Chromosomen anfärben: Farbstoffe fürs Mikroskop

Vertiefung zum ThemaMitose im Mikroskop

Ungefärbt sind Chromosomen unter dem Lichtmikroskop fast unsichtbar: durchsichtige Fäden in einer durchsichtigen Zelle. Erst ein Farbstoff macht aus dem blassen Bild ein Präparat, in dem du Prophase, Metaphase und Anaphase sicher erkennst. Welcher Farbstoff dafür taugt und warum Chromosomen ihre Farbe so bereitwillig annehmen, erfährst du hier.

Einfach erklärt

Diese Seite vertieft das Thema Mitose im Mikroskop. Ohne Farbe sind Chromosomen fast unsichtbar. Ein Farbstoff schafft den nötigen Kontrast. Chromosomen nehmen Farbe besonders gut an. Ihr Name bedeutet sogar „Farbkörper“.

Der Grund liegt in der DNA, also im Erbgut. Sie ist negativ geladen. Viele Farbstoffe sind positiv geladen. Deshalb hält die DNA sie fest. Solche Farbstoffe heißen basische Farbstoffe. Dicht gepackte Chromosomen erscheinen besonders kräftig.

In der Schule legst du die Wurzelspitzen zuerst in warme Salzsäure. Dann färbst du sie, zum Beispiel mit Karmin, Orcein oder Toluidinblau. Arbeite nur mit Schutzbrille und mit deiner Lehrkraft. Die Feulgen-Färbung färbt nur die DNA. Damit kann man sogar die DNA-Menge messen. Ein Karyogramm ist ein geordnetes Bild von allen Chromosomen. Dafür nutzt man die Giemsa-Färbung. Sie gibt jedem Chromosom ein typisches Streifenmuster.

Merke: Basische Farbstoffe binden an die negativ geladene DNA und machen Chromosomen sichtbar.

Warum muss man Chromosomen färben?

Zellen bestehen größtenteils aus Wasser, Proteinen und Lipiden. Im Hellfeld des Lichtmikroskops lassen sie das Licht fast ungehindert durch. Ein Zellkern ist ohne Färbung allenfalls als blasser Fleck zu ahnen, einzelne Chromosomen gehen völlig unter. Ein Farbstoff erzeugt den nötigen Kontrast.

Dass gerade Chromosomen so gut Farbe annehmen, verrät schon ihr Name: Chromosom bedeutet „Farbkörper“, von griechisch chroma (Farbe) und soma (Körper). Den Grund kennt man heute genau. Das Rückgrat der DNA enthält Phosphatgruppen, die negativ geladen sind. Basische Farbstoffe tragen eine positive Ladung und werden von der DNA angezogen. Je dichter die DNA gepackt ist, desto kräftiger erscheint die Farbe. Deshalb leuchten die stark verdichteten Chromosomen in der Metaphase besonders deutlich, während der Kern in der Interphase gleichmäßig und heller gefärbt ist.

Chromosomen färben in der Schule: Karmin, Orcein und Toluidinblau

Im Schulpraktikum werden Chromosomen meist in einem Quetschpräparat einer Zwiebelwurzelspitze gefärbt. Wie das Präparat entsteht, beschreibt die Hauptseite Ablauf der Mitose im Mikroskop Schritt für Schritt. Vor dem Färben kommen die Wurzelspitzen für einige Minuten in warme Salzsäure, häufig 1 mol/l bei etwa 60 °C. Die Säure löst die Verbindungen zwischen den Zellwänden, sodass sich das Gewebe später zu einer einzigen Zellschicht quetschen lässt und der Farbstoff besser eindringt. Danach wird gespült und gefärbt.

Farbstoff	Herkunft	Farbe der Chromosomen	Besonderheiten
Karmin-Essigsäure	roter Naturfarbstoff aus Cochenilleschildläusen, gelöst in Essigsäure	rot	klassischer Schulfarbstoff; die Essigsäure fixiert und weicht zugleich auf
Orcein-Essigsäure	ursprünglich aus Flechten gewonnen, gelöst in Essigsäure	rotviolett	kräftiger Kontrast; färbt die Lösung zu stark, wird sie mit 45-prozentiger Essigsäure verdünnt
Toluidinblau	synthetischer Farbstoff, gelöst in Wasser	blau bis violett	wässrige Lösung ohne konzentrierte Säure, daher in der Handhabung weniger gefährlich

Alle drei Farbstoffe färben Chromosomen deutlich und das Zellplasma kaum. Für das Zählen von Mitosephasen sind sie völlig ausreichend. Hast du ein gut gefärbtes Präparat, kannst du im nächsten Schritt den Mitoseindex berechnen.

Feulgen-Färbung: Der Farbstoff, der nur DNA färbt

Karmin und Orcein färben das gesamte Chromatin, also DNA samt Proteinen. Wer wirklich nur die DNA sehen will, braucht die Feulgen-Färbung. Robert Feulgen und Heinrich Rossenbeck stellten sie 1924 vor. Sie läuft in zwei Schritten ab:

1. SäurehydrolyseDas Präparat wird in Salzsäure erwärmt, im Originalprotokoll mit 1 N HCl bei 60 °C für vier Minuten. Dabei lösen sich die Purinbasen Adenin und Guanin von der DNA. An den Zuckerbausteinen der DNA entstehen freie Aldehydgruppen.
2. Schiff-ReagenzDas Schiff-Reagenz, ein farbloser Abkömmling des Farbstoffs Fuchsin, bindet an diese Aldehydgruppen und wird dabei wieder farbig. Die DNA erscheint magenta bis violett.

