6. Beschreiben Sie den Aufbau des Zellkerns und seine Funktionen! an der Medizinische Hochschule Hannover

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Die Hauptbestandteile des Kerns 

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Allgemeines

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Kernhülle

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Kernporen & Stoffaustausch - Allgemein

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Kernporen & Stoffaustausch - Hauptfunktionen

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Kernporen & Stoffaustausch - Kerntransportrezeptoren

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Chromatin - Allgemein

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Chromatin - Aufbau

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Kondensationsgrad des Chromatins bzw. des Chromosomen

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Chromosomen - Allgemein

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Chromosomen - Zahl & Art 

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Chromosomen - Struktur

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6. Beschreiben Sie den Aufbau des Zellkerns und seine Funktionen!

Die Hauptbestandteile des Kerns 
  • Die Kernhülle
  • Das Chromatin (Komplex aus DNA und Proteinen, erscheint in der Mitose in Gestalt der Chromosomen)
  • Der Nucleolus
  • Die Kernmatrix

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Allgemeines
  • Er hat 2 Lipiddoppelschichten
  • Auffälligste Struktur der eukaryotischen Zelle
  • Typischerweise hat jede Zelle einen Kern; sekundär geht er in ausdifferenzierten Erythrozyten verloren
  • Selten sind Zellen mehrkernig (Osteoklasten & Skelettmuskelzellen)
  • Durchmesser: 5-16 mikrometer
  • Nimmt ca. 15% des Zellvolums ein
  • Beinhalten DNA/Genom
  • Spezifischer Aufbau in jeder Zelle
-> Zellidentifikation
  • Evolutionäre Notwendigkeit durch Fülle an Erbinformation
  • Schutz der DNA vor äußeren Einflüssen (z.B. UV-Strahlung)

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Kernhülle
  • Spezieller Abschnitt des rauen endomatischen Retikulums (RER)
  • Äußerer & innerer Kernmembran
  • Dazwischen Perinuklerarzisterne (ca. 20nm breit)
  • Gesamthülle ca 35nm dick
  • Äußere Kernmembran trägt oft Ribosomen
  • Innere Membran liegt innen der Kernlamina (Lamina nuklearis) an
-> 30-100nm dicke Schicht aus Intermediärfilamenten, innere Kernmembran ist außerdem mit Chromatin verbunden

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Kernporen & Stoffaustausch - Allgemein
  • Kernhülle enthält typischerweise 1000-4000 Kernporen (Kernporenkomplex) pro Kern (bei wenig Stoffwechselaktiven Zellen deutlich weniger)
  • 25% der Oberfläche
  • Oktogonale Poren (setzen sich aus mehreren Kopien von ca. 30 Proteinen zusammen => Nukleoporinen)
  • Sie besteht aus den Komponenten:
- zentralem, zylindrischem Porenkomplex mit zentralen Transportkanal 6 radinären speichen 
- einem inneren & äußeren oktagonalen Ring, aus je 8 Proteinkomplexen
- Kernkorb/-käfig, geht vom inneren Ring aus 

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Kernporen & Stoffaustausch - Hauptfunktionen
  • Der Stoffaustausch zwischen Kern & Zytosol
  • Bier zu 500 Makromoleküle pro Sekunde durch die Poren
-> sehr effektiv
  • Kleine Moleküle (< 5kD) diffundieren von alleine durch Kernporen
  • Größere Moleküle binden an Rezeptoren & werden dann ein- bzw. Ausgeschleust
  • Somit findet Im- & Export statt, ist prinzipiell auch gleichzeitig möglich & erfordert Energie
  • Transport möglich durch Hydrolyse von GTP
-> Guanosintriphosphat (produziert von monomerer GTPase)

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Kernporen & Stoffaustausch - Kerntransportrezeptoren
  • Exportine & Importine
-> kehren nach Transport an ihren Ursprung zurück
  • Proteine mit Zielort Zellkern sind mit Kernerkennungsfrequenz versehen
  • Spezifische, lösliche, zytosolische Kernimportrezeptoren binden diese Proteine (z.B. Histone) und wandern mit ihnen „im Gepäck“ durch die Kernporen
  • Im Kern dissoziiert der Rezeptor von seiner Fracht & geht zurück ins Zytosplasma
  • Export aus dem Kern ähnlich
-> Proteine mit Erkennungssignal, das sich mit exportierenden Rezeptoren verbindet (Rezeptor kehrt auch hier zurück, aber in Kern)

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Chromatin - Allgemein
  • Ist makromolekularer Komplex im Zellkern, besteht aus DNA, Histon- und anderen Proteinen

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Chromatin - Aufbau
  • Doppelsträngiger DNA-Faden bindet in Interphase ca. 2m langes, auf 46 Chromosomen verteiltes Gebilde (aus feinen Fäden)
  • Kann nur im Zellkern untergebracht werden, wenn er komprimiert ist
  • Dafür DNA und Histon-Proteine gewickelt
-> bildet positiv geladene Histon-Oktamer (=Nukleosomenkern)
-> darum lagern sich negativ geladene DNA-Doppelhelix
-> bilden zusammen Nukeosom
  • Bilden mit kurzen DNA-Linker-Abschnitten (kurzen Abschnitten zwischen 2 Nukeosomen) Chromatinfibrillen
- Chromatinfibrillen während Mitose stark kondensiert & bildet Chromosom
- in Interphase als aufgelockerte DNA vorhanden (dekondensiert)
  • Nukleosomen sind dynamische Strukturen
-> man kann sie ummodellieren durch z.B. Nicht-Histon-Proteine & vor allem Enzyme (wie z.B. ATPase,Histokinase, Histon-Acetyltransferase, etc.)
- DNA kann sich in Millisekunden vom Nukleosomen abheben & sofort wieder anlegen
- das ermöglicht Anlagerung/Ablösung sequenzspezifischer DNA-Bindungsproteine an DNA

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Kondensationsgrad des Chromatins bzw. des Chromosomen
  • In Interphase Chromosomen in aufgelockertem Zustand vorhanden; Grad Auflockerung unterschiedlich:
- stark aufgelockertes Chromosomen nennt man Euchromatin (macht ca. 10% des Gesamtchromatins aus)
- DNA des Euchromatins wird in RNA transkribiert (umgeschrieben)
-> nur am Euchromatin wird RNA transkribiert
- alle Arten außer rRNA (ribosomale) entstehen hier:
-> mRNA (Messenger RNA)
-> tRNA (transfer RNA)
-> snRNA (small nuclear RNA, am Spicing der Prä-mRNA beteiligt
-> snoRNA (small nucleolar RNA, modifiziert die RNA)
- kondensiertes Chromatin = Heterochromatin
- kann bis zu 90% des gesamt Chromatins ausmachen
- keine Transkription der DNA
- die Nuleosomen sind besonders dicht gepackt & besondere Proteine vorhanden, die das Heterochromatin formen & erhalten
  • Morphologisches Muster, das Eu- & Heterochromatin in einem Kern bilden (Chromatinmuster) ist für einzelnen Zelltypen (recht) konstant und typisch
-> wichtiges diganostisches Kriterium für das Erkennen des Zelltyps

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Chromosomen - Allgemein
  • Chromatinfibrillen sind auf Chromosomen verteilt, die man nur während der Mitose bzw. Meiose erkennen kann

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Chromosomen - Zahl & Art 
  • Somatische Zellen
-in diesen finden sich 46 Chromosomen, die 23 Paare bilden (doppelter Chromosomensatz = diploider Zustand)
- zusammengehörigen 2 Chromosomen eines Chromosomenpaares werden homologe Chromosomen genannt
-> stammen von Mutter bzw. Vater
- 44 Autosomen (22 Autosomenpaare, die von 1-22 durchnummeriert sind)
- 2 Geschlechtschromosomen (Genosomen: X und Y)
- Karyotyp (Anzahl & Art der Chromosomen) bei einer normalen Frau: ,46,XX‘
-> bei normalem Mann: ,46,XY‘
  • Keimzellen:
- in reifen Keimzellen des Menschen nur 23 Chromosomen (einfacher Chromosomensatz = haploider Zustand)
- beim Menschen auf diesen 23 Chromosomen ca. 30.000 - 40.000 Gene

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Chromosomen - Struktur
  • Jedes Chromosomen hat Zentomer
-> liegt im Heterochromatin-Abschnitt
- da liegt sog. Primäre Einschnürung, die das Chromosom in einen kürzeren und einen längeren Arm teilt
- da werden Schwesterchromatiden zusammengehalten 
- einige Chromosomen (13,14,15,21,22 & Y) heißen akrozentrisch
-> Zentromer liegt bei ihnen fast am Chromosomenende
- da entsteht das Kinetochor
-> Ansatzstelle der Kinetochormikrotubuli bei Zellteilung
- Zentromer also DNA-Abschnitt, der bei Zellteilung dafür sorgt, dass je eine der verdoppelten Chromatinfibrillen in eine Tochterzelle gelangt
  • Endabschnitt der Chromosomenarme heißt Telomer
- bestehen aus einer nicht kodierenden (keine Information für Proteinsynthese enthaltenden), kurzen, sich oft wiederholenden (repetitiven) Sequenz
- bei jeder Replikation gehen einige Nucleoide am Telomer verloren
-> solange, bis Teile von Genen nicht mehr repliziert werden, dann stirbt Zelle ab
- Telomerase produzieren beim Menschen nur embryonale Zellen
-> es verlängert die Telomere, da es später nicht mehr produziert wird, könnte die ursprüngliche Länge der Telomere die Lebensdauer jedes Individuums bestimmen

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