Der Zellkern: Aufbau, Funktion und Struktur

Der Zellkern als Kontrollzentrum

Der Zellkern ist das Zentrum der Kontrolle der eukaryotischen Zelle. Er enthält den Großteil der zellulären DNA und die genetischen Informationen für fast jede Genfunktion.

Morphologie und Zusammensetzung

In tierischen Zellen ist der Kern kugelförmig, in Pflanzenzellen ist der Zellkern hingegen unregelmäßig geformt. Der Kern enthält den Großteil der zellulären DNA in Form von eukaryotischen DNA-Molekülen. Diese DNA-Moleküle besitzen verschiedene Größen und bilden jeweils ein Chromosom. Der Kern enthält zudem eine große Anzahl von Proteinen sowie unterschiedliche Mengen an RNA.

Struktur des Zellkerns

Im Kern lassen sich vier wesentliche Bestandteile unterscheiden:

1. Kernhülle

Die Kernhülle ist doppelt ausgeführt. Sie wird durch eine innere Membran, die den Kern definiert, und eine äußere Membran, die in das Endoplasmatische Retikulum (ER) übergeht, gebildet. Die Porenkomplexe sind keine einfachen Öffnungen in der Membran, sondern besitzen eine komplexe Ringstruktur, an der Nukleoporine und andere Proteine beteiligt sind. Im zentralen Teil gibt es einen Kommunikationskanal, der den Austausch zwischen Kern und Zytoplasma ermöglicht.

2. Karyoplasma

Das Karyoplasma (Kernplasma) stellt das interne Milieu dar und steuert dessen Bestandteile. Darin befindet sich das Chromatin sowie eine sphärische Region, die als Nukleolus bezeichnet wird. Im Kernplasma befinden sich der Großteil der zellulären DNA, unterschiedliche Mengen an RNA und viele Proteine.

3. Kernmatrix (Nuclear Matrix)

Die Kernmatrix ist ein Netzwerk aus Proteinen und analog zum Zytoskelett aufgebaut. Dank seiner Verbindung mit der nuklearen Matrix ist das Chromatin in bestimmten Regionen des Kerns organisiert. Eine weitere Komponente ist die Lamina nuclearis, ein faseriges Protein, das aus filamentösen Proteinen besteht und an der inneren Membran des Zellkerns anliegt.

4. Nukleolus

Seine Aufgabe ist es, ribosomale RNA (rRNA) und Proteine zu produzieren, um daraus Ribosomen für das Zytoplasma zu bilden. Er besitzt eine körnige nukleoläre Struktur. Der Nukleolus ist annähernd sphärisch, sehr hell, frei von Membranen und reich an RNA. In seiner Struktur unterscheidet man:

• Cortex: Die körnige Randzone.
• Fibrilläre Zone: Bestehend aus nukleolärer RNA und Proteinen.

Das Chromatin und die Chromosomen

In der Interphase nimmt das Chromatin die Struktur von Nukleosomen-Filamenten an. Das Chromatin wird durch DNA und Proteine gebildet. Die DNA ist mit Proteinen assoziiert, wobei zwei Arten unterschieden werden: Histone und Nicht-Histon-Proteine.

Histone

Histone sind Proteine mit niedriger relativer Molekülmasse und sehr einfachem Aufbau. Sie lösen das Problem der DNA-Verpackung wie folgt:

• Organisation in Paketen aus 8 Molekülen (Oktamer).
• Der DNA-Strang ist um das Histon-Oktamer mit einer festen Anzahl an Nukleotiden gewickelt.

Nicht-Histon-Proteine

Diese Proteine sind sehr heterogen und können in zwei Kategorien unterteilt werden:

• Proteine mit struktureller Funktion.
• Proteine mit Funktionen bezüglich der DNA-Aktivität, wie Transkription, Replikation und deren Regulierung.

Kondensation zu Chromosomen

Wenn sich die Zelle zu teilen beginnt, verdichtet sich das Chromatin zu Chromosomenfasern. Um diese zu bilden, wird der Faden zu dicken Wicklungen aufgerollt. Zur Stabilisierung dieser Form spielen Nicht-Histon-Proteine, sogenannte Gerüstproteine (Scaffold Proteins), eine wichtige Rolle. Sie bilden ein Skelett um die dicken Filamente, um den Zustand der Chromosomenkondensation zu erreichen.

An einem Chromosom kann eine Verengung, das sogenannte Zentromer, unterschieden werden. Dieses unterteilt das Chromosom in zwei gleiche oder ungleiche Arme. Am Zentromer befindet sich das Kinetochor, eine Struktur, an der Mikrotubuli binden können. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Bewegung der Chromosomen während der Mitose. Die Enden der Chromosomen werden Telomere genannt und bestehen aus speziellen DNA-Sequenzen.

Typen von Chromosomen

Abhängig von der Position des Zentromers unterscheidet man:

• Metazentrisch: Das Zentromer ist mehr oder weniger mittig platziert.
• Akrozentrisch: Die Position des Zentromers macht die Arme deutlich ungleich.
• Telozentrisch: Das Zentromer liegt so nah an einem der Telomere, dass es praktisch nur einen Arm gibt.