Zellkern – vom Chromatin zum Chromosom
Tauche ein in die Welt der Zellbiologie und entdecke, warum der Zellkern so entscheidend für das Leben jeder eukaryotischen Zelle ist. Von DNA-Replikation bis Proteinproduktion, erfahre, wie der Zellkern alle zellulären Prozesse steuert. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Zellkern – vom Chromatin zum Chromosom
Zellkern – Biologie
Schaut man sich eine Zelle durch ein Mikroskop an, so ist er der wohl auffälligste Zellbestandteil – der Zellkern. Was genau der Zellkern ist, wie man ihn in der Biologie definiert und welche Funktionen er erfüllt, erfährst du im folgenden Text.
Was ist der Zellkern? – Definition
Der Zellkern oder auch Nukleus, abgeleitet vom lateinischen nucleus, bezeichnet ein wichtiges Zellorganell im Cytoplasma der eukaryotischen Zelle. Der Zellkern hat eine rundliche Form und eine durchschnittliche Größe von $5-16~{\mu m}$. Damit ist er nicht nur das größte, sondern auch das bedeutendste Zellorganell. Warum der Zellkern von so großer Bedeutung ist, schauen wir uns nun an.
Zellkern – Aufbau und Funktion
Der Aufbau des Zellkerns
Der Zellkern ist von einer Kernmembran umgeben. Diese besteht aus einer Doppelschicht von Phospholipiden und ähnelt somit dem Aufbau der Zellmembran. Die äußere Schicht geht in das endoplasmatische Retikulum (ER) über. An diesem wiederum sitzen zahlreiche Ribosomen, die die Orte der Translation sind.
Die Innenseite der inneren Schicht wird von der Kernlamina ausgekleidet. Sie ist ein Netz aus Proteinfilamenten, das die Kernhülle strukturell stützt und mit dem Chromatin interagiert. Das Chromatin bezeichnet die auf Histonen aufgewickelte DNA. Bei der Kern‑ und Zellteilung verdichtet sich das Chromatin und es entstehen die mikroskopisch sichtbaren Chromosomen.
Das Kerninnere wird vom Kernplasma, auch als Karyoplasma oder Nucleoplasma bezeichnet, ausgefüllt. In diesem befindet sich neben der DNA auch das Kernkörperchen (Nucleolus). Es besteht hauptsächlich aus DNA, RNA und Proteinen und ist für die Synthese der Bestandteile der Ribosomen zuständig. Einige Zellen besitzen sogar mehrere Kernkörperchen (Nucleoli).
Merke: Zellen, die keine Proteine synthetisieren, also keine Ribosomen haben, besitzen auch keine Kernkörperchen.
Ein Austausch zwischen dem Kerninneren und dem Cytosol findet über die Kernporen der Kernmembran statt. Ausgewählte Moleküle können aktiv, das heißt unter Verbrauch von Energie, zwischen Cytosol und Zellkern hin- und hertransportiert werden. Ausgeschleust werden zum Beispiel mRNA-Moleküle. In den Kern hinein müssen Proteine, die im Cytosol produziert, aber im Kern gebraucht werden. Das können zum Beispiel Proteine für die Kernlamina oder Histone sein.
Die Funktion des Zellkerns
Gemeinhin kann man den Zellkern als die „Steuerzentrale“ der Zelle bezeichnen. Er hat die Aufgabe, grundsätzlich alle in der Zelle ablaufenden Prozesse zu regulieren – denn er besitzt den Grundbauplan, die DNA. Daher sind seine wichtigsten Aufgaben die Transkription und die Replikation der DNA.
Transkription: Im Zellkern findet das Umschreiben der DNA in mRNA statt – die Transkription. Welche Gene wie oft und über welchen Zeitraum abgeschrieben werden und welche Proteine am Ende synthetisiert werden, wird durch die Genregulation bestimmt. Die Genregulation von Eukaryoten unterscheidet sich von der Genregulation der Prokaryoten.
