Struktur und Funktion des Zellkerns: Interphase und Genexpression

Interphase Kerne: Konzept und Struktur

Konzept: Eigene Struktur, die vom Zytoplasma durch eine Membran umschlossen ist und als genetisches Gedächtnis der Zelle dient.

Grundlegende Unterscheidungen: Ermöglicht die Unterscheidung von Kernhülle, Chromatin, Nukleolus und Kernplasma.

1. Kernhülle (Envoltura Nuclear)

Besteht aus zwei Membranen, die durch einen perinukleären Raum getrennt sind und durch Kernporen verbunden werden. Die äußere Membran trägt Ribosomen auf ihrer Oberfläche.

Die Kernhülle besitzt auf der Seite des Kernplasmas eine dichte innere Membran, die als Kernlamina bezeichnet wird. Sie enthält drei wichtige Polypeptide (A, B, C) und dient der Unterstützung und Stärkung der Kernhülle.

Kernporen

• Jede Pore wird durch eine scheibenförmige Struktur, den Porenkomplex, begrenzt.
• Der Porenkomplex besteht aus acht Untereinheiten, die einen ringförmigen Hohlraum (Lumen) bilden.
• Von jedem Block ragen Protein-Fibrillen auf beiden Seiten der Anlage hervor.

Ring-Lamellen

In verschiedenen Zelltypen, insbesondere in den Gonaden, können im Zytoplasma Komplexe gefunden werden, die den Kernporenmembranen ähneln und von Lamellen umgeben sind.

Transport zwischen Zellkern und Zytoplasma

Funktionell diffundieren kleine Moleküle schnell durch den Porenkomplex. Große Moleküle benötigen jedoch einen aktiven Transportmechanismus, der durch nukleare Import-Rezeptoren vermittelt wird, welche die Poren erweitern.

Dies erfordert die Zusammenarbeit von Nukleoporinen, die das Zwerchfell erweitern lassen. Zusätzlich ist ein kurzes Signalpeptid erforderlich, das nach dem Eintritt entfernt wird.

2. Chromatin

Komponenten: Dies ist die häufigste Struktur im Kern und besteht aus DNA und Proteinen.

DNA

• Besteht aus zwei Nukleotidketten, die zusammen eine Doppelhelix um eine Achse bilden.
• Jedes Nukleotid besteht aus einem Zucker (einer Pentose), einem kovalent gebundenen Phosphat und einer stickstoffhaltigen Base.
• Vier Basen: Zwei Purine (Adenin und Guanin) und zwei Pyrimidine (Cytosin und Thymin). Diese halten die beiden Nukleotidketten durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammen.
• Die Basensequenz muss komplementär sein (Watson-Crick-Modell).
• Die DNA-Menge pro Zelle ist konstant und eine Funktion der Chromosomenzahl. Funktional stellt das DNA-Molekül die Vererbung dar.
• Die einzige variable Region in den Nukleinsäuren ist der Wechsel der Nukleobasen, was die genetische Information trägt. Das menschliche Genom enthält etwa 3 Milliarden Basenpaare, verteilt auf 46 Chromosomen.
• Gene sind Elemente, die die Informationen enthalten, welche die Eigenschaften der Art sowie jeder einzelnen Person bestimmen. Jedes Gen ist eine Nukleinsäuresequenz, die funktional ein Polypeptid kodiert.

Proteine

Man kann sie in zwei Gruppen einteilen:

• Histone: Globuläre Proteine, die sich durch einen hohen Gehalt an den Aminosäuren Arginin und Lysin auszeichnen. Es gibt fünf verschiedene Typen: H1, H2A, H2B, H3 und H4.
• Nicht-Histone:
  • Saure Proteine: Nucleoplasmin bindet Histone H2A und H2B; Protein N1 bindet an Histone H3 und H4. Sie bestehen auch aus sauren Abfallprodukten im Kernprotein.
  • Enzymproteine: Beteiligt an Funktionen, die an der DNA durchgeführt werden.

Organisation

• 10 nm-Faser: Die in dieser Struktur wiederholten Elemente werden Nukleosomen genannt und haben einen Durchmesser von 10 nm. Sie bilden die erste Reihe von Nukleosomen, die miteinander in Kontakt stehen. Jedes Nukleosom besteht aus zwei einzelnen Histonmolekülen, die ein Oktamer umgeben, das zwei Windungen des DNA-Moleküls umschließt. Dies ist das Modell der erweiterten Chromatinfaser.
• 30 nm-Faser: Es wird vorgeschlagen, dass sich die 10 nm-Faser wie eine Feder spiralförmig um eine Achse wickelt, was zu einem Durchmesser von 30 nm führt (Spulenmodell).
• Chromatin im Metaphasen-Chromosom: Das in der Interphase weit verbreitete Chromatin muss sich noch etwa 100-mal verdichten, um die Chromosomen in sich teilenden Zellen zu bilden.

3. Nukleolus

Komponenten: Eine Struktur ohne Membran, bei der man eine fibrilläre und eine granuläre Komponente unterscheiden kann.

Nukleoläre Organisatoren: Sie sind Teile des Kernchromatins, deren DNA (genannt rDNA) mehrere Gene für die Synthese von 3 der 4 ribosomalen RNAs enthält.