RNA wird nicht angefärbt: Ihr Zucker, die Ribose, trägt eine zusätzliche OH-Gruppe, die verhindert, dass die Basen bei der Hydrolyse auf dieselbe Weise abgelöst werden. Deshalb bleibt das RNA-reiche Kernkörperchen hell (Abb. 1). Noch wichtiger: Die Farbmenge ist proportional zur Zahl der Aldehydgruppen und damit zur DNA-Menge. 1949 zeigten Alfred Mirsky und Hans Ris mit solchen Messungen, dass die Zellkerne einer Art eine weitgehend konstante DNA-Menge enthalten. Ein Zellkern in der G2-Phase erscheint doppelt so intensiv gefärbt wie einer in G1. Im Schulalltag ist die Feulgen-Färbung seltener, weil sie aufwendiger ist.

Giemsa-Bänderung: Chromosomen mit Strichcode

Für ein Karyogramm, die geordnete Darstellung aller Chromosomen eines Menschen, reicht eine gleichmäßige Färbung nicht. Viele Chromosomen sind ähnlich groß und ähnlich gebaut. Man braucht ein Merkmal, an dem sich jedes Chromosom eindeutig erkennen lässt. Dafür sorgt die G-Bänderung, die heute häufigste Bänderungstechnik.

Meist verwendet man weiße Blutzellen, die in Kultur zur Teilung angeregt werden. Ein Spindelgift hält sie in der Metaphase fest, wie die Seite Spindelapparat erklärt. Nach Fixierung und Auftropfen auf Objektträger werden die Chromosomen kurz mit dem Enzym Trypsin angedaut und dann mit Giemsa-Lösung gefärbt. Dabei entsteht auf jedem Chromosom ein Muster aus dunklen und hellen Querbanden. Dunkle Banden sind reich an den Basen A und T, dichter gepackt und eher genarm. Helle Banden sind reich an G und C und enthalten mehr aktive Gene. Homologe Chromosomen zeigen dasselbe Muster, so lassen sie sich paarweise zuordnen.

Fachleute erkennen am Bandenmuster nicht nur, welches Chromosom vorliegt, sondern auch, ob ein Stück fehlt, verdoppelt oder an ein anderes Chromosom gewandert ist. Eine zusätzliche Kopie eines ganzen Chromosoms, etwa bei Trisomie 21, fällt im Karyogramm sofort auf. Wie Chromosomen insgesamt aufgebaut sind, zeigt die Seite Chromosomen.

Vertiefung Oberstufe: Bandennamen lesen – was bedeutet 7q31.2?

Damit sich Labore weltweit verständigen können, hat jede Bande eine feste Adresse. Die Bezeichnung 7q31.2 liest du von links nach rechts: Chromosom 7, langer Arm q (der kurze Arm heißt p), Region 3, Bande 1, Unterbande 2. Gezählt wird immer vom Zentromer nach außen zum Chromosomenende. Je weiter eine Nummer vom Zentromer entfernt liegt, desto höher ist sie.

Mit dieser Adresse lässt sich die Lage von Genen beschreiben. Das Gen CFTR, dessen Veränderungen Mukoviszidose verursachen, liegt zum Beispiel auf 7q31.2. Auch Befunde werden so notiert: Fehlt einem Patienten ein Stück am Ende des kurzen Arms von Chromosom 5, steht im Befund eine Deletion in 5p.

Die Auflösung hängt davon ab, wie stark die Chromosomen verdichtet sind. In der Metaphase sind sie am kürzesten, und es verschmelzen benachbarte Banden. In früheren Phasen, wenn die Chromosomen länger sind, unterscheidet man mehr und feinere Banden. Neben der G-Bänderung gibt es weitere Verfahren, etwa die R-Bänderung mit umgekehrtem Muster. In der Forschung und Diagnostik kommen heute zusätzlich Fluoreszenzfarbstoffe und markierte DNA-Sonden zum Einsatz, mit denen sich einzelne Abschnitte gezielt sichtbar machen lassen.

Fachbegriffe

Chromatin

Komplex aus DNA und Proteinen im Zellkern; in der Mitose zu Chromosomen verdichtet.

basischer Farbstoff

Positiv geladener Farbstoff, der an negativ geladene Strukturen wie DNA bindet.

Feulgen-Färbung

DNA-spezifische Färbung aus Säurehydrolyse und Schiff-Reagenz; die Farbmenge entspricht der DNA-Menge.

G-Bänderung

Färbung von Metaphase-Chromosomen mit Giemsa nach Trypsin-Behandlung; erzeugt ein typisches Bandenmuster.

Karyogramm

Geordnete Darstellung aller Chromosomen einer Zelle, nach Größe und Bandenmuster sortiert.

p- und q-Arm

Kurzer (p) und langer (q) Arm eines Chromosoms, getrennt durch das Zentromer.

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