Zellkern

Allgemeines

Der Zellkern ist dasjenige Zellorganell, das man sofort sieht, wenn man eine mit Methylenblau angefärbte Mundschleimhautzelle oder eine dünne Schicht von Zwiebelzellen mit dem Lichtmikroskop betrachtet.

Drei HeLa-Zellen, angefärbt mit einem blauen Farbstoff
Autor:TenOfAllTrades at English Wikipedia, Lizenz: Public domain

Auf der Abbildung 1 aus der engl. Wikipedia sieht man drei HeLa-Zellen. Das sind menschliche Zellen, die 1951 aus Krebszellen der Patientin Henrietta Lacks gewonnen und seit dem ständig kultiviert und vermehrt werden. Die zwei rechten Zellen befinden sich in der Interphase, die linke Zelle durchläuft gerade eine Mitose.

Der Durchmesser eines Zellkerns liegt bei etwa 5 µm ^[1]. Das ist einerseits recht klein, würde man 200 Zellkerne nebeneinander legen, wäre die Strecke nur 1 mm lang. Andererseits ist ein Zellkern viel größer als prokaryotische Zellen, die meistens nur 1 bis 2 µm lang sind.

Ein Zellkern, wie er sich im Elektronenmikroskop darstellt.
Micrograph of a cell nucleus published in Inside the Cell, a publication of the US National Institute of General Medical Sciences/National Institutes of Health.
This work is in the public domain in the United States because it is a work prepared by an officer or employee of the United States Government as part of that person’s official duties under the terms of Title 17, Chapter 1, Section 105 of the US Code

Auf diesem elektronenmikroskopischen Bild aus der engl. Wikipedia kann man gut die doppelte Membran erkennen, die den Zellkern umgibt; man sieht sogar einige Kernporen, wenn man genau hinschaut. Auch das Kernkörperchen ist in der rechten Hälfte gut zu sehen.

Der Zellkern oder Nucleus ist das Steuerzentrum einer jeden eukaryotischen Zelle. Das Vorhandensein eines Zellkerns gibt den Eukaryoten (übersetzt = "Echtkerner") ihren Namen; Prokaryoten besitzen keinen Zellkern.

Aufgaben des Zellkerns

Der Großteil der Erbinformation ist in Form von DNA im Zellkern lokalisiert (einige wenige Gene befinden sich in den Mitochondrien und Chloroplasten), und hier findet auch die DNA-Replikation sowie die Bildung von mRNA (Transkription) statt.

Wenn eine Zelle anfängt, sich zu teilen, werden die im Lichtmikroskop noch unsichtbaren langen und dünnen DNA-Fäden immer kürzer und verdicken sich dabei, bis sie schließlich als Chromosomen sichtbar werden.

Im Nucleolus (Kernkörperchen), einer besonders auffälligen und dichten Stelle im Zellkern (bereits mit einem guten Lichtmikroskop erkennbar) wird nicht nur die ribosomale RNA (rRNA) synthetisiert, sondern es wird auch schon mit dem Zusammenbau der Ribosomen-Untereinheiten begonnen.

Der Zellkern enthält nicht nur proteincodierende Gene, die für die Synthese der meisten Proteine der Zelle verantwortlich sind, sondern er steuert auch die meisten Vorgänge in der Zelle ("Ort der genetischen Kontrolle der Zellaktivitäten" ^[2]).

Bau des Zellkerns

Ein typischer Zellkern.
1. Kernhülle 1a. äußere Membran 1b. innere Membran, 2. Nucleolus, 3. Karyoplasma
4. Chromatin 4a. Heterochromatin 4b. Euchromatin
5. Ribosomen, 6. Kernporen
Autor: original version by Mariana Ruiz, numbered version by Felipe Fontoura., Lizenz: Public domain

Das obere Bild eines Zellkerns kommt aus der deutschen Wikipedia, das nächste Bild habe ich selbst gezeichnet.

Ein Zellkern, von außen gesehen
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende.

Hier sehen wir eine schematische Darstellung des Zellkerns. In die Kernhülle (blau) wurde ein quadratisches Fenster hineingeschnitten, damit man die Chromosomen (farbig) besser erkennen kann. Die schwarzen Punkte in der Kernhülle stellen die Kernporen dar. Die Kernhülle wurde hier nicht maßstabsgerecht gezeichnet, in Wirklichkeit ist die Doppelmembran viel dünner.

Querschnitt durch einen Zellkern, man kann einen Teil des ER erkennen
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende.

Hier sehen wir einen Querschnitt durch einen Zellkern. Die doppelte Kernhülle ist zu erkennen, in die fünf Kernporen eingezeichnet wurden. Außerdem sieht man gut, dass die Kernhülle mit dem Endoplasmatischen Reticulum (ER) verbunden ist, im Grunde sogar einen Teil des ER darstellt. Die farbigen Flächen im Zellkern soll die Position der verschiedenen Chromosomen darstellen, die nach neueren Erkenntnissen nicht völlig ungeordnet im Zellkern vorliegen, wie man früher dachte.

Der Zellkern (2) mit dem Kernkörperchen (1) und einem Teil des ER (3).
Author: Kevin Song, Lizenz: Public domain.

Kernhülle und Kernporen

Der Zellkern ist von einer doppelten Membran umgeben. Jede der beiden Membranen ist wie eine normale Biomembran aufgebaut, besteht also aus einer Lipid-Doppelschicht mit eingebetteten und aufgelagerten Proteinen. Jede Membran ist ca. 9 nm dick, der Spalt zwischen den beiden Membranen, der perinucleäre Raum, ist ca. 20 bis 40 nm dick. . Weitere Details siehe Artikel "Kernhülle" im Biologie-Lexikon dieser Homepage.

Nucleolus

Der sogenannte Nucleolus (das Kernkörperchen) ist ein Bereich im Zellkern, der im Lichtmikroskop besonders dicht erscheint. Die Nucleoli (in einem Zellkern können davon zwei, drei oder vier vorkommen) bestehen fast nur aus RNA und Proteinen, sie sind für die Synthese der Ribosomen zuständig. Auf der EM-Aufnahme in Abbildung 2 kann man das Kernkörperchen recht gut erkennen.

Chromatin / Chromosomen

Die Erbsubstanz eukarytoischer Zellen ist in Form von Chromosomen organisiert. Die menschlichen Zellen enthalten beispielsweise 46 Chromosomen, von denen je zwei homolog sind (d.h. ein Exemplar ist väterlicher Herkunft, das andere Exemplar kommt ursprünglich von der Mutter des Lebewesens). Die DNA ist auf komplexe Weise mit bestimmten Proteinen (Histonen) verbunden und bildet dann die Chromosomen. Normalerweise sind die Chromosomen im Lichtmikroskop nicht erkennbar, erst während der Mitose verdicken sie sich und werden somit sichtbar. Während der Interphase sind die Chromosomen entspiralisiert und treten dann als sogenanntes Chromatin in Erscheinung. Bis vor kurzem dachte man, das Chromatin der einzelnen Chromosomen wäre in dem Zellkern "wild verstreut", man sprach von einem "Spaghetti-Modell". In den letzten Jahren hat man allerdings mit raffinierten Färbungsmethoden heraus bekommen, dass sich das Chromatin eines jeden Chromosoms in einer bestimmten Region des Zellkerns konzentriert. In den Abbildungen 1 und 2 oben auf dieser Seite sieht man diese Regionen sehr schön; jede Region ist durch eine eigene Farbe gekennzeichnet.