Kernfunktionen

Replikation

Jede sich teilende Zelle muss ihre DNA verdoppeln, um die genetische Information auf die Tochterzellen zu übertragen. Dies wird durch die DNA-Replikation ermöglicht, die semikonservativ ist: Jeder Strang dient als Vorlage für die Synthese neuer Nukleotidketten.

Mechanismus der Replikation

• Sie beginnt an Stellen mit speziellen Sequenzen, den Replikationsursprüngen (Initiationssignale).
• Nach dem Öffnen der Doppelhelix brechen die Wasserstoffbrückenbindungen durch die Wirkung des Enzyms DNA-Helikase.
• Die Trennung erfolgt, indem sich Proteine, die die Helix destabilisieren, an jeden DNA-Strang anlagern.
• An jedem Replikationsursprung bilden sich zwei Gabeln, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausdehnen; die DNA-Replikation ist daher bidirektional.
• Die Synthese der neuen Nukleotidkette wird durch das Enzym DNA-Polymerase katalysiert, welche die Bildung einer Phosphodiesterbindung zwischen dem 3'-Hydroxyl-Terminal eines RNA-Primers und einem Nukleotid katalysiert, dessen Stickstoffbase komplementär zur Nukleotidkette der Vorlage ist.
• Die DNA-Polymerase katalysiert die Reaktion so, dass das Kettenwachstum nur in Richtung 5' zu 3' erfolgt.
• Da die Stränge antiparallel sind, erfolgt die Synthese des Strangs, dessen Vorlage von 3' nach 5' verläuft, kontinuierlich (leitender Strang). Die Synthese des anderen Strangs ist diskontinuierlich und erfolgt in Form von Okazaki-Fragmenten (verzögerter Strang).
• Der leitende Strang benötigt nur einen RNA-Primer, während der verzögerte Strang für jedes Fragment einen RNA-Primer benötigt.
• Die DNA-Synthese am Folgestrang faltet sich zu einem Einzelstrangkomplex, sodass die Replikationsproteine für die Replikation beider Stränge genutzt werden können.
• Spezielle Proteine, Topoisomerasen, verhindern eine Überdrehung der DNA während der Replikationsgabelbewegung. Topoisomerase I erzeugt einen vorübergehenden Bruch in einem Einzelstrang, sodass sich die beiden Teile unabhängig voneinander drehen können. Topoisomerase II erzeugt vorübergehende Unterbrechungen in beiden Strängen.

DNA-Reparatur

• Die DNA-Polymerase besitzt eine Korrekturlese-Aktivität. Bevor ein neues Nukleotid an die wachsende Kette angefügt wird, prüft sie, ob das zuletzt hinzugefügte Nukleotid korrekt mit dem Template-Strang gepaart ist. Wenn nicht, entfernt die Polymerase das nicht gepaarte Nukleotid durch Schneiden der gerade gebildeten Phosphodiesterbindung.
• Dieser Korrekturlesemechanismus erklärt, warum die DNA-Polymerase die DNA-Synthese nur in 5'-3'-Richtung durchführt, trotz der Nachteile des Replikationsgabelmechanismus.
• Wenn an der Stelle, an der die Replikationsmaschinerie einen Fehler macht, ein nicht gepaartes Nukleotid nicht korrigiert wird, führt dies zu einer Mutation. Eine Änderung an einer entscheidenden Position der DNA-Sequenz kann die Funktion eines Gens zerstören.
• Die Zelle verfügt über einen Mechanismus zur Erfassung der DNA-Reparatur. Die Bedeutung der Fehlpaarungen beim Menschen wurde dadurch deutlich, dass eine erbliche Veranlagung für bestimmte Krebsarten durch Mutationen im Gen für ein Reparaturprotein verursacht wird. Das Erben eines beschädigten Gens im Reparatur-System macht eine Person anfällig für Krebs.

Transkription

Jacob und Monod postulierten die Notwendigkeit eines chemischen Vermittlers zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma (wo die Proteinsynthese stattfindet), was zur Aufklärung des zentralen Dogmas der Biologie führte: DNA $\rightarrow$ RNA $\rightarrow$ Protein.

Die RNA-Synthese erfolgt durch Transkription der DNA. Im Gegensatz zur DNA besteht RNA nur aus einem einzigen Strang von Nukleotiden, enthält Ribose anstelle von Desoxyribose und Uracil anstelle von Thymin.

RNA-Typen

• Messenger-RNA (mRNA): Eine lange Nukleotidkette, die im Zytoplasma die Informationen der Kern-DNA über die Reihenfolge der Aminosäuren für die Synthese eines bestimmten Proteins übermittelt.
• Transfer-RNA (tRNA): Eine Kette von Nukleotiden mit einer charakteristischen dreidimensionalen Konformation, der „Kleeblattstruktur“, die für ihre Funktion wichtig ist. tRNA identifiziert und transportiert die Aminosäuren zu den Ribosomen, wo die Proteinsynthese stattfindet.
• Ribosomale RNA (rRNA): Die Grundbestandteile der Ribosomen, den zellulären Organellen für die Proteinsynthese.

Allgemeine Transkriptionsmaschinerie

Diese ist am besten bei Bakterien bekannt.

1 GE