Chromosomen sind fadenförmige Strukturen, die sich im Zellkern von Tier- und Pflanzenzellen befinden. Jedes Chromosom besteht aus Protein und einem einzigen Molekül Desoxyribonukleinsäure (DNA). Die DNA wird von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben und enthält die spezifischen Anweisungen, die jede Art von Lebewesen einzigartig machen.
Der Begriff Chromosom setzt sich aus den griechischen Wörtern für Farbe (chroma) und Körper (soma) zusammen. Die Wissenschaftler gaben den Chromosomen diesen Namen, weil es sich um Zellstrukturen oder Körper handelt, die durch einige in der Forschung verwendete Farbstoffe stark angefärbt werden.
ÜBERSICHT
Was machen die Chromosomen?
Durch die einzigartige Struktur der Chromosomen ist die DNA fest um spulenartige Proteine, die so genannten Histone, gewickelt. Ohne diese Verpackung wären die DNA-Moleküle zu lang, um in die Zellen zu passen. Würden zum Beispiel alle DNA-Moleküle in einer einzigen menschlichen Zelle von ihren Histonen abgewickelt und aneinandergereiht, wären sie drei Meter lang.
Damit ein Organismus wachsen und richtig funktionieren kann, müssen sich die Zellen ständig teilen, um neue Zellen zu bilden und alte, abgenutzte Zellen zu ersetzen. Während der Zellteilung ist es wichtig, dass die DNA intakt und gleichmäßig auf die Zellen verteilt bleibt. Die Chromosomen sind ein wichtiger Bestandteil des Prozesses, der dafür sorgt, dass die DNA bei den meisten Zellteilungen korrekt kopiert und verteilt wird. Dennoch kommt es in seltenen Fällen zu Fehlern.
Veränderungen in der Anzahl oder Struktur der Chromosomen in neuen Zellen können zu ernsten Problemen führen. Beim Menschen werden zum Beispiel eine Art von Leukämie und einige andere Krebsarten durch defekte Chromosomen verursacht, die aus zusammenhängenden Teilen gebrochener Chromosomen bestehen.
Es ist auch entscheidend, dass die Fortpflanzungszellen, wie Eizellen und Spermien, die richtige Anzahl von Chromosomen enthalten und dass diese Chromosomen die richtige Struktur haben. Ist dies nicht der Fall, können sich die Nachkommen nicht richtig entwickeln. Menschen mit Down-Syndrom haben zum Beispiel drei Kopien des Chromosoms 21 anstelle der zwei Kopien, die bei anderen Menschen vorkommen.
Haben alle Lebewesen die gleiche Art von Chromosomen?
Die Anzahl und Form der Chromosomen variiert bei den Lebewesen. Die meisten Bakterien haben ein oder zwei kreisförmige Chromosomen. Der Mensch sowie andere Tiere und Pflanzen haben lineare Chromosomen, die paarweise im Zellkern angeordnet sind.
Die einzigen menschlichen Zellen, die keine Chromosomenpaare enthalten, sind Fortpflanzungszellen oder Gameten, die nur eine Kopie jedes Chromosoms tragen. Wenn sich zwei Fortpflanzungszellen vereinigen, entsteht eine einzige Zelle, die zwei Kopien jedes Chromosoms enthält. Diese Zelle teilt sich dann und ihre Nachfolger teilen sich zahlreiche Male, bis schließlich ein reifes Individuum mit einem vollständigen Satz gepaarter Chromosomen in praktisch allen Zellen entsteht.
Neben den linearen Chromosomen, die sich im Zellkern befinden, tragen die Zellen des Menschen und anderer komplexer Organismen eine viel kleinere Art von Chromosomen, die denen von Bakterien ähneln. Dieses zirkuläre Chromosom befindet sich in den Mitochondrien, Strukturen, die sich außerhalb des Zellkerns befinden und als Kraftwerke der Zelle dienen.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass Mitochondrien in der Vergangenheit frei lebende Bakterien waren, die die Fähigkeit besaßen, Sauerstoff in Energie umzuwandeln. Als diese Bakterien in Zellen eindrangen, die nicht über die Fähigkeit verfügten, die Energie des Sauerstoffs anzuzapfen, nahmen die Zellen sie auf, und im Laufe der Zeit entwickelten sich die Bakterien zu den heutigen Mitochondrien.
Was sind Zentromere?
Der eingeschnürte Bereich linearer Chromosomen wird als Zentromer bezeichnet. Obwohl diese Einschnürung als Zentromer bezeichnet wird, befindet sie sich in der Regel nicht genau in der Mitte des Chromosoms, sondern in einigen Fällen fast am Ende des Chromosoms. Die Bereiche zu beiden Seiten des Zentromers werden als Chromosomenarme bezeichnet.
Zentromere tragen dazu bei, dass die Chromosomen während des komplexen Prozesses der Zellteilung richtig ausgerichtet bleiben. Bei der Vervielfältigung der Chromosomen zur Vorbereitung der Bildung einer neuen Zelle dient das Zentromer als Verbindungsstelle zwischen den beiden Hälften jedes replizierten Chromosoms, den so genannten Schwesterchromatiden.
Was sind Telomere?
Telomere sind sich wiederholende DNA-Abschnitte, die sich an den Enden von linearen Chromosomen befinden. Sie schützen die Enden der Chromosomen in ähnlicher Weise wie die Spitzen von Schnürsenkeln sie vor dem Aufreißen bewahren.
Bei vielen Zelltypen verlieren die Telomere bei jeder Zellteilung ein Stück ihrer DNA. Wenn schließlich die gesamte Telomer-DNA aufgebraucht ist, kann sich die Zelle nicht mehr replizieren und stirbt.
Weiße Blutkörperchen und andere Zelltypen, die sich sehr häufig teilen können, verfügen über ein spezielles Enzym, das verhindert, dass ihre Chromosomen ihre Telomere verlieren. Da sie ihre Telomere beibehalten, leben solche Zellen im Allgemeinen länger als andere Zellen.
Telomere spielen auch bei Krebs eine Rolle. Die Chromosomen bösartiger Zellen verlieren ihre Telomere in der Regel nicht und tragen so zum unkontrollierten Wachstum bei, das Krebs so verheerend macht.
Wie viele Chromosomen hat der Mensch?
Der Mensch hat 23 Chromosomenpaare, also insgesamt 46 Chromosomen. Tatsächlich hat jede Pflanzen- und Tierart eine bestimmte Anzahl von Chromosomen. Eine Fruchtfliege hat zum Beispiel vier Chromosomenpaare, eine Reispflanze 12 und ein Hund 39.
Wie werden Chromosomen vererbt?
Beim Menschen und den meisten anderen komplexen Organismen wird eine Kopie jedes Chromosoms vom weiblichen Elternteil und die andere vom männlichen Elternteil vererbt. Dies erklärt, warum Kinder einige ihrer Merkmale von ihrer Mutter und andere von ihrem Vater erben.
Für das kleine zirkuläre Chromosom, das in den Mitochondrien zu finden ist, gilt ein anderes Vererbungsmuster. Nur Eizellen – und nicht Samenzellen – behalten ihre Mitochondrien während der Befruchtung. Die mitochondriale DNA wird also immer vom weiblichen Elternteil vererbt. Beim Menschen wurden einige Krankheiten, darunter einige Formen von Hörschäden und Diabetes, mit der in den Mitochondrien gefundenen DNA in Verbindung gebracht.
Haben Männchen andere Chromosomen als Weibchen?
Ja, sie unterscheiden sich in einem Chromosomenpaar, den Geschlechtschromosomen. Frauen haben zwei X-Chromosomen in ihren Zellen, während Männer ein X- und ein Y-Chromosom haben. Die Vererbung von zu vielen oder zu wenigen Kopien der Geschlechtschromosomen kann zu ernsten Problemen führen. So sind Frauen, die zusätzliche Kopien des X-Chromosoms haben, in der Regel größer als der Durchschnitt, und einige leiden unter geistiger Retardierung. Bei Männern mit mehr als einem X-Chromosom tritt das Klinefelter-Syndrom auf, ein Zustand, der durch eine hohe Statur und häufig auch durch eine eingeschränkte Fruchtbarkeit gekennzeichnet ist. Ein weiteres Syndrom, das durch ein Ungleichgewicht in der Anzahl der Geschlechtschromosomen verursacht wird, ist das Turner-Syndrom. Frauen mit Turner-Syndrom haben nur ein X-Chromosom. Sie sind sehr klein, kommen in der Regel nicht in die Pubertät und einige können Nieren- oder Herzprobleme haben.
Wie wurden die Chromosomen entdeckt?
Wissenschaftler, die Zellen unter dem Mikroskop betrachteten, beobachteten Chromosomen erstmals Ende des 19. Damals waren die Natur und die Funktion dieser Zellstrukturen jedoch noch unklar. Durch die bahnbrechenden Studien von Thomas Hunt Morgan in den frühen 1900er Jahren erlangten die Forscher ein viel besseres Verständnis der Chromosomen. Morgan stellte die Verbindung zwischen Chromosomen und vererbten Merkmalen her, indem er nachwies, dass das X-Chromosom mit dem Geschlecht und der Augenfarbe von Fruchtfliegen zusammenhängt.
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