Es gibt Billionen von Zellen in unserem Körper, und jede ist etwas Besonderes. Einige Zellen haben wichtige Funktionen, wie das Transportieren von Stoffen. Andere Zellen nehmen nur Nährstoffe auf. Aber egal, was ihre Aufgabe ist, eine Sache haben beinahe alle Zellen gemeinsam: Sie benötigen einen Zellkern.
Zellkern Definition
Der Zellkern kann einfach definiert werden: Er ist das Zentrum einer Zelle. Er ist außerdem ein Reaktionsort, wo viele lebenswichtige Prozesse stattfinden. Ein Zellkern wird auch als Nukleus bezeichnet. Das Spezielle an Eukaryoten ist, dass nur sie Zellkerne tragen. Diese beinhalten die DNA des Organismus. Im Gegensatz dazu haben Prokaryoten keinen Zellkern, weil die Chromosomen-DNA frei im Zytoplasma vorliegt.
Die Namensgebung Eukaryoten vom altgriechisch bedeutet: eu = “wahr” und karyon = “Kern”. Im Gegensatz dazu bedeutet die Namensgebung der Prokaryoten wie folgt: pro = “vor” und karyon = “Kern”.
Zellkern Größe
Der Zellkern ist in seiner Größe abhängig davon, wie groß die Zelle ist, die ihn umgibt. In der Regel kann allerdings gesagt werden, dass ein Zellkern einen Durchmesser zwischen
hat.
Zellkern Aufbau
Der Aufbau des Zellkerns ist unter dem Mikroskop kugelförmig bis elliptisch zu erkennen. Der Zellkern ist so augebaut, dass er von einer Doppelmembran, also zwei Biomembranen, umgeben ist und keine anderen, weiteren Kompartimente im Inneren, enthält.
Da der Zellkern ungefähr 10 % des Gesamtvolumens einer tierischen Zelle entspricht, kann es auch als das größte Zellorganell bezeichnet werden!
Eigentlich haben beinahe alle Zellen einen Zellkern. Einige Ausnahmen gibt es natürlich: Während reife rote Blutkörperchen (Erythrozyten) keinen Zellkern haben, können unter anderem Leberzellen mehrere Zellkerne besitzen. In dem Fall, dass in einer Zelle mehrere Zellkerne im Cytoplasma vorliegen, nennt man diese Synzytium.
Der Ursprung des Zellkerns ist bis heute noch nicht komplett erklärt!
Folgende Strukturelemente können unterschieden werden:
- Kernhülle
- Kernporen
- Kernplasma
- Chromatin
- Chromosom
- Nukleolus
Der Zellkern hat kein festes Kompartiment. Es ist nämlich ein Organell, das häufig zerfällt.
Kernmembran Funktion: Zellmembran
Die Kernhülle oder Kernmembran besteht aus einer Zellkern-Doppelmembran und trennt den Kerninnenraum vom Cytoplasma.
Die äußere Membran des Zellkerns geht in das raue Endoplasmatische Retikulum (ER) über. Zwischen der äußeren und der inneren Membran befindet sich ein ca. 60 nm breiter Spalt, die perinukleare Zisterne. Das Innere der Kernmembran ist mit einem dichten Netzwerk aus Proteinfilamenten ausgekleidet, die die Kernlamina bilden. Aufgabe der Kernlamina ist, die Form und Stabilität der Membran zu gewährleisten. Die Funktion der Kernhülle ist die Trennung des Kerninnenraums vom Cytoplasma.
Während der Zellteilung wird die Membran gelöst. Später wird die Membran in den Tochterzellen neu gebildet.
Kernporen
Die Kernhülle ist mit Kernporen durchsetzt. Kernporenkomplexe, auch nuclear pore complex (NPC), bestehen aus mindestens 30 verschiedenen Proteinen und haben meist ein Durchmesser von etwa 120 Nanometer.
Die Kernporen sind essenziell, da sie den Austausch zwischen dem Cytoplasma und dem Kernraum ermöglichen. Das bedeutet, dass sie eine Art Membrankanal darstellen. Dieser Kanal ist von bestimmten Eiweißen umgeben, die das Ein- und Austreten der Moleküle bestimmen.
Alle für die DNA-Replikation und DNA-Transkription erforderlichen Kernproteine sowie die DNA-Hüllproteine und ribosomalen Eiweiße werden im Cytoplasma an freien Ribosomen synthetisiert und müssen in großen Mengen durch das Cytoplasma in den Zellkern importiert werden. Solche große Moleküle wie die mRNA können die Membran durch die Kernporen passieren. Ein Unterschied in diesem Fall ist, dass die mRNA nach der Transkription den Zellkern verlässt und in das Cytoplasma transportiert wird, während Proteine umgekehrt in den Zellkern transportiert werden.
Kernplasma Funktion
Das Kernplasma ist die viskose, auch dickflüssige oder schleimige, Flüssigkeit, die sich im Inneren des Zellkerns befindet. Sie wird auch als Nukleoplasma bezeichnet.