Replikation: Kommt es zu einer Zellteilung, so wird in Vorbereitung darauf die DNA verdoppelt – in der Biologie spricht man von der Replikation der DNA. So wird sichergestellt, dass beide Tochterzellen nach einer mitotischen Zellteilung die identische Erbinformation tragen.
Transkript Zellkern – vom Chromatin zum Chromosom
Naaa, du musstest bestimmt schon mal 'ne tierische Zelle beschriften, oder? Ein Fachbegriff fällt dir sicher sofort ein: Das dicke runde Ding ist der Zellkern, right? Aber hast du dich nicht auch schon mal gefragt, wie DER wiederum aufgebaut ist und welche Funktionen ER beziehungsweise seine Bestandteile übernehmen? Wir klären diese Fragen endlich mal, also schau dir dieses Video zum Thema "Zellkern – vom Chromatin zum Chromosom" an. Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen, bezeichnet man als Eukaryoten. Bei ihnen befindet sich das genetische Material im Zellkern, dem Nukleus. Da Tiere, genauso wie wir Menschen, Pflanzen und Pilze, zu den Eukaryoten zählen, kennst du das Ding auch bereits. Kurze Randinformation: Bei Prokaryoten, wie den Bakterien, liegt das genetische Material frei im Zellplasma vor. Kommen wir zum Aufbau des Zellkerns. Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umschlossen, der KERNmembran , die von mehreren KernPOREN durchbrochen ist. Die Kernporen ermöglichen den Transport von Molekülen sowohl in den Kern hinein als auch aus ihm heraus. Auf der Innenseite der Kernmembran befindet sich die sogenannte Kernlamina. Sie besteht aus einem Netz aus Proteinfilamenten und stützt die Kernhülle. Die äußere Kernmembran steht mit dem endoplasmatischen Retikulum in Verbindung. An ihm sitzen wiederum zahlreiche Ribosomen. Das Kerninnere wird vom Kernplasma ausgefüllt. Während des G-eins-Stadiums des Zellzyklus ist ein besonderer Bereich des Zellkerns zu erkennen: der Nukleolus. Nukleolus kommt aus dem Lateinischen und bedeutet "kleiner Kern" oder auch "Kernkörperchen". Der Nukleolus ist für die Synthese der Bestandteile der Ribosomen zuständig. Der größte Teil des Zellkerns wird von den extrem langen DNA-Molekülen eingenommen. Schauen wir uns doch mal an, wie die DNA eigentlich verpackt ist. Easy – die DNA liegt in Form von Chromosomen vor – denkst du jetzt vielleicht. Naaa, so einfach ist das nicht. Chromosomen sind grundsätzlich nur während der Zellteilung zu erkennen und bilden sich auch nur zeitweise durch Spiralisierungsvorgänge aus dem Chromatin. Chroma– was? Okay, okay, wir fangen ganz vorne an. Dass die DNA als Doppelhelix vorliegt, ist dir bekannt, oder? Ein Chromosom besteht aber nicht nur aus der DNA beziehungsweise einem langen DNA-Faden, sondern auch aus Proteinen, den Histonen. Die Histone sind überwiegend positiv geladen und so treten sie mit den negativ geladenen Phosphatresten der DNA-Moleküle sowie untereinander in Verbindung. Es entstehen perlenförmige Einheiten, die auch Nukleosomen genannt werden. Die DNA ist also bereits stark verdichtet und bildet durch Schleifenbildung den Chromatinfaden. Da haben wir's. Der Chromatinfaden spiralisiert sich in einem weiteren Schritt noch stärker und es bildet sich das Chromatid eines Chromosoms. Kurzer Exkurs: Der Chromosomensatz eines gesunden Menschen besteht aus dreiundzwanzig Chromosomenpaaren. Davon sind zweiundzwanzig Chromosomenpaare Autosomen und ein Paar Gonosomen, so nennt man die Geschlechtschromosomen (XX bei der Frau, XY beim Mann). Jedes Chromosomenpaar, ein Chromosom stammt dabei jeweils von der Mutter und eins vom Vater, besteht aus zwei homologen Chromosomen, die grundsätzlich die gleiche