Aufgaben des Zellkerns

Der Zellkern (Nukleus) bildet das größte Organell eukaryotischer Zellen und liegt, durch eine Doppelmembran (Kernhülle) abgegrenzt, im Zytoplasma. Als Träger der Erbinformation enthält der Zellkern die genetische Information in Form von Chromosomen (DNA-Strang) und spielt somit eine wesentliche Rolle bei der Vererbung. Die meisten Zellen von Säugetieren haben nur einen Kern; dieser ist rundlich und hat einen Durchmesser von 5 bis 16 Mikrometer. Bei bestimmten Zelltypen, wie z.B. Muskelfasern oder spezialisierte Zellen im Knochen, kann mehr als ein Zellkern vorliegen.

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Der Zellkern ist das wichtigste Organell einer Zelle und macht 10 -15 % des Zellvolumens aus. Der Zellkern enthält den größten Teil der genetischen Information einer Zelle. Im Menschen enthalten neben dem Zellkern auch die Mitochondrien DNA („mitochondriale DNA“). Das mitochondriale Genom codiert aber nur für wenige Proteine, die vor allem in der Atmungskette zur Energiegewinnung benötigt werden.

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• Mitochondrien
• Zellatmung beim Menschen (Atmungskette)

Als Speicher der Desoxyribonukleinsäure (DNA) gilt der Zellkern als Steuerzentrum der Zelle und reguliert viele wichtige Prozesse des Zellstoffwechsels. Der Zellkern ist essentiell für die Funktion einer Zelle.  Zellen ohne Zellkern können in der Regel nicht überleben. Eine Ausnahme davon bilden die kernlosen roten Blutkörperchen (Erythrozyten). Zu den Aufgaben des Zellkerns zählen neben regulatorischen Funktionen die Speicherung, Verdopplung und Weitergabe der DNA.

Die DNA liegt in Form einer langen, strangförmigen Doppelhelix im Zellkern und ist dort mit Kernproteinen, den Histonen, kompakt zu Chromosomen verpackt. Chromosomen bestehen aus Chromatin, das sich nur während der Zellteilung zu den mikroskopisch sichtbaren Chromosomen verdichtet. Jede Zelle des Menschen enthält 23 Chromosomen in jeweils doppelter Ausführung, die von beiden Elternteilen vererbt werden. Die eine Hälfte der Gene in einer Zelle stammt also von der Mutter, die andere vom Vater.

Der Zellkern steuert Stoffwechselprozesse innerhalb der Zelle durch Botenmoleküle aus RNA. Die genetische Information kodiert für Proteine, die für Funktion und Struktur der Zelle verantwortlich sind. Bei Bedarf werden bestimmte Abschnitte auf der DNA, die man als Gene bezeichnet, in einen Botenstoff (messenger RNA oder mRNA) umgeschrieben.Die gebildete mRNA verlässt den Zellkern und dient als Vorlage für die Synthese der jeweiligen Proteine.

Man kann sich das so vorstellen, dass die DNA eine Art verschlüsselte Sprache ist, die aus vier Buchstaben besteht. Das sind die vier Basen: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Diese Buchstaben bilden Wörter, die aus jeweils drei Basen bestehen und Codons genannt werden.

Jedes Codon codiert für eine bestimmte Aminosäure und bildet so die Grundlage für die Proteinbiosynthese, denn durch Aneinanderhängen der jeweiligen Aminosäuren wird die Basenabfolge der Gene in ein Protein übersetzt. Die Gesamtheit dieser verschlüsselten Information nennt man den genetischen Code. Die spezifische Abfolge der Basen macht unsere DNA einzigartig und bestimmt unsere Gene. 

Doch nicht nur Basen sind am Aufbau der DNA beteiligt. Die DNA setzt sich nämlich aus aneinander gereihten Nukleotiden  zusammen, die wiederum aus einem Zucker, einem Phosphat und einer Base bestehen. Die Nukleotide stellen das Rückgrat der DNA da, die in Form einer schraubenförmigen Doppelhelix vorliegt. Darüber hinaus wird dieser Strang weiter kondensiert, damit er in den kleinen Zellkern hinein passt. Dann spricht man auch von Chromosomen als Verpackungsform der DNA. Bei jeder Zellteilung wird die komplette DNA kopiert, sodass auch jede Tochterzelle wieder die vollständige identische genetische Information beinhaltet.

