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Zellkern

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Zellkern

Es gibt Billionen von Zellen in unserem Körper, und jede ist etwas Besonderes. Einige Zellen haben wichtige Funktionen wie das Transportieren von Stoffen. Erythrozyten sind ein Beispiel für Zellen, die Stoffe transportieren können, jedoch besitzen sie keinen Zellkern. Andere nehmen im Gegensatz dazu nur Nährstoffe auf. Aber egal, was ihre Aufgabe ist, alle Zellen haben eines gemeinsam: Sie benötigen einen Zellkern.

Der Zellkern ist das Zentrum einer Zelle. Er ist 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.

Zellkern Aufbau – Zeichnung und Beschriftung

Der Kern ist unter dem Mikroskop kugelförmig bis elliptisch zu sehen und hat je nach Zelltyp einen sehr unterschiedlichen Durchmesser, der zwischen 5 und 600 Mikrometer liegen kann. Er ist von einer Doppelmembran umgeben, enthält jedoch keine anderen Kompartimente im Inneren, im Gegensatz zu dem Mitochondrium.

Da der Zellkern ungefähr 10 % des Gesamtvolumens einer tierischen Zelle entspricht, kann es auch als das größte Zellorganell bezeichnet werden!

Eigentlich haben 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.

Zellmembran

Die Kernhülle oder Kernmembran besteht aus einer Doppelmembran und trennt den Kerninnenraum vom Cytoplasma.

Die äußere Membran des Zellkerns geht in das raue Endoplasmatische Retikulum (ER). 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 Proteinfilamente ausgekleidet, die die Kernlamina bilden. Aufgabe der Kernlamina ist, die Form und Stabilität der Membran zu gewährleisten.

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 verschiedene Proteine 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 Proteinen 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 Zytoplasma importiert werden. Solche große Moleküle wie die mRNA und einige Proteine können die Membran passieren. Ein Unterschied in diesem Fall ist, dass die mRNA nach der Transkription den Zellkern verlässt und in das Cytoplasma transportiert wird, während Proteine in den Zellkern transportiert werden.

Kernplasma

Das Kernplasma ist die viskose Flüssigkeit, die sich im Inneren des Zellkerns befindet. Genannt wird sie auch als Nukleoplasma.

Hauptsächlich besteht das Kernplasma aus Wasser und beinhaltet alle Erbinformationen (Chromatin) sowie Kernkörperchen (Nukleoli). Die Flüssigkeit ist nicht die gleiche wie das Cytoplasma. Beide unterscheiden sich in der Zusammensetzung ihrer Ionen.

Chromatin

Die DNA im Zellkern 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 prokaryotische Zellen wird also kein Chromatin gebildet, sondern die DNA ist im „Nukleoid mit histonartigen Proteinen verbunden“[5], die eine starke positive Ladung haben, und somit die Instabilität der chromosomalen DNA verhindern.

In eukaryotischen Zellen ist die DNA in Proteine verpackt, um die Instabilität der Struktur zu verhindern. So liegt ein DNA-Proteinkomplex vor, das sogenannte Chromatin.

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 genarmen 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, stäbchenartiges 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 Paaren vor. Das geschieht durch die Fortpflanzung. Durch jedes Elternpaar erhält man ein Chromosomensatz.

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.

Zellkern – Funktion

Der Zellkern ist ein Reaktionsraum für viele Reaktionen. Der Zellkern ist besonders wichtig, wenn es um die Übertragung genetischer Informationen geht. Da die genetische Information in Form von DNA und RNA für die Vermehrung eines Organismus als Ganzes im Zellkern gespeichert ist, muss die Information aus dem Zellkern heraustransportiert werden, ohne den Zellkern und die genetische Information 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 der DNA und Replikation der DNA findest Du unter den gleichnamigen Artikeln!

Zellkernteilung

Die Mitose ist Teil des Zellteilungsprozesses in eukaryotischen Organismen, wie Menschen, Tieren und Pflanzen. Die Teilung des Zellkerns wird als Mitose bezeichnet. 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.

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.

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.

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.

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.

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 Gegensatz, es ist ein Organell, was für die Zellkernteilung zerfallen muss.
  • Der Zellkern steuert Funktionen wie die Regulierung aller Prozesse der Zelle, 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 Tochterzellen Zellkerne zu bilden.

Nachweise

  1. Mendel (2010). Zellbiologie der Pflanzen. Ulmer.
  2. Biologie-Schule: Zellkern. (09.06.2022)
  3. Pflanzenforschung: Zellkernteilung (Mitose). (09.06.2022)
  4. Dr-Gumpert: Zellkernteilung. (09.06.2022)
  5. Weiler (2008). Allgemeine und molekulare Botanik. Georg Thieme.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Zellkern

Die Funktion eines Zellkerns ist, alle Prozesse der Zelle zu regulieren, sowie die Replikation und die Transkription der DNA.

Der Zellkern ist das Zentrum der Zelle. Die Aufgabe des Zellkerns ist, alle Aufgaben zu erfüllen, die Du zum Leben benötigst. In dem Zellkern befindet sich die Gesamtheit der genetischen Information. 

Der Zellkern kommt in jeder eukaryotischen Zelle vor, aber nicht in prokaryotischen Zellen. 

Im Zellkern befindet sich die gesamte Erbinformation eines Organismus. 

Finales Zellkern Quiz

Frage

Welche Form hat ein Zellkern?

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Antwort

Kugelförmig bis elliptisch

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Frage

Welche Funktionen erfüllt ein Zellkern?

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Antwort

Zellteilung

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Frage

Welche Zellen in Deinem Körper haben keinen Zellkern?

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Antwort

Rote Blutkörperchen

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Frage

Aus welchen Strukturen besteht ein Zellkern?

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Antwort

  • Kernhülle/ Zellmembran
  • Kernporen
  • Kernplasma
  • Chromatin
  • Chromosomen
  • Nukleolus
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Frage

Warum ist ein Zellkern kein festes Kompartiment?

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Antwort

Zellkerne sind keine festen Kompartimente, weil sie regelmäßig zerfallen müssen, um neue Zellen aufzubauen

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Frage

Woraus besteht die Kernhülle?

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Antwort

Doppelmembran

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Frage

Was ist die perinukleare Zisterne?

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Antwort

Die perinukleare Zisterne ist ein 60 nm breiter Spalt zwischen der äußeren und der inneren Membran. 

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Frage

Was befindet sich in der Kernplasma?

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Antwort

Erbinformationen

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Frage

Was sind Histone?

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Antwort

Verpackungsproteine der DNA

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Frage

Was sind Chromosomen?

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Antwort

Chromosomen sind die kompakte Transportform der DNA während der Zellteilung. Sie sind stark gewunden und genetisch inaktiv. Die Chromosomen speichern einige Teile der Erbinformation im Zellkern und sind oft unterschiedlich geformt. 

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Frage

Was ist ein Nukleolus?

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Antwort

Kernkörperchen

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Frage

Was ist die Mitose?

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Antwort

Prozess der Zellkernteilung

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Frage

Nenne die verschiedenen Stadien der Zellkernteilung.

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Antwort

  1. Prophase
  2. Prometaphase
  3. Metaphase
  4. Anaphase
  5. Telophase
Frage anzeigen

Frage

Was passiert, wenn sie der Zellkern falsch teilt?

Antwort anzeigen

Antwort

Im Zellkern befinden sich mehrere Kontrollpunkte, die verhindern sollen, dass ein Fehler während der Zellteilung auftritt. Wenn sich die Chromosomen falsch teilen, entstehen zwei verschiedene Chromosomen. Dadurch entsteht eine fehlerhafte Zelle und es kann zur Entstehung einer Tumorzelle kommen. 


Wenn während der Metaphase ein Fehler auftritt, wird im besten Fall die Mitose angehalten und die Zellteilung gestoppt. Wenn die Zellteilung nicht angehalten wird, und der Zellkern weiter mit einem anderen Chromosomengehalt wächst, werden die Zellen durch einen programmierten Zelltod (Apoptose) zerstört. Wenn die Zellen nicht zerstört werden, entstehen Zellen mit einem höheren Entartungsrisiko.

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Frage

Welche Organismen besitzen einen Zellkern?

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Antwort

Tiere

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