Der Zellkern

Einleitung

Der Zellkern oder Nukleus ist das größte Organell einer Zelle und liegt im Zytoplasma eukaryotischer Zellen. Der durch eine Doppelmembran (Kernhülle) begrenzte rundliche Zellkern beinhaltet die in Chromatin verpackte genetische Information, die Desoxyribonukleinsäure (DNA). Als Speicher der Erbinformation hat der Zellkern eine zentrale Bedeutung für die Vererbung.

Funktion des Zellkerns

Alle menschlichen Zellen außer Erythrozyten besitzen einen Zellkern, in dem die DNA in Form von Chromosomen vorliegt. Der Zellkern reguliert und steuert alle Prozesse, die in einer Zelle ablaufen. Beispielsweise die Anleitung zur Synthese von Proteinen, die Weitergabe der Erbinformation, die Zellteilung und verschiedene Stoffwechselvorgänge.

Neben der Speicherung der Erbinformation zählen die Verdopplung (Replikation) der DNA und die Synthese von Ribonukleinsäuren (RNA) durch Umschreibung der DNA (Transkription), sowie die Modifizierung dieser RNA (Prozessierung) zu den wichtigsten Funktionen des Zellkerns.

Der Mensch besitzt neben der DNA im Zellkern auch mitochondriale DNA in den Mitochondrien, deren Replikation völlig unabhängig vom Nukleus abläuft. Hier ist die Information vieler Proteine, die für die Atmungskette notwendig sind, gespeichert.

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Aufbau des Zellkerns

Der Zellkern enthält als Träger der genetischen Erbinformation die Chromosomen. Der Mensch besitzt 46 Chromosomen, wovon 23 vom Vater und 23 von der Mutter stammen. Das 23. Paar bestimmt das Geschlecht: XX bedeutet weiblich und XY männlich. Das Erscheinungsbild der DNA variiert in den einzelnen Phasen des Zellzyklus. Nur während der Zellteilung verdichtet sich die DNA zu mikroskopisch sichtbaren Chromosomen, ansonsten liegt sie als fadenförmiges Chromatin vor. Ein Chromosom besteht aus zwei Chromatiden, die über eine Einschnürung, das Zentromer, miteinander verbunden sind.

Das Material aus dem die Chromosomen bestehen wird als Chromatin bezeichnet. Chromatin ist ein Komplex aus DNA mit basischen Proteinen, den sogenannten Histonen, und Nicht-Histon-Proteinen. Ein Molekül DNA bzw. RNA ist wiederum aus chemischen Grundbausteinen, den Nukleotiden, aufgebaut und besteht aus einem Zucker (Desoxyribose bei DNA bzw. Ribose bei RNA), einem saurem Phosphatrest und einer Base. Die Basen heißen Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin (bzw. Uracil bei der RNA).

Als Gene bezeichnet man funktionale Abschnitte auf der DNA, die alle notwendigen Informationen für die Transkription und Translation beinhalten und somit essentiell für den Bau von Proteinen sind. Die codierende Sequenz eines Gens ist aus einer bestimmten Abfolge von Basen aufgebaut, die als Zusammenschluss von drei Basen (Basentriplett) jeweils definierte Aminosäuren, also die kleinsten Einheiten eines Proteins, verschlüsseln.

Mikroskopisch lässt sich im Zellkern ein besonders dichter und dunkler Bereich erkennen, der Nucleolus (Kernkörperchen). Der Nucleolus ist eine Zusammenlagerung ribosomaler RNA (rRNA), die für die ribosomalen Untereinheiten codiert.

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Zellkerngröße

Eukaryotische Zellkerne haben in der Regel eine rundliche Form und einen Durchmesser von 5 - 16 µm. Der auffällige Nucleolus ist im Lichtmikroskop deutlich zu erkennen und hat einen Durchmesser von 2 - 6 µm. Generell ist das Aussehen und die Größe des Zellkerns stark von Zelltyp und Spezies abhängig.