Ein Chromosom ist eine bestimmte Verpackungsform unseres Erbgutes (DNA), die nur während der Zellteilung sichtbar ist. Die DNA ist eine lineare Struktur, die viel zu lang ist, um in ihren natürlichen Zustand in unseren Zellkern hinein zu passen. Gelöst wird dieses Problem durch verschiedene platzsparenden Spiralisierungen der DNA und Einbau von kleinen Proteinen, um die sich die DNA weiter wickeln kann. Die kompakteste Form der DNA sind die Chromosomen. Diese stellen sich unter dem Mikroskop als stäbchenförmige Körperchen mit einer zentralen Einschnürung dar. Diese Form der DNA lässt sich nur während der Zellteilung, also während der Mitose beobachten. Die Zellteilung wiederum lässt sich in mehrere Phasen unterteilen, wobei die Chromosomen in der Metaphase am besten darzustellen sind. Die normalen Körperzellen haben einen doppelten Chromosomensatz, der aus 46 Chromosomen besteht.   

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Die RNA beschreibt die Ribonukleinsäure, welche einen ähnlichen Aufbau wie die DNA hat. Jedoch handelt es sich hierbei um eine Einzelstrangstruktur, die sich in einzelnen Bausteinen von der DNA unterscheidet. Zudem ist die RNA auch viel kürzer als die DNA und hat im Vergleich zu ihr auch mehrere unterschiedliche Aufgaben. So kann die RNA nochmals in unterschiedlichen RNA-Untergruppen eingeteilt werden, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Die mRNA spielt unter anderem eine wichtige Rolle während der Zellkernteilung. Außerdem wird sie wie auch die tRNA bei der Herstellung von Proteinen und Enzymen gebraucht. Eine weitere Untergruppe der RNA ist die rRNA, die ein Bestandteil der Ribosomen ist und somit auch an der Produktion von Proteinen beteiligt ist.

Der erste Schritt der Proteinbiosynthese ist das Umschreiben der DNA in mRNA (Transkription) und findet im Zellkern statt. Dabei dient ein Strang der DNA als Vorlage für eine komplementäre RNA-Sequenz. Da innerhalb des Zellkerns aber keine Proteine hergestellt werden können, muss die gebildete mRNA ins Zytoplasma ausgeschleust und zu den Ribosomen gebracht werden, wo letztendlich die eigentliche Synthese der Proteine stattfindet. Innerhalb der Ribosomen wird die mRNA in eine Abfolge von Aminosäuren umgesetzt, die für den Aufbau von Proteinen verwendet werden. Dieser Vorgang wird als Translation bezeichnet.

Bevor die Boten-RNA aber aus dem Kern transportiert werden kann, wird sie erst in vielen Schritten prozessiert, das heißt bestimmte Sequenzen werden entweder angehängt oder herausgeschnitten und wieder zusammengefügt. Dadurch können aus einem Transkript verschiedene Proteinvarianten entstehen. Dieser Vorgang ermöglicht dem Menschen, mit relativ wenig Genen eine große Anzahl verschiedener Proteine herzustellen.

Eine weitere wichtige Funktion der Zelle, die im Zellkern abläuft ist die Verdopplung der DNA (Replikation). In einer Zelle herrscht ein ständiger Kreislauf aus Auf- und Abbau: alte Proteine, Schadstoffe und Stoffwechselprodukte werden abgebaut, neue Proteine müssen synthetisiert und Energie muss produziert werden. Außerdem wächst die Zelle und teilt sich in zwei identische Tochterzellen. Bevor eine Zelle sich jedoch teilen kann, muss zuerst die gesamte genetische Information verdoppelt werden. Das ist wichtig, denn das Erbgut aller Zellen innerhalb eines Organismus ist absolut identisch.

Die Replikation findet zu einem genau festgelegten Zeitpunkt der Zellteilung im Zellkern statt; beide Vorgänge sind eng miteinander gekoppelt und werden durch bestimmte Proteine (Enzyme) reguliert. Zuerst wird die doppelsträngige DNA aufgetrennt und jeder Einzelstrang dient als Vorlage für die nachfolgende Verdopplung. Dazu docken verschiedene Enzyme an der DNA an und ergänzen den Einzelstrang zu einer neuen Doppelhelix. Am Ende dieses Prozesses ist eine exakte Kopie der DNA entstanden, die bei der Teilung an die Tochterzelle weitergegeben werden kann.

Kommt es jedoch zu Fehlern in einer der Zellzyklusphasen, können verschiedene Mutationen sich entwickeln. Es gibt diverse Mutationsarten, die spontan während verschiedenen Zellzyklusphasen auftreten können. Ist ein Gen beispielsweise defekt, dann spricht man von einer Genmutation. Wenn der Fehler jedoch bestimmte Chromosomen bzw. Chromosomenteile betrifft, dann geht es um eine Chromosomenmutation. Ist die Chromosomenzahl betroffen, führt es dann zu einer Genommutation. 

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Die Doppelmembran der Kernhülle weist Poren auf, die dem selektiven Transport von Proteinen, Nukleinsäuren und Signalstoffen aus dem Kern hinaus bzw. hinein dienen.

Durch diese Poren gelangen bestimmte metabolische Faktoren und Signalstoffe in den Kern und beeinflussen dort die Transkription bestimmter Proteine. Die Umwandlung genetischer Information in Proteine ist streng überwacht und wird durch viele metabolische Faktoren und Signalstoffe reguliert, man spricht dabei von Genexpression. Viele Signalwege, die in einer Zelle stattfinden, enden im Nukleus und beeinflussen dort die Genexpression von bestimmten Proteinen.

Innerhalb des Nucleus von eukaryotischen Zellen befindet sich der Nucleolus, das Kernkörperchen. Eine Zelle kann ein oder mehrere Nucleoli enthalten, wobei Zellen, die sehr aktiv sind und sich häufig teilen, bis zu 10 Nucleolen enthalten können.

Das Kernkörperchen ist ein kugelförmiges, dichtes Gebilde, das unter dem Lichtmikroskop deutlich zu erkennen ist und sich innerhalb des Zellkerns klar abgrenzt. Es bildet einen funktionell eigenständigen Bereich des Kerns, ist dabei aber nicht von einer eigenen Membran umgeben. Der Nucleolus besteht aus DNA, RNA und Proteinen, die in einem dichten Konglomerat zusammenliegen. Im Nucleolus findet die Reifung der ribosomalen Untereinheiten statt. Je mehr Proteine in einer Zelle synthetisiert werden, desto mehr Ribosomen werden benötigt und daher besitzen stoffwechselaktive Zellen mehrere Kernkörperchen.

Der Zellkern in einer Nervenzelle hat vielfältige Funktionen. Lokalisiert ist der Zellkern einer Nervenzelle im Zellkörper (Soma) zusammen mit anderen Zellbestandteilen (Organellen), wie zum Beispiel dem endoplasmatischen Retikulum (ER) und dem Golgi-Apparat. Wie in allen Körperzellen beinhaltet der Zellkern die Erbinformation in Form der DNA. Andere Körperzellen sind durch das Vorhandensein der DNA in der Lage, sich über die Mitose zu verdoppeln. Nervenzellen sind jedoch sehr spezifische und hoch differenzierte Zellen, die einen Teil des Nervensystems darstellen. Dadurch sind sie nicht mehr in der Lage, sich zu verdoppeln. Jedoch übernimmt der Zellkern eine andere wichtige Aufgabe. Die Nervenzellen sind unter anderem für die Erregung unserer Muskeln zuständig, was letztlich zu Bewegung der Muskeln führt. Die Kommunikation zwischen den Nervenzellen untereinander und zwischen den Nervenzellen und den Muskeln erfolgt über Botenstoffe (Transmitter).  Diese chemischen Stoffe und auch andere wichtige lebenserhaltene Substanzen werden mit Hilfe des Zellkerns hergestellt. Dabei spielen nicht nur der Zellkern, sondern auch die anderen Bestandteile des Somas eine wichtige Rolle. Des Weiteren kontrolliert der Zellkern in sämtlichen Zellen, somit auch in Nervenzellen, sämtliche Stoffwechselwege. Dafür beinhaltet der Zellekern unsere gesamten Genen, die je nach Gebrauch abgelesen und in die benötigten Proteine und Enzyme übersetzt werden können.

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