Zellkern Anatomie: Kernhülle, Nucleolus, Chromatin & Kernplasma

Der Zellkern: Aufbau und Funktion

Der Zellkern enthält die Kernmembran und Chromatinfasern. Er ist sehr aktiv und bereitet sich auf die spätere Transkription und Translation vor. Auch vor der Zellteilung findet die DNA-Duplikation statt. Im Zellkern finden wir zudem das Kernplasma und den Nucleolus (oder mehrere Nucleoli).

Während der Zellteilung treten wichtige Veränderungen auf: Das Chromatin kondensiert und bildet Strukturen, die als Chromosomen bezeichnet werden. Danach löst sich die Kernhülle auf. Auf diese Weise sind die Chromosomen im Zytoplasma frei zugänglich. Die Nucleoli lösen sich ebenfalls auf.

Besonderheiten des Zellkerns

• Standardmäßig enthält eine Zelle einen Nucleolus.
• Es kann vorkommen, dass Zellen verschmelzen und Kerne zusammenkommen, wodurch eine Zelle mit mehreren Kernen entsteht. Dies wird als Synzytium bezeichnet.
• Ebenso können aufeinanderfolgende Kernteilungen ohne Zytoplasmateilung stattfinden, was zur Bildung eines Plasmodiums führt.
• In pflanzlichen Zellen ist der Kern meist scheibenförmig und oft an die Peripherie der Vakuole verdrängt.
• Bei tierischen Zellen ist er meist kugelförmig und befindet sich oft zentral.
• Die Größe ist variabel, liegt aber in der Regel zwischen 5 und 25 Mikrometern.
• Für jede Zellart gibt es ein nucleoplasmatisches Verhältnis, das die Beziehung zwischen dem Volumen des Kerns und dem des Zytoplasmas beschreibt. Wenn dieses Verhältnis zu klein wird, wird die Zellteilung induziert. Dieser Wert ist zellartspezifisch.

Die Kernhülle: Struktur und Funktion

Die Kernhülle ist eine Doppelmembran, die das Kernplasma vom Zytoplasma trennt. Sie besitzt Poren, die den Austausch zwischen den beiden Kompartimenten ermöglichen.

Die äußere Membran ist 70 bis 90 Ångström dick und hat eine ähnliche Struktur wie die Plasmamembran. Zwischen den Membranen befindet sich der perinukleäre Raum. Darunter liegt die innere Membran, die der äußeren ähnelt. Beide Membranen gehen aus dem Endoplasmatischen Retikulum (ER) hervor, und an der äußeren Membran sind Ribosomen angelagert.

Die innere Membran dient als Verankerung für die Kernlamina, ein Netzwerk aus faserigen Proteinen, das sich unterhalb der inneren Membran befindet. Die Kernporen sind Öffnungen mit einem Durchmesser von etwa 800 Ångström. Jede Pore ist von einem Komplex aus Proteinen umgeben, dem Kernporenkomplex. Dieser Komplex erstreckt sich über die gesamte Dicke der Membran.

Er besteht aus acht Ribonukleoproteinen, die einen ringförmigen Aufbau bilden. Der äußere Durchmesser des Kernporenkomplexes beträgt etwa 100 Ångström, der innere 700 Ångström. Der zentrale Kanal wird von acht Proteinteilchen gebildet, die einen kegelförmigen Raum von etwa 100 Ångström freilassen. Ein weiteres zentrales Protein kann die Pore blockieren. Dieses Protein reguliert den Transport von Substanzen.

Funktionen der Kernhülle

• Trennung des Kernplasmas vom Zytoplasma.
• Regulierter Stoffaustausch durch die Kernporen.
• Die innere Membran dient als Verankerung für Chromatinfasern, die an der Chromosomenbildung beteiligt sind.
• Sie ist auch an der Neubildung der Kernhülle und der Verteilung der Chromatinmassen während der Kernteilung beteiligt.

Das Kernplasma: Zusammensetzung und Aufgaben

Das Kernplasma ist die innere Umgebung des Zellkerns, eine kolloidale Dispersion, die aus Wasser, Nukleotiden und verschiedenen Molekülen (Enzyme, Proteine, Ionen) besteht. Es enthält auch ein Netzwerk fibrillärer Proteine, ähnlich dem Zytoskelett.

Funktionen des Kernplasmas

Es ist der Ort der DNA-Synthese und der RNA-Synthese (Transkription).

Der Nucleolus: Aufbau und Bedeutung

Der Nucleolus ist ein sphärisches Körperchen ohne eigene Membran. Er ist etwa 3 Mikrometer groß und erscheint nur in den Zellkernen. Normalerweise gibt es nur einen, es können aber auch zwei vorhanden sein. Oozyten von Amphibien können Hunderte von Nucleoli besitzen. Er besteht aus RNA und Proteinen.

Wir unterscheiden zwei Zonen:

• Die fibrilläre Zone (bestehend aus 45S prä-rRNA und Proteinen).
• Die granuläre Zone (gebildet aus reifer rRNA und Proteinen).

Funktionen des Nucleolus

In der fibrillären Zone befinden sich spezifische DNA-Bereiche, die für die Synthese der nucleolären DNA verantwortlich sind. Diese Bereiche werden als nucleoläre Organisatoren bezeichnet. Die Gene in diesen Bereichen sind wiederholt vorhanden. Verschiedene RNA-Polymerasen transkribieren diese Gene, wodurch unterschiedliche prä-rRNAs gebildet werden. Diese prä-rRNAs unterschiedlicher Länge bilden eine federartige Struktur.

In der granulären Zone werden die prä-rRNAs gespalten und mit ribosomalen Proteinen zu reifen rRNAs und anschließend zu ribosomalen Untereinheiten zusammengefügt. Diese Untereinheiten gelangen dann durch die Kernporen ins Zytoplasma. Der Nucleolus ist somit eine „Ribosomenfabrik“.

Das Chromatin: Struktur und Typen

Chromatin besteht aus DNA-Filamenten und Proteinen (hauptsächlich Histonen). Es gibt so viele Chromatinstränge, wie Chromosomen während der Zellteilung vorhanden sind. Diese Filamente bilden eine Art Knäuel und sind an bestimmten Punkten mit der Kernlamina verbunden oder stehen in Kontakt mit der Kernhülle.

Typen von Chromatin

• Heterochromatin: Bleibt während der Interphase kondensiert. Es gibt zwei Typen:
  • ***Konstitutives Heterochromatin:*** Ist in allen Zellen des Körpers kondensiert.
  • ***Fakultatives Heterochromatin:*** Ist in einigen Zellen kondensiert, in anderen jedoch nicht.
• Euchromatin: Dekondensiert während der Interphase.

Chromatin ist in Form von 100 Ångström dicken Fasern organisiert. Die DNA wickelt sich um Histon-Oktamere, um Nukleosomen zu bilden. Es kann locker oder stärker kondensiert vorliegen, insbesondere wenn die Nukleosomen an Histon H1 binden.

Funktionen des Chromatins

• Verantwortlich für die Bewahrung und Weitergabe genetischer Informationen, die in der DNA gespeichert sind.
• Nutzung dieser Informationen zur Transkription von RNA und zur Translation in Proteine.
• Nur das dekondensierte Chromatin (Euchromatin) wird transkribiert.