Zellbiologie: Zellkern, Mitochondrien und Chloroplasten

Der Zellkern (Nucleus)

Der Zellkern ist das wichtigste Organell eukaryotischer Zellen, sowohl bei Tieren als auch bei Pflanzen. Er enthält das Genom der Zelle und ist der Ort der DNA-Replikation sowie der RNA-Synthese. Die meisten Zellen besitzen einen einzelnen Zellkern, wobei es Ausnahmen gibt: Säugetier-Erythrozyten besitzen beispielsweise keine Kerne, Hepatozyten können zwei Kerne aufweisen und Osteoklasten sind oft mehrkernig.

Interphase-Kern

In tierischen Zellen nimmt der ruhende Kern meist eine zentrale Stellung ein, während er in Pflanzenzellen aufgrund der Vakuolen oft exzentrisch liegt. Er gliedert sich in: Kernmembran, Kernplasma, Chromatin und Nukleolus.

Kernhülle

Die Kernhülle trennt den Kerninhalt vom Zytoplasma und besteht aus:

• Äußere Kernmembran: Sie ist mit Ribosomen besetzt und steht in direkter Verbindung mit dem rauen und glatten endoplasmatischen Retikulum (ER).
• Innere Kernmembran: Ihre Innenseite ist mit einem nuklearen Proteinnetzwerk (Kernlamina) ausgekleidet, das dem Kern Stabilität verleiht.

Kernplasma und Chromatin

Das Kernplasma ist ein wässriges Medium, das Enzyme und Proteine für nukleare Aktivitäten wie DNA-Replikation und -Synthese enthält. Das Chromatin ist das genetische Material des Interphase-Kerns und besteht aus DNA-Fibrillen, die mit Histonen verbunden sind.

Arten des Chromatins

• Heterochromatin: Kondensiert, stark gefärbt und transkriptionell inaktiv.
• Euchromatin: Aufgelockert und transkriptionell aktiv.

Der Nukleolus (Kernkörperchen)

Der Nukleolus ist eine kugelförmige Struktur ohne eigene Membran. Er ist der Ort der ribosomalen Untereinheiten-Synthese. Die Anzahl der Nukleolen hängt von der zellulären Aktivität ab. Sie befinden sich an den Nucleolus Organizer Regions (NOR) der Chromosomen, wo rRNA transkribiert wird.

Chromosomenstruktur

Während der Mitose kondensiert das Chromatin zu Chromosomen:

• Schwesterchromatiden: Zwei identische Längshälften, die durch das Zentromer verbunden sind.
• Zentromer: Verbindungsstelle und Ansatzpunkt für die Spindelfasern.
• Kinetochoren: Proteinstrukturen am Zentromer für die Anheftung der Mikrotubuli.
• Telomere: Schützende Enden der Chromosomen.

Energetische Organellen

Mitochondrien und Chloroplasten sind für den Energiestoffwechsel eukaryotischer Zellen verantwortlich.

Mitochondrien

Sie produzieren durch Zellatmung die für die Zelle notwendige Energie (ATP). Sie besitzen eine Doppelmembran, wobei die innere Membran zur Oberflächenvergrößerung in Falten (Cristae) gelegt ist. Die mitochondriale Matrix enthält eigene DNA (mtDNA) und Mitoribosomen.

Plastiden

Diese Organellen kommen nur in Pflanzenzellen vor:

• Chromoplasten: Speichern Pigmente (z. B. Chloroplasten mit Chlorophyll).
• Leukoplasten: Farblos, dienen der Speicherung von Stärke (Amyloplasten), Ölen (Oleoplasten) oder Proteinen (Proteinoplasten).

Chloroplasten

Sie sind für die Photosynthese verantwortlich. Sie besitzen eine Doppelmembran und ein komplexes internes Membransystem, die Thylakoide, die in Stapeln (Grana) angeordnet sind. Im Stroma finden der Calvin-Zyklus und die Synthese von Proteinen statt.

Endosymbiontentheorie

Mitochondrien und Chloroplasten stammen vermutlich von aeroben Bakterien bzw. Cyanobakterien ab, die von einer frühen eukaryotischen Zelle aufgenommen wurden. Dies wird durch ihre eigene DNA, ihre bakterienähnlichen Ribosomen und ihre Vermehrung durch Zweiteilung gestützt.