Zellkern, Zellzyklus und Mitose: Grundlagen

Der Zellkern (Interphase)

Der Zellkern variiert in der Größe zwischen 5 bis 10 nm und enthält die genetische Information. Er entspricht dem Zustand des Kerns in der Zellzyklus-Phase, in der keine Teilung stattfindet, und kommt in allen eukaryotischen Zellen vor.

Struktur und Lage

Die Zellgröße steht im Zusammenhang mit der Zytoplasmamenge und der direkten Arbeit in der Zelle. Die Position ist meist mittig, wobei Art und Form variieren können, um sich der Konfiguration der Zelle anzupassen. In isodiametrischen Zellen ist der Kern meist kugelförmig.

Bestandteile des Kerns

• Kernhülle
• Lamina nuclearis
• Plasma
• Chromatin
• Nukleolus
• Kernporenkomplex

Kernhülle

Sie umschließt die DNA und definiert das nukleare Verhalten. Es handelt sich um eine Doppelmembran mit einem inneren Raum, der perinukleären Zisterne genannt wird (25 bis 40 nm). Die innere Kernmembran verfügt über ein dichtes Material, bestehend aus drei Polypeptiden (Lamin A, B und C), die in einem quadratischen Raster angeordnet sind. Sie ist an der Organisation der Hülle sowie an deren Auflösung und Neubildung während der Mitose beteiligt.

Kernporenkomplex

Die Kernhülle wird von Poren mit einem Durchmesser von 50 bis 100 nm durchbohrt. Sie bestehen aus vier Haupteinheiten:

1. Säulige Untereinheit
2. Ring-Untereinheit
3. Luminale Untereinheit
4. Molekulare Transit-Untereinheiten

Der Transport vom Cytosol in den Zellkern umfasst Histone, DNA- und RNA-Polymerasen sowie Gen-regulatorische Proteine. Der Transport von Proteinen aus dem Zellkern in das Zytoplasma ist ein komplexer Prozess. Kleine Moleküle diffundieren passiv, während Makromoleküle durch energieabhängige selektive Mechanismen transportiert werden. Proteine benötigen hierfür ein zelluläres Lokalisationssignal.

Nukleolus

Der Nukleolus ist eine kugelförmige Struktur (Größe 1 bis 3 µm), die im Lichtmikroskop sichtbar ist. Seine Größe hängt vom Alter und dem funktionalen Zustand der Zelle ab. Er besteht aus:

1. Nukleoläre Organisatoren (NOR): Bereiche mit rRNA-Genen.
2. Körniger Teil (PG).
3. Faseriger Teil (PF).

Der Nukleolus nimmt etwa 25% des gesamten Zellvolumens ein.

Zellzyklus

Eine Zelle durchläuft eine geordnete Abfolge von Ereignissen, in denen sie ihren Inhalt verdoppelt und sich teilt, um zwei Tochterzellen zu erzeugen. Bei Einzellern entsteht ein neues Individuum, bei Mehrzellern dient dies der komplexen Zellteilung.

Phasen des Zellzyklus

• Interphase: Die längste Phase (95% des Zyklus). Das Chromatin ist nicht als Chromosom sichtbar. Intensive metabolische Aktivität zur Vorbereitung auf die Teilung.
• G1-Phase: Zeitraum des allgemeinen Wachstums und der Organellenbildung. Einige Zellen verbleiben spezialisiert in der G0-Phase (Ruhezustand). Hier liegt der R-Punkt (Restriktionspunkt), an dem die Zelle entscheidet, ob sie den Zyklus fortsetzt.
• S-Phase: Synthese von neuem genetischem Material und Histon-Proteinen (Dauer ca. 9 Stunden).
• G2-Phase: Premitotische Zeit. Die Zelle bereitet die Aufteilung vor, inklusive der Centriolen (Dauer 4 Stunden).
• M-Phase: Kürzeste Phase. Die Kernhülle zerfällt, das Chromatin verdichtet sich. Besteht aus Mitose und Zytokinese.

Regulation des Zellzyklus

Ein biochemisches Gerät aus regulatorischen Proteinen (Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDK)) koordiniert die Prozesse. Es gibt drei Checkpoints: Ende der G1-Phase, Ende der G2-Phase und Metaphase.

Cyclin-Klassen

• Cyclin G1 & G1/S: Aktivieren CDKs am Ende von G1 für die DNA-Replikation.
• Cyclin S: Notwendig für die DNA-Replikation.
• Cyclin F: Fördert Ereignisse der Mitose.

Der MPF (Mitosis Promoting Factor) fördert die Mitose durch Chromatinkondensation, Zerfall der Kernhülle, Fragmentierung von Golgi und ER sowie Bildung der Mikrotubuli.

Mitose

Prozess der Kernteilung, bei dem zwei Tochterkerne mit identischer genetischer Ausstattung entstehen. Besteht aus dem chromatischen Apparat (Chromosomen) und dem achromatischen Apparat (Centriolen, Astern, Spindel).

Phasen der Mitose

• Prophase: Chromosomen werden sichtbar, Kernhülle zerfällt, Teilungsspindel bildet sich.
• Prometaphase: Die mitotische Spindel verbindet sich mit den Kinetochoren der Chromosomen.
• Metaphase: Chromosomen bilden die Äquatorialplatte.
• Anaphase: Trennung der Chromosomen und Wanderung zu den Polen durch Verkürzung der Kinetochor-Mikrotubuli.
• Telophase: Migration abgeschlossen, Chromatin entspiralisiert sich, Nukleolus und Kernhülle bilden sich neu.
• Zytokinese: Trennung des Zytoplasmas. Bei Tieren durch einen kontraktilen Ring aus Aktin und Myosin, bei Pflanzen durch die Bildung einer Zellplatte (Fragmoplast).