Der Zellkern

Der Zellkern oder Nukleus ist das größte Organell einer Zelle und liegt im Zytoplasma eukaryotischer Zellen. Der durch eine Doppelmembran (Kernhülle) begrenzte rundliche Zellkern beinhaltet die in Chromatin verpackte genetische Information, die Desoxyribonukleinsäure (DNA). Als Speicher der Erbinformation hat der Zellkern eine zentrale Bedeutung für die Vererbung.

Alle menschlichen Zellen außer Erythrozyten besitzen einen Zellkern, in dem die DNA in Form von Chromosomen vorliegt. Der Zellkern reguliert und steuert alle Prozesse, die in einer Zelle ablaufen. Beispielsweise die Anleitung zur Synthese von Proteinen, die Weitergabe der Erbinformation, die Zellteilung und verschiedene Stoffwechselvorgänge.

Neben der Speicherung der Erbinformation zählen die Verdopplung (Replikation) der DNA und die Synthese von Ribonukleinsäuren (RNA) durch Umschreibung der DNA (Transkription), sowie die Modifizierung dieser RNA (Prozessierung) zu den wichtigsten Funktionen des Zellkerns.

Der Mensch besitzt neben der DNA im Zellkern auch mitochondriale DNA in den Mitochondrien, deren Replikation völlig unabhängig vom Nukleus abläuft. Hier ist die Information vieler Proteine, die für die Atmungskette notwendig sind, gespeichert.

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Unter der Zellkernsubstanz versteht man die im Zellkern verschlüsselte genetische Information. Diese ist auch als DNA (Desoxyribonukleinsäure) bekannt. Ein Molekül DNA bzw. RNA ist wiederum aus chemischen Grundbausteinen, den Nukleotiden, aufgebaut und besteht aus einem Zucker (Desoxyribose bei DNA bzw. Ribose bei RNA), einem saurem Phosphatrest und einer Base. Die Basen heißen Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin (bzw. Uracil bei der RNA).Einzigartig wird die DNA durch die festgelegte Abfolge der vier Basen, die sich bei jedem Menschen unterscheidet.

Die DNA liegt nicht als freier Strang vor, sondern ist um spezielle Proteine (Histone) gewickelt, was man zusammen als Chromatin bezeichnet.Wird dieses Chromatin weiter komprimiert, entstehen letzten Endes die Chromosomen, die in der Metaphase der Mitose unter dem Mikroskop sichtbar werden. Die stabförmigen Körperchen sind somit die Träger der genetischen Erbinformation und an der Zellkernteilung beteiligt. Eine normale menschliche Körperzelle hat 46 Chromosomen, die in Paaren angeordnet sind (doppelter oder diploider Chromosomensatz). Dabei stammen 23 Chromosomen von der Mutter und 23 Chromosomen vom Vater.

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Des Weiteren ist im Zellkern das Kernkörperchen (Nukleolus) enthalten, das als verdichtete Zone besonders auffällig ist. Es besteht aus ribosomaler RNA (rRNA).

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Das Karyoplasma wird auch als Kernplasma oder Nukleoplasma bezeichnet. Es beschreibt die Strukturen, die innerhalb der Kernmembran liegen. Im Gegensatz dazu gibt es noch das Zytoplasma, welches von der äußeren Zellmembran (Plasmalemm) begrenzt wird.

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Diese beiden Räume bestehen in weiten Teilen aus Wasser und verschiedenen Zusätzen. Ein wichtiger Unterschied zwischen Karyoplasma und Zytoplasma sind die unterschiedlichen Konzentrationen an Elektrolyten, wie zum Beispiel Cl- (Chlorid) und Na+(Natrium). Dieses spezielle Milieu im Karyoplasma stellt die optimale Umgebung für die Vorgänge der Replikation und Transkription dar. Ins Karyoplasma eingelagert sind noch das Chromatin, das das genetische Erbgut beinhaltet und das Kernkörperchen (Nukleolus).

Eukaryotische Zellkerne haben in der Regel eine rundliche Form und einen Durchmesser von 5 - 16 µm. Der auffällige Nucleolus ist im Lichtmikroskop deutlich zu erkennen und hat einen Durchmesser von 2 - 6 µm. Generell ist das Aussehen und die Größe des Zellkerns stark von Zelltyp und Spezies abhängig.

Der Zellkern ist mit einer Doppelmembran vom Zytoplasma abgegrenzt. Diese Doppelmembran wird als Kernhülle bezeichnet und besteht aus einer inneren sowie einer äußeren Kernmembran, dazwischen liegt der perinukleäre Raum. Beide Membranen sind durch Poren miteinander verbunden und bilden so eine physiologische Einheit (siehe nächster Abschnitt).

Generell bestehen Doppelmembranen immer aus einer Lipiddoppelschicht, in die verschieden Proteine eingebettet sind. Diese Proteine können mit verschiedenen Zuckerresten modifiziert sein und ermöglichen die spezifischen biologischen Funktionen der Kernmembran.

Wie alle Doppelmembranen weist die Kernhülle sowohl einen wasserliebenden (hydrophilen) als auch einen wassermeidenden (hydrophoben) Anteil auf und ist dadurch fett- und wasserlöslich (amphiphil). In wässrigen Lösungen bilden die polaren Lipide der Doppelmembran Aggregate und ordnen sich dabei so an, dass der hydrophile Anteil dem Wasser zugewandt ist, wohingegen die hydrophoben Teile der Doppelschicht sich aneinander lagern. Dieser spezielle Aufbau schafft die Voraussetzung für die selektive Permeabilität der Doppelmembran, das heißt, dass Zellmembranen nur für gewisse Stoffe durchlässig sind.

Die Kernhülle dient neben dem geregelten Stoffaustausch auch der Abgrenzung (Kompartimentierung) des Zellkerns und bildet eine physiologische Barriere, sodass nur gewisse Substanzen in den Zellkern hinein und hinaus gelangen.

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Bei den Poren in der Membran handelt es sich um komplexe Kanäle mit einem Durchmesser von 60 bis 100 nm, die eine physiologische Barriere zwischen Kern und Zytoplasma bilden. Sie werden für den Transport von bestimmten Molekülen zum oder vom Zellkern benötigt.

Zu diesen Molekülen gehört zum Beispiel die mRNA, die eine große Bedeutung bei der Replikation und der anschließenden Translation spielt. Die DNA wird im Zellkern zunächst abgeschrieben, sodass die mRNA entsteht. Diese Kopie des Erbguts verlässt über eine Kernpore den Zellkern und gelangt zu den Ribosomen, wo die Translation stattfindet. 

Im Zellkern laufen zwei elementare biologische Prozesse ab: einerseits die Replikation der DNA und andererseits die Transkription, das heißt die Umschreibung von DNA in RNA.

Während der Zellteilung (Mitose) kommt es zur Verdopplung der DNA (Replikation). Erst nachdem die gesamte genetische Information verdoppelt worden ist, kann sich die Zelle teilen und dadurch die Grundlage für Wachstum und Zellerneuerung bilden.

Bei der Transkription wird einer der beiden Stränge der DNA als Vorlage genutzt und in eine komplementäre RNA-Sequenz umgewandelt. Eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren bestimmen, welche Gene transkribiert werden. Die resultierende RNA wird in vielen weiteren Schritten modifiziert. Das stabile Endprodukt, das in das Zytoplasma exportiert und letztlich in Proteinbausteine translatiert werden kann, wird als messenger RNA (mRNA) bezeichnet.

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Unter einer Zellkernteilung versteht man die Teilung eines Zellkerns, welche auf zwei verschiedene Arten erfolgen kann. Die beiden Typen, Mitose und Meiose, unterscheiden sich in ihrem Ablauf und auch in ihrer Funktion. Je nach Art der erfolgten Zellkernteilung erhält man unterschiedliche Tochterzellen.  

Nach Ablauf der Mitose hat man zwei zur Mutterzelle identische Tochterzellen, die auch einen diploiden Chromosomensatz haben. Dieser Art der Zellkernteilung überwiegt im menschlichen Organismus. Ihre Funktion ist die Erneuerung sämtlicher Zellen, wie zum Beispiel die der Hautzellen oder die der Schleimhautzellen. Die Mitose läuft in mehreren Phasen ab, wobei es aber nur eine wirkliche Chromosomenteilung gibt.

Im Gegensatz dazu besteht die Meiose aus insgesamt zwei Kernteilungen. Das Ergebnis einer abgeschlossenen Meiose sind vier Zellen, die einen haploiden Chromosomensatz beinhalten. Diese Keimzellen sind erforderlich für die geschlechtliche Fortpflanzung und finden sich daher nur in Geschlechtsorganen wieder.

Bei der Frau sind es die Eizellen, die von Geburt an in den Eierstöcken vorhanden sind. Bei männlichen Organismen werden die Spermien in den Hoden hergestellt und stehen zur Befruchtung bereit.
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Wenn Eizelle und Spermium während der Befruchtung verschmelzen, entsteht aus zwei haploiden Chromosomensätzen eine Zelle mit einem diploiden Chromosomensatz. 

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Unter einem Zellkerntransfer (Synonym: Zellkerntransplantation) versteht man die Einbringung eines Zellkerns in eine kernlose Eizelle. Diese wurde im Vorfeld beispielsweise durch Einsatz von UV-Strahlung künstlich hergestellt. Die nun kernhaltige Eizelle kann im Anschluss in ein geschlechtsreifes Individuum eingesetzt und ausgetragen werden. Die ehemals kernlose Zelle bekommt auf diese Art genetische Information zugeführt und verändert sich daraufhin. 

Dieses Verfahren stellt eine Art der ungeschlechtlichen Befruchtung dar und wurde 1968 erstmals angewendet. Es gibt therapeutische Ansätze, die das Ziel haben aus Stammzellen spezifische Gewebe herzustellen, die für Transplantationen verwendet werden können. Des Weiteren kann der somatische Zellkerntransfer für das Klonen angewandt werden. Erlaubt ist dies jedoch aus ethischen Gründen nur bei Tieren, wobei es auch hier umstritten ist, da während dieses Prozesses  viele Tiere versterben oder krank zur Welt kommen. Das wohl bekannteste Bespiel ist das geklonte Schaf Dolly. Genetisch war dieses geklonte Schaf identisch mit seinem Muttertier.

Nervenzellen (Neurone) sind terminal differenzierte Zellen. Sie können sich im Gegensatz zu anderen Zellen also nicht mehr teilen. Neurone besitzen jedoch die Fähigkeit zur Regeneration und gezieltes Wiederholen von Aufgaben („Gehirntraining“) erhöht die Plastizität des Gehirns.

Der Zellkern sitzt im Zellkörper (Soma) der Nervenzelle. Die Kernhülle enthält Myelin, eine spezifisch im Nervensystem vorkommende Substanz, und weist im Vergleich zu anderen Doppelmembranen nur einen geringeren Proteinanteil auf.

Die Aufnahme und Weiterleitung von Informationen in Form elektrischer Impulse (Aktionspotentiale) ist die wichtigste Aufgabe von Neuronen. Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, über die Nervenzellen untereinander kommunizieren können. Als Steuerzentrale des Neurons reguliert der Zellkern vor allem die Produktion der unterschiedlichen Botenstoffe sowie die Expression der jeweiligen Rezeptoren.

Durch Binden eines Neurotransmitters an den passenden Rezeptor wird die entsprechende Wirkung auf die Nervenzelle übertragen. Dabei ist entscheidend, dass es keine transmitterspezifische Wirkungen, sondern nur rezeptorspezifische Wirkungen gibt. Das heißt, dass die Wirkung des Botenstoffes vom Rezeptor abhängt.