Hauptsächlich besteht das Kernplasma aus Wasser und hat die Funktion, alle Erbinformationen (Chromatin) sowie Kernkörperchen (Nukleoli) zu enthalten und Raum für Stoffwechselprozesse zu bieten. Die Flüssigkeit ist nicht die gleiche wie das Cytoplasma. Beide unterscheiden sich in der Zusammensetzung ihrer Ionen.
Chromatin
Allgemein kann man Chromatin nur im Zellkern eukaryotischer Zellen finden. Ein Chromatin hat zwei Hauptfunktionen:
- Die Verpackung der DNA, um diese vor Nukleasen zu schützen, sowie die DNA zu transportieren und
- die Kondensation sowie die Dekondensation, welche die Genaktivität regeln.
Die DNA im Zellkern eines Eukaryoten kann niemals frei vorliegen, wie bei Prokaryoten, da sie alle positiv geladenen Proteine anziehen könnte. Dadurch würde sich eine ungeordnete Struktur bilden, was sehr instabil wäre. In eukaryotischen Zellen ist die DNA in Proteine, sogenannte Histone, verpackt, um die Instabilität der Struktur zu verhindern. So liegt ein DNA-Proteinkomplex vor, das sogenannte Chromatin. Das Chromatin verpackt in diesem Sinne die große Menge eukaryotischer DNA.
Histone sind basische Polypeptide, um denen die DNA sich wickeln kann.
So wird in der prokaryotischen Zelle kein Chromatin gebildet, sondern die DNA ist im Nukleoid mit sogenannte Nukleoid-assozierte Proteine (NAPs) verbunden, welche die Form und Struktur der DNA verändern und somit die Instabilität der chromosomalen DNA verhindern. Da die prokaryotische DNA sehr klein ist, muss diese nicht verpackt werden.
Das Chromatin kann in verschiedenen Verdichtungsgraden vorliegen:
- Euchromatin ist in der Ebene der Transkription oder der Replikation aktiv und hat eine relativ lockere Struktur.
- Heterochromatin bezeichnet die stark gewundenen und Gen-armen Teile des DNA-Strangs.
Histone sind Verpackungsproteine der DNA und bilden somit ein Histon-DNA-Komplex. Histone werden im Cytoplasma an freien Ribosomen synthetisiert und in großer Zahl zum Zellkern transportiert.
Da Histone eine stark positive Grundladung haben, werden sie sofort von der DNA, die negativ geladen ist, angezogen und es entsteht ein DNA-Proteinkomplex. Histone sind hocheffiziente DNA-bindende Proteine, aber ihre Assoziation ist unabhängig von spezifischen DNA-Sequenzen.
Chromosomen
Chromosomen sind die kompakte Transportform der DNA während der Zellteilung. Wie Heterochromatin sind sie stark gewunden und genetisch inaktiv.
Chromosomen sind leicht unter einem Mikroskop zu erkennen und haben ein gebogenes, Stäbchen-artiges Aussehen. Sie speichern alle Teile der Erbinformation im Zellkern. Alle Chromosomen haben im Prinzip die gleiche Grundform, sind aber trotzdem unterschiedlich, da sie jeweils nur spezifische Teile der Erbinformation tragen.
Anhand dieser etwas unterschiedlichen Struktur sind sie auch unter dem Mikroskop zu unterscheiden. In der Regel kommen Chromosomen in homologen (ähnlichen) Paaren vor. Man bezeichnet das als diploiden Chromosomensatz. Dies ist der geschlechtlichen Fortpflanzung geschuldet, die die meisten Eukaryoten betreiben. Dabei erhalten Nachkommen je einen Chromosomensatz von jedem Elternteil.
Nukleolus (Nucleolus)
Nukleoli sind Kernkörperchen und nicht der eigentliche Zellkern (Nukleus).
In einem Zellkern können ein oder mehrere Kernkörperchen vorliegen. Diese lösen sich wie die Membran während der Zellteilung auf. Nach der Zellteilung werden die Nukleoli von spezifischen Abschnitten der Chromosomen, den nucleolus organizer regions (NOR), aufgebaut.
Nukleoli beteiligen sich hauptsächlich an der Herstellung von Ribosomen.
Aufgabe – Zellkern Funktion
Der Zellkern erfüllt eine wichtige Funktion: Er ist ein Reaktionsraum für viele Reaktionen. Die Bedeutung des Zellkerns wird besonders wichtig, wenn es um die Übertragung genetischer Informationen geht. Da die Erbinformation in Form von DNA und RNA für die Vermehrung eines Organismus als Ganzes im Zellkern gespeichert ist, muss das Erbgut aus dem Zellkern heraustransportiert werden, ohne den Zellkern und die Erbsubstanz zu beschädigen.
Transkription, also das Ablesen der DNA z. B. für die Proteinherstellung, und Replikation der DNA, also das Kopieren der DNA z. B. für die Zellteilung, finden dabei direkt im Zellkern statt. Hierbei wird die DNA abgelesen, in eine sogenannte mRNA umgeschrieben, welche eine Form der RNA ist, die aus dem Zellkern transportiert werden kann.
Allerdings liegen nicht alle genetischen Informationen als Chromosomen im Zellkern vor. Menschen haben auch mitochondriale DNA, Pflanzen haben Chloroplasten-DNA. Die Replikation dieses Erbguts ist unabhängig von Vorgängen im Nukleus.
Nähere Informationen zur Translation und Replikation der DNA findest Du unter den gleichnamigen Artikeln!
Zellkernteilung – Phasen
Die Zellkernteilung eukaryotischer Organismen wird auch Mitose genannt. Die Kernteilung ist notwendig, um Gewebezellen zu bilden, die sich ständig erneuern. Die Fähigkeit des Körpers zu funktionieren und zu heilen basiert auf der Tatsache, dass tote Zellen durch neue Zellen ersetzt werden.
Die Mitose teilt sich je nach Zustand der Chromosomen in verschiedenen Stadien auf: Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase und Telophase.
Prophase
Während der Prophase verdichten sowie verkürzen sich die Chromosomen. Gleichzeitig bildet sich an den Polen der Zelle ein Spindelapparat. Am Ende der Prophase zerfällt die Zellmembran.
Vor der Verdichtung der Chromosomen sind diese unter dem Lichtmikroskop nicht sichtbar. Erst wenn die Chromosomen kondensiert sind, sind sie voneinander getrennt, unter dem Mikroskop zu sehen, sobald sie angefärbt worden sind.
Prometaphase
Das zweite Stadium der Mitose wird als Prometaphase bezeichnet. Während der Prometaphase kommt es zum vollständigen Zerfall der Zellmembran und zur Ausbildung des Spindelapparats an den Polen der Zelle.
Metaphase
In der Metaphase ist der Spindelapparat, was davor in der Prometaphase gebildet wurde, von großer Bedeutung. In diesem Stadium der Mitose kommt es zur Anordnung der Chromosomen an der Äquatorialebene der Zelle.
Anaphase
Die nächste Phase wird Anaphase genannt. Während dieses Prozesses kommt es zur Trennung der Chromosomen, was zu zwei identischen Tochterchromosomen führt. Außerdem trennen sich die resultierenden Tochterchromosomen.
Telophase
Das Endstadium der Mitose wird als Telophase bezeichnet, in der die Kernhülle wiederhergestellt wird. Zusätzlich lösen sich die Spindelfaser komplett auf und es kommt zur Ausbildung einer neuen Zellmembran. Am Ende gibt es zwei funktionsfähige Zellkerne.
Was ist, wenn sich der Zellkern falsch teilt?
Im Zellzyklus befinden sich mehrere Kontrollpunkte, die verhindern sollen, dass es bei der Kernteilung zu Fehlern kommt. Diese “Checkpoints” befinden sich in verschiedenen Phasen des Zellzyklus, an denen wichtige Prozesse stattfinden. Während des crossing-overs kann es dazu kommen, dass die Chromosomen nicht getrennt werden. Sollte es zu Fehler kommen, können fehlerhafte Zellen entstehen, unter anderem auch Tumorzellen. Diese fehlerhaften Zellen werden meist durch einen programmierten Zelltod abgetötet (Apoptose), sodass nur gesunde Zellen sich weiter teilen können.
Zellkern und Zellkernteilung – Pflanzenzelle
Wie alle anderen Eukaryoten, besitzen auch Pflanzenzellen einen Zellkern und ihre Teilung erfolgt nach dem gleichen Prinzip der Mitose.
Andere Unterschiede zwischen Pflanzen- und Tierzellen findest Du unter den gleichnamigen Artikeln!
Zellkern – Das Wichtigste auf einen Blick
- Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umgeben, die das Kernplasma einschließt, in welchem sich die Nukleoli und die Erbinformation in Form von Chromosomen befinden.
- Der Zellkern ist kein festes Kompartiment. Im Gegenteil: es ist ein Organell, was für die Zellkernteilung zerfallen muss.
- Der Zellkern steuert Funktionen wie die Regulierung aller Prozesse der Zelle, die DNA-Transkription und DNA-Replikation.
- Bei der Zellkernteilung zerfällt die Kernhülle in viele kleine Membranporen. Auch der Zellkern und das Kernskelett zerfallen, und erst am Ende der Mitose werden alle Strukturen neu aufgebaut, um in den Tochterzellen Zellkerne zu bilden.
Nachweise
- Mendel (2010). Zellbiologie der Pflanzen. Ulmer.
- Biologie-Schule: Zellkern. (09.06.2022)
- Pflanzenforschung: Zellkernteilung (Mitose). (09.06.2022)
- Dr-Gumpert: Zellkernteilung. (09.06.2022)
- Weiler (2008). Allgemeine und molekulare Botanik. Georg Thieme.
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