Antwort anzeigen

Antwort

 Die Forscher Ada und Donald Olins.

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Frage

Was bedeutet epigenetische Modifikation?

Antwort anzeigen

Antwort

Dies ist eine Beeinflussung der Gene und daraus resultierend die Auswirkungen auf den Organismus.

Frage anzeigen

Frage

Welche epigenetische Modifikation führen Nukleosomen durch?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie können durch ihr Vorliegen (locker/fest) das Ablesen der Gene beeinflussen.

Frage anzeigen

Frage

Was passiert mit locker vorliegender DNA?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie kann von z.B. einer Polymerase abgelesen werden, wodurch Proteine entstehen können.

Frage anzeigen

Frage

Was passiert mit kompakt vorliegender DNA?


Antwort anzeigen

Antwort

Sie kann nicht abgelesen werden. Ihre Gene sind sozusagen ausgeschaltet.

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