Zellkern: Aufbau, Funktion und Erbinformation
Verstehe Kernhülle, Poren und Chromatin sowie die Rolle des Zellkerns bei DNA-Verdopplung, RNA-Bildung und einem Algenversuch.
Kurz gesagt
Der Zellkern enthält den größten Teil der Erbinformation einer eukaryotischen Zelle. Seine doppelte Hülle grenzt die DNA ab; Kernporen regeln den Austausch. Im Kern werden DNA verdoppelt und ausgewählte Abschnitte in RNA umgeschrieben.
Der Zellkern, auch Nukleus, enthält den größten Teil der Erbinformation einer eukaryotischen Zelle. Seine Kernhülle grenzt diese Information vom Cytoplasma ab, während Kernporen einen geregelten Austausch ermöglichen. Im Zellkern werden unter anderem DNA verdoppelt und DNA-Abschnitte in RNA umgeschrieben. Auf dieser Seite lernst du, wie der Zellkern aufgebaut ist, wie seine Bestandteile zusammenarbeiten und wie ein Transplantationsversuch seine Bedeutung für artspezifische Merkmale zeigt.
Deine Lernziele
Nicht jede Zelle besitzt einen abgegrenzten Zellkern. Er ist ein Kennzeichen der eukaryotischen Zellorganisation, zu der Tier- und Pflanzenzellen gehören. Der Zellkern wird häufig als „Steuerzentrum“ der Zelle bezeichnet. Das ist ein hilfreiches Bild, aber keine genaue mechanistische Beschreibung: Der Kern handelt nicht selbstständig. In seiner DNA liegen Informationen, deren Nutzung viele Vorgänge in der Zelle beeinflusst. Die meisten eukaryotischen Zellen besitzen einen Kern. Es gibt jedoch auch mehrkernige Zellen und ausgereifte Zellen, die ihren Kern verloren haben. Solche Ausnahmen ändern nichts an der grundlegenden Bedeutung des Zellkerns.
Eukaryoten und Prokaryoten
Eukaryoten sind Lebewesen, deren Zellen grundsätzlich nach einem Bauplan mit abgegrenztem Zellkern organisiert sind. Einzelne spezialisierte Zellen können ihren Kern während der Reifung verlieren. Prokaryoten, darunter Bakterien und Archaeen, besitzen keinen abgegrenzten Zellkern.
Merke: Der Zellkern ist kein „Gehirn im Kleinformat“. Er ist ein abgegrenzter Zellbereich, in dem der größte Teil der Erbinformation gespeichert und verarbeitet wird.
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Der Zellkern ist meist rundlich oder oval. Bei Säugetierzellen misst er je nach Zelltyp ungefähr 5–20 µm im Durchmesser. Form und Größe können sich je nach Zelltyp unterscheiden.
Die Kernhülle besteht aus einer inneren und einer äußeren Membran. Sie trennt das Kerninnere, das Nucleoplasma, vom Cytoplasma. Die äußere Kernmembran geht in das raue endoplasmatische Retikulum über und kann Ribosomen tragen. In der Hülle liegen Kernporen: RNA gelangt aus dem Kern ins Cytoplasma, viele dort hergestellte Proteine werden in den Kern importiert. Kleine Moleküle können die Poren passieren; große Moleküle werden geregelt und energieabhängig transportiert. Die Kernlamina an der Innenseite stabilisiert den Kern und steht mit dem Chromatin in Verbindung.
Beispiel
- 1Eine im Zellkern hergestellte mRNA enthält die Abschrift eines DNA-Abschnitts. Sie verlässt den Kern durch eine Kernpore. Im Cytoplasma können Ribosomen die Information der mRNA für die Herstellung eines Proteins nutzen.
- 2Die Kernpore verbindet damit zwei getrennte Arbeitsbereiche, ohne die Abgrenzung des Erbguts aufzuheben.
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Im Zellkern liegen Chromatin, Nucleoplasma und ein oder mehrere Nucleoli. Chromatin besteht aus DNA und Proteinen. Während der Interphase, der Zeit zwischen Kernteilungen, liegt ein großer Teil davon locker vor. Zu Beginn einer Kernteilung verdichtet es sich zu kompakten Chromosomen; diese Form erleichtert die geordnete Verteilung der DNA. Im Interphasekern ist Euchromatin vergleichsweise locker und für Transkription zugänglich. Heterochromatin ist dichter gepackt.
Der Nucleolus, auch Kernkörperchen, ist ein dichter Bereich im Zellkern. Dort entsteht eine Vorstufe ribosomaler RNA, und Ribosomenuntereinheiten werden gebildet. Sie gelangen durch Kernporen ins Cytoplasma. Dort sind Ribosomen an der Proteinsynthese beteiligt. Der Nucleolus ist selbst kein Ort der Translation.
Chromatin
Chromatin besteht aus DNA und zugehörigen Proteinen, besonders Histonen. Die DNA ist um diese Proteine gewickelt und dadurch geordnet und verpackt.
| Begriff | Bedeutung |
|---|---|
| Euchromatin | vergleichsweise locker und für Transkription zugänglich |
| Heterochromatin | dichter gepackt |
Merke: Chromatin verpackt die Erbinformation. Der Nucleolus ist vor allem an der Bildung von Ribosomenuntereinheiten beteiligt.
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Replikation und Transkription verwenden DNA, haben aber verschiedene Ergebnisse. Vor einer Zellteilung werden bei der Replikation die beiden DNA-Stränge getrennt und an jedem Ausgangsstrang passende neue Stränge ergänzt. So entstehen zwei DNA-Doppelstränge; jede Tochterzelle kann später eine Kopie erhalten. Bei der Transkription wird ein ausgewählter DNA-Abschnitt in RNA umgeschrieben. Eine mRNA verlässt den Zellkern; an Ribosomen im Cytoplasma folgt die Translation zu einem Protein. Replikation ist kein regelmäßiger erster Schritt jeder Proteinherstellung.
Die einzellige Schirmalge Acetabularia kann etwa 10 cm groß werden. Sie besteht aus Schirm, Stiel und dem wurzelähnlichen Rhizoid mit dem Zellkern. Zwei Arten unterscheiden sich in ihrer typischen Hutform. Im Transplantationsversuch wird ein kernloser Stiel der einen Art auf das kernhaltige Rhizoid der anderen gesetzt. Die spätere Hutform folgt unter den beschriebenen Bedingungen der Herkunft des Zellkerns. Das zeigt den Einfluss des Kerns auf dieses untersuchte Merkmal; ein Kern allein könnte ohne Cytoplasma keine vollständige Alge bilden.
| Vorgang | Was geschieht? | Bedeutung |
|---|---|---|
| Replikation | Die DNA wird vollständig verdoppelt. | Vorbereitung auf die Zellteilung |
| Transkription | Ein ausgewählter DNA-Abschnitt wird in RNA umgeschrieben. | Bereitstellung einer RNA-Abschrift |
| Translation | Die Information einer mRNA wird an Ribosomen genutzt. | Herstellung eines Proteins |
Beispiel
- 1Ein kernloser Stiel von Acetabularia mediterranea wird mit einem kernhaltigen Rhizoid von Acetabularia wettsteinii verbunden.
- 2Die Alge bildet später den kleineren, für A. wettsteinii charakteristischen Hut. Beim umgekehrten Versuch richtet sich die Hutform entsprechend nach der Art, von der das kernhaltige Rhizoid stammt.
- 3Schlussfolgerung: Unter diesen Versuchsbedingungen richtet sich die artspezifische Hutform nach dem kernhaltigen Rhizoid. Das stützt, dass die Information für dieses Merkmal im Zellkern liegt.
Beispiel: So gehst du vor
- 1Die beiden Stränge der DNA werden voneinander getrennt.
- 2Enzyme ergänzen an jedem Ausgangsstrang einen passenden neuen Strang.
- 3Es entstehen zwei DNA-Doppelstränge.
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Alles auf einen Blick
Zellkern
eukaryotische Zellorganisation
doppelte Kernhülle
Kernporen
Kernlamina
DNA im Chromatin
Nucleolus
Eine mRNA verlässt den Zellkern
- 1Ein ausgewählter DNA-Abschnitt wird im Zellkern in mRNA umgeschrieben.
- 2Die mRNA gelangt durch eine Kernpore in das Cytoplasma.
- 3Ein Ribosom nutzt dort ihre Information zur Proteinherstellung.
- 4Die DNA selbst bleibt im Zellkern; Replikation ist für diesen einzelnen Proteinweg nicht nötig.
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Fehler in Zeile 3Richtig: Kernporen ermöglichen einen geregelten Stoffaustausch zwischen Zellkern und Cytoplasma.
Lückentext
Vor einer Zellteilung wird das verdoppelt. Der Zellkern enthält den größten Teil der . Durch können Stoffe zwischen Zellkern und Cytoplasma ausgetauscht werden.