Doppelmembran

Der Zellkern ist mit einer Doppelmembran vom Zytoplasma abgegrenzt. Diese Doppelmembran wird als Kernhülle bezeichnet und besteht aus einer inneren sowie einer äußeren Kernmembran, dazwischen liegt der perinukleäre Raum. Beide Membranen sind durch Poren miteinander verbunden und bilden so eine physiologische Einheit. Bei diesen Poren in der Membran handelt es sich um komplexe Kanäle mit einem Durchmesser von 60 bis 100 nm, die eine physiologische Barriere zwischen Kern und Zytoplasma bilden und so einen kontrollierten Stoffaustausch ermöglichen.

Generell bestehen Doppelmembranen immer aus einer Lipiddoppelschicht, in die verschieden Proteine eingebettet sind. Diese Proteine können mit verschiedenen Zuckerresten modifiziert sein und ermöglichen die spezifischen biologischen Funktionen der Kernmembran.

Wie alle Doppelmembranen weist die Kernhülle sowohl einen wasserliebenden (hydrophilen) als auch einen wassermeidenden (hydrophoben) Anteil auf und ist dadurch fett- und wasserlöslich (amphiphil). In wässrigen Lösungen bilden die polaren Lipide der Doppelmembran Aggregate und ordnen sich dabei so an, dass der hydrophile Anteil dem Wasser zugewandt ist, wohingegen die hydrophoben Teile der Doppelschicht sich aneinander lagern. Dieser spezielle Aufbau schafft die Voraussetzung für die selektive Permeabilität der Doppelmembran, das heißt, dass Zellmembranen nur für gewisse Stoffe durchlässig sind.

Die Kernhülle dient neben dem geregelten Stoffaustausch auch der Abgrenzung (Kompartimentierung) des Zellkerns und bildet eine physiologische Barriere, sodass nur gewisse Substanzen in den Zellkern hinein und hinaus gelangen.

Der Zellkern einer Nervenzelle

Nervenzellen (Neurone) sind terminal differenzierte Zellen, sie können sich im Gegensatz zu anderen Zellen also nicht mehr teilen. Neurone besitzen jedoch die Fähigkeit zur Regeneration und gezieltes Wiederholen von Aufgaben („Gehirntraining“) erhöht die Plastizität des Gehirns.

Der Zellkern sitzt im Zellkörper (Soma) der Nervenzelle. Die Kernhülle enthält Myelin, eine spezifisch im Nervensystem vorkommende Substanz, und weist im Vergleich zu anderen Doppelmembranen nur einen geringeren Proteinanteil auf.

Die Aufnahme und Weiterleitung von Informationen in Form elektrischer Impulse (Aktionspotentiale) ist die wichtigste Aufgabe von Neuronen. Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe über die Nervenzellen untereinander kommunizieren können. Als Steuerzentrale des Neurons reguliert der Zellkern vor allem die Produktion der unterschiedlichen Botenstoffe sowie die Expression der jeweiligen Rezeptoren.

Durch Binden eines Neurotransmitters an den passenden Rezeptor wird die entsprechende Wirkung auf die Nervenzelle übertragen. Dabei ist entscheidend, dass es keine transmitterspezifische Wirkungen, sondern nur rezeptorspezifische Wirkungen gibt. Das heißt, dass die Wirkung des Botenstoffes vom Rezeptor abhängt.

Aufgaben des Zellkerns

Im Zellkern laufen zwei elementare biologische Prozesse ab: einerseits die Replikation der DNA und andererseits die Transkription, das heißt die Umschreibung von DNA in RNA. Während der Zellteilung (Mitose) kommt es zur Verdopplung der DNA (Replikation). Erst nachdem die gesamte genetische Information verdoppelt worden ist, kann sich die Zelle teilen und dadurch die Grundlage für Wachstum und Zellerneuerung bilden.

Bei der Transkription wird einer der beiden Stränge der DNA als Vorlage genutzt und in eine komplementäre RNA-Sequenz umgewandelt. Eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren bestimmen welche Gene transkribiert werden. Die resultierende RNA wird in vielen weiteren Schritten modifiziert. Das stabile Endprodukt, das in das Zytoplasma exportiert und letztlich in Proteinbausteine translatiert werden kann, wird als messenger RNA (mRNA) bezeichnet.

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Qualitätssicherung durch: Dr. Nicolas Gumpert      |     Letzte Änderung: 11.01.2018
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