Wir erklären, was Chromosomen sind, ihre Form und Struktur. Auch ihre Eigenschaften und Funktionen.

Was sind Chromosomen?

Chromosomen sind hoch organisierte Strukturen, die in Zellen existieren. Sie bestehen aus genetischem Material (DNA) und verschiedenen anderen Proteinen. Sie enthalten die genetische Information eines Lebewesens.

Chromosomen kommen paarweise vor, in der Regel in identischer Anzahl bei allen Individuen einer Art, können aber bei verschiedenen Zelltypen variieren. Je nach der Anzahl ihrer Chromosomen (Chromosomenlast) können sie diploid (2n, volle Last) oder haploid (1n, halbe Last) sein.

In eukaryotischen Zellen (mit einem definierten Zellkern) bestehen die Chromosomen aus Chromatin. Aber sie bestehen auch aus RNA und anderen Proteinen, einigen sehr einfachen, den Histonen, und anderen Nicht-Histonen. Alle diese Bestandteile bilden die Nukleosomen, inaktive DNA-Klumpen, die die Grundbausteine jedes Chromosoms bilden.

Das Gesamtbild der Chromosomen eines Individuums, eine Art genetische Landkarte, wird als Karyotyp bezeichnet.

Siehe auch: Genetischer Code

Chromosomenform

Jedes Chromosom hat eine charakteristische Form und Größe.

Allerdings haben sie in der Regel eine X-Form (bei Eukaryoten) oder eine kreisförmige Form (bei Prokaryoten).

Ihre Form ist unter dem Mikroskop während der Stadien der Meiose oder Mitose (Zellteilung oder Replikation) zu beobachten.

Chromosomen messen zwischen 10 und 20 Mikrometern und können in einfacheren Lebewesen kleinere Größen erreichen.

Chromosomenpaare können sich in der Länge unterscheiden, sind aber im Allgemeinen sehr ähnlich und besitzen die gleichen Gene in der gleichen Reihenfolge. Dies ist nicht immer der Fall, zum Beispiel unterscheiden sich Geschlechtschromosomen erheblich voneinander.

Chromosomenstruktur

Chromosomen haben eine Doppelstruktur, die aus zwei langen, parallelen Formen, den Chromatiden, besteht. Sie sind an einem Brennpunkt, dem Zentromer, miteinander verbunden.

Gene befinden sich auf jedem „Arm“ eines Chromatids. In identischer Position zu seinem Homologen, in Abteilungen, die Loci (Plural Loci) genannt werden.

Das Zentromer der Chromosomen teilt jedes Chromatid in zwei Segmente, die „Arme“ genannt werden: einen kurzen (p-Arm) und einen langen (q-Arm). Und je nach Lage des Zentromers gibt es:

• metazentrische Chromosomen. Sie haben das Zentromer fast genau in der Mitte der Struktur und bilden Arme von sehr ähnlicher Länge.
• Submetazentrische Chromosomen. Bei ihnen ist das Zentromer aus der Mitte verschoben, aber nicht vollständig zu einem der Enden hin. Sie haben ungenaue und asymmetrische Arme, die deutlich unterscheidbar sind.
• Akrozentrische Chromosomen. Bei ihnen befindet sich das Zentromer in der Nähe eines Endes, weit weg von der Mitte, und es bilden sich sehr ungleiche Arme.
• Telozentrische Chromosomen. Das Zentromer befindet sich am Ende beider Chromatiden und scheint nur zwei Arme zu bilden.

Chromosomenfunktion

Diese biologischen Strukturen bewahren den genetischen Inhalt und verhindern (so weit wie möglich), dass er beschädigt wird oder verloren geht. Mit anderen Worten, sie sorgen dafür, dass die in der DNA der Mutterzelle gespeicherte genetische Information während der Zellreplikation an die Nachkommen weitergegeben wird.

Ein Verlust dieser Information durch die Zerstörung oder Beschädigung eines einzelnen Chromosoms kann zu Missbildungen, Krankheiten oder Syndromen führen, die die Gesundheit oder die Funktionsfähigkeit des Individuums beeinträchtigen.

Chromosomentypen

Eukaryotische und prokaryotische Zellen haben unterschiedliche Chromosomen, die sich in Form und Struktur unterscheiden:

• Prokaryotische Chromosomen. Sie besitzen einen einzigen DNA-Strang, befinden sich in den Nukleoiden, die im Zytoplasma dieser einzelligen Organismen verstreut sind, und haben eine kreisförmige Form.
• Eukaryotische Chromosomen. Sie sind wesentlich größer als Prokaryoten und haben eine lineare (doppelsträngige) doppelsträngige DNA. Sie sind X-förmig.

Es gibt auch spezielle und ungewöhnliche Chromosomen, die nur in einigen Zelltypen oder Arten vorkommen, wie zum Beispiel:

• Polytene Chromosomen. Sie sind charakteristisch für das Gewebe bestimmter Insekten und insbesondere für ihre Speicheldrüsen und werden in sich ständig replizierenden Kernen (permanente Interphase) produziert. Es handelt sich um Chromosomen, die aus Hunderten oder Tausenden von Strängen bestehen, die miteinander verbunden sind und eine große Größe haben (bis zu 7,5 Mikrometer).
• Bürstenchromosomen. Sie werden in Eiern des Salamanders (Ambystoma mexicanum) beobachtet und gehören zu den größten, die in Fortpflanzungszellen von Nicht-Säugetieren beobachtet werden. Sie sind wie „Locken“ oder Schleifen in der Art einer Bürste oder bürstenartigen
• B-Chromosomen geformt. Dabei handelt es sich um einen heterogenen Satz zusätzlicher oder „überzähliger“ Chromosomen, die als überzählig bezeichnet werden und für einige Tierarten typisch sind. Diese sind kleiner als die normalen (die „A“-) Chromosomen und folgen alternativen Vererbungsmustern.

Eukaryotische Chromosomen

Außerdem haben die Chromosomen von Eukaryonten oder Eukaryonten an ihren Enden oder Armen Telomere: eine Art „Kappen“, die aus Regionen mit sich wiederholender, nicht codierender DNA bestehen. Diese Enden enthalten keine unverzichtbaren Informationen, sondern sorgen für die strukturelle Stabilität des gesamten Aufbaus.

Eukaryotische Chromosomen können auch nach ihrer spezifischen Funktion innerhalb des Genpools des Individuums klassifiziert werden. Dies ist äußerst wichtig für die Schaffung eines neuen Individuums der Art, insbesondere durch sexuelle Fortpflanzung. Wir können also von:

• somatischen Chromosomen sprechen. Sie werden auch autosomale Chromosomen genannt und verleihen dem Individuum seine nicht-geschlechtlichen Merkmale, d. h. diejenigen, die es in seinen nicht-reproduktiven Lebensaspekten wie Form, Größe, Struktur usw. definieren.
• Geschlechtschromosomen. Sie werden auch Allosomen genannt und bestimmen (neben anderen Merkmalen) die Geschlechtsmerkmale des Individuums, das heißt, sie unterscheiden das Individuum nach seinem biologischen Geschlecht: männlich und weiblich. Beim Menschen haben Männer ein 23. Paar XY-Chromosomen (wegen ihres Aussehens), während Frauen XX-Chromosomen haben.

Prokaryotische Chromosomen

In prokaryotischen Organismen (Bakterien und Archaeen) haben die Chromosomen keine Telomere, da sie kreisförmig sind und eine viel einfachere Struktur haben (ein einzelner DNA-Streifen). Sie haben in der Regel ein einziges Chromosom, das das gesamte genetische Material enthält.

Die Replikation der DNA beginnt in verschiedenen Sektoren ihres Zytoplasmas, die je nach Art mehr oder weniger organisiert sind. Das liegt daran, dass es sich um viel einfachere und primitivere Lebensformen handelt, deren Fortpflanzung immer ungeschlechtlich ist (Mitose).

Warum sind Chromosomen wichtig?

Die Funktion der Chromosomen ist entscheidend für die Existenz von organisiertem Leben. Einerseits sind sie für die Weitergabe des genetischen Materials verantwortlich und steuern dessen sexuelle oder ungeschlechtliche Fortpflanzung. Sie tragen aber auch die Informationen für das gesamte Funktionieren der Zelle und damit des Organismus.

Andererseits nimmt die genetische Information dank ihrer Organisation wenig Platz ein und ihre Handhabung erleichtert die Zellvermehrung. Und dies ist ein lebenswichtiger Prozess für das Wachstum von Organismen, den Ersatz ihrer alten oder beschädigten Zellen oder die Fortpflanzung.

Menschliche Chromosomen

Die Chromosomenzahl der menschlichen Spezies beträgt 23 Paare (d.h. 46 Chromosomen). Davon sind 22 somatische Chromosomen und 1 ist ein Geschlechtschromosom.

Die Chromosomen enthalten alle Einzelheiten unseres Karyotyps. Die genetische Information, die sie enthalten, besteht aus 3200 Millionen Basenpaaren DNA (etwa 3 Gigabyte Information), die zwischen 20.000 und 25.000 Gene bilden.

Im Jahr 2016 wurde die vollständige Sequenzierung des menschlichen Erbguts im Rahmen des 1990 gegründeten und mit einem Budget von 3 Milliarden Dollar ausgestatteten Humangenomprojekts abgeschlossen.

Wie wurden Chromosomen entdeckt

Chromosomen wurden Ende des 19. Jahrhunderts in pflanzlichen und tierischen Zellen (Würmer der Gattung Ascaris) entdeckt. Die Wissenschaftler Karl Wilhelm von Nägeli (Schweiz) und Edouard Van Benenden (Belgien) machten dieselbe Entdeckung gleichzeitig und unabhängig voneinander.

Ihr Name kommt von den Farbstoffen, die zu ihrer Beobachtung verwendet wurden (aus dem Griechischen: chroma, „Farbe“, und soma, „Körper“). Doch erst im 20. Jahrhundert wurde verstanden, welche Rolle sie bei der genetischen Übertragung spielen.

Im 19. Jahrhundert hatte Gregor Mendel bereits die Funktionsweise der Vererbung erklärt, ohne von der Existenz der Chromosomen zu wissen. Im 20. Jahrhundert wies Thomas Morgan den Zusammenhang von Chromosomen und Vererbung nach. Für diese Entdeckung erhielt er 1933 den Preis für Physiologie und Medizin.

Genetische Manipulation

Dank der enormen Fortschritte in der medizinischen und biologischen Technologie ist es heute möglich, in die Chromosomen einzugreifen, um bestimmte Eigenschaften oder Verhaltensweisen bei Lebewesen hervorzurufen. Damit ist es möglich, Lebensmittel oder Tiere gentechnisch zu verändern, um sie nahrhafter, fülliger usw. zu machen.

Dies bedeutet eine enorme Bandbreite an technischen und industriellen Möglichkeiten, aber auch eine Verantwortung und ein großes ethisches Dilemma. Die Folgen des Herumbastelns an der Natur und der Zukunft des Lebens können unvorhersehbar sein.

Außerdem öffnen solche Technologien die Tür zu moralischen Fragen bezüglich der Veränderung des menschlichen Genoms. Einerseits könnte eine solche Veränderung zu neuen Formen der Diskriminierung führen, andererseits aber auch zur lang ersehnten Heilung vieler angeborener Krankheiten.

Siehe auch: Transgene Lebensmittel

Referenzen:

• „Chromosomen“ in Wikipedia.
• „Chromosomen“ in Naturwissenschaften.
• „Chromosomen und Gene“ in Professor Online.
• „Gene und Chromosomen“ in MSD Handbook (erstellt von der University of Pittsburgh).
• „Chromosomen: Was sind Chromosomen und warum sind sie wichtig“ in Medical Genetics Blog.
• „Chromosome“ in The Encyclopaedia Britannica.
• „Chromosomes: Definition & Structure“ in Live Science.

Wie wird zitiert?

„Chromosomes“. Autorin: Julia Máxima Uriarte. Für: Caracteristicas.co. Zuletzt bearbeitet: 26. März 2020. Erhältlich bei: https://www.caracteristicas.co/cromosomas/. Zugriff: 26. März 2021.