Form, Struktur und Abfolge der Gene haben. So spricht man auch von einem doppelten beziehungsweise DIPLOIDEN Chromosomensatz. Klären wir zu guter Letzt noch die Funktion des Zellkerns. Der Zellkern übernimmt die wohl wichtigste Rolle in der Zelle, denn er ist Träger der Erbinformation, des genetischen Materials, der DNA, des Grundbauplans – nenn es wie du willst. Somit reguliert er alle in der Zelle ablaufenden Prozesse. Zu den wichtigsten Aufgaben zählt die Weitergabe der Erbsubstanz. Dazu laufen zwei Prozesse ab: die Replikation und Transkription. Bevor die Kernteilung während der Mitose oder Meiose stattfinden kann, muss die DNA verdoppelt werden. Dies geschieht während der Replikation. So wird sichergestellt, dass beide Tochterzellen nach einer Zellteilung die identische genetische Information enthalten. Zur Proteinbiosynthese müssen außerdem transportfähige Kopien der DNA hergestellt werden, was wiederum bei der Transkription passiert. Puuuh, ganz schön viele Infos. Fassen wir zusammen. Wir kennen nun den Aufbau des Zellkerns. Der Zellkern reguliert alle in der Zelle ablaufenden Prozesse. Wir wissen nun auch, dass die DNA im Zellkern zu Chromatin verdichtet vorliegt und nur zur Kernteilung zu Chromosomen kondensiert ist. Na endlich haben wir das geklärt, jetzt reicht's aber auch.
Zellkern – vom Chromatin zum Chromosom Übung
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Lokalisiere den Zellkern in der Zelle.
TippsEine eukaryotische Zelle besteht aus vielen kleinen Strukturen: den Organellen. Die größte von diesen ist der Zellkern.
Den Begriff „Kern“ kennst du zum Beispiel von Früchten, etwa dem Kirschkern der Kirsche.
LösungDer Zellkern ist das größte Organell in der Zelle. Er ist Träger der Erbinformation, des genetischen Materials, der DNA. Lebwesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen, bezeichnet man als Eukaryoten. Bei ihnen befindet sich das genetische Material im Zellkern, dem Nukleus. Tiere, genauso wie wir Menschen, Pflanzen und Pilze zählen zu den Eukaryoten.
Der Zellkern wird von der Kernmembran umschlossen, welche von den Kernporen durchbrochen wird. Auf der Innenseite der Kernmembran befindet sich die sogenannte Kernlamina. Sie besteht aus einem Netz aus Proteinfilamenten und stützt die Kernhülle. Im Inneren des Kerns sind das Kernplasma und der Nukleolus. -
Nenne die Funktionen des Zellkerns.
TippsEine der genannten Funktionen gehört zu einem anderen Organell.
Im Zellkern befindet sich die DNA.
LösungDer Zellkern übernimmt eine sehr wichtige Rolle in der Zelle, denn er ist Träger der Erbinformation, des genetischen Materials, der DNA. Somit reguliert er alle in der Zelle ablaufenden Prozesse.
Zu den wichtigsten Aufgaben zählt die Weitergabe der Erbsubstanz. Dazu laufen zwei Prozesse ab: die Replikation und die Transkription:- Bevor die Kernteilung während der Mitose oder Meiose stattfinden kann, muss die DNA verdoppelt werden. Dies geschieht während der Replikation. So wird sichergestellt, dass beide Tochterzellen nach einer Zellteilung die identische genetische Information enthalten.
- Zur Proteinbiosynthese müssen außerdem transportfähige Kopien der DNA hergestellt werden. Dies passiert bei der Transkription.
Die Mitochondrien werden als die sogenannten Kraftwerke der Zelle bezeichnet, denn sie sind entscheidend für die Energiegewinnung durch die Zellatmung.
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Gib an, wie die DNA verpackt ist.
TippsDie Nukleosomen sind perlenförmige Einheiten.
Das Chromatid entsteht durch die weitere Spiralisierung des Chromatins.
LösungDie DNA ist der Träger der Erbsubstanz. Die gesamte DNA einer menschlichen Zelle, die im Zellkern vorliegt, hat eine ungefähre Länge von drei Metern. Das entspricht dem 300 000-fachen Durchmesser des Zellkerns. Damit das genetische Material in den Zellkern passt, wird es verpackt und somit auch geschützt.
Es gibt vier Verpackungsebenen:- Die DNA und Histone (spezielle Proteine) binden sich durch gegensätzliche Ladungen (negativ geladene Phosphatreste der DNA und positiv geladene Histone) zu perlenförmigen Einheiten. Diese werden Nukleosomen genannt.
- Die Nukleosomen formen eine Art Perlenkette. Diese wird auf der nächsten Verpackungsebene weitergefaltet und so wird der Chromatinfaden gebildet.
- Durch weitere Falten- und Schleifenbildungen an einem Proteingerüst entsteht das Chromatid.
- Aus zwei Chromatiden, welche miteinander verbunden sind, wird ein Chromosom. Die Verbindungsstelle der beiden Chromatiden wird Centromer genannt.
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Stelle den Aufbau des Zellkerns dar.
TippsDie Kernporen ermöglichen den Transport von Molekülen sowohl in den Kern hinein als auch aus ihm heraus.
Einige Organellen und Zellen sind von sogenannten Membranen umgeben.
LösungDer Zellkern ist von einer Doppelmembran umschlossen: der Kernmembran, die von mehreren Kernporen durchbrochen ist. Die Kernporen ermöglichen den Transport von Molekülen sowohl in den Kern hinein als auch aus ihm heraus.
Auf der Innenseite der Kernmembran befindet sich die sogenannte Kernlamina. Sie besteht aus einem Netz aus Proteinfilamenten und stützt die Kernhülle. Die äußere Kernmembran steht mit dem endoplasmatischen Retikulum in Verbindung. An ihm sitzen wiederum zahlreiche Ribosomen.Das Kerninnere wird vom Kernplasma ausgefüllt. Während des G1-Stadiums des Zellzyklus ist ein besonderer Bereich des Zellkerns zu erkennen: der Nucleolus. „Nucleolus“ kommt aus dem Lateinischen und bedeutet „kleiner Kern“ oder auch „Kernkörperchen“.
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Bestimme die eukaryotische Zelle.
TippsIn Prokaryoten und Viren befindet sich die DNA nicht im Zellkern.
Der Zellkern ist das Hauptmerkmal für eukaryotische Zellen.
Prokaryoten können viele Formen haben und sich teilweise durch kleine Schwänzchen, sogenannte Geißeln, fortbewegen.
Im Gegensatz zu den Prokaryoten besitzen die Eukaryoten neben dem Zellkern noch zahlreiche weitere Organellen, etwa das endoplasmatische Retikulum oder die Mitochondrien: In welcher der Zellen siehst du besonders viele Strukturen?
LösungWir können zwischen Eukaryoten (eukaryotische Zellen) und Prokaryoten (prokaryotische Zellen) unterscheiden:
- Der Zellkern ist das Hauptmerkmal für eukaryotische Zellen. In ihm liegt die DNA vor. Neben dem Zellkern besitzen die Eukaryoten noch zahlreiche weitere Organellen, etwa das endoplasmatische Retikulum oder die Mitochondrien.
- Bei Prokaryoten, zum Beispiel den Bakterien, liegt das genetische Material frei im Zellplasma vor. Sie besitzen keinen Zellkern.
Auch in Viren liegt die Erbsubstanz lose in der Hülle vor.
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Entscheide, ob die Zellen Zellkerne enthalten.
TippsDer Süßwasserpolyp ist ein Tier.
„Vibrionen“ ist der eingedeutschte Begriff für die Bakterien der Gattung Vibrio.
Zu den Aufgaben der Nervenzelle gehört es, Informationen zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Unser Gehirn besitzt besonders viele Nervenzellen.
LösungLebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen, bezeichnet man als Eukaryoten. Bei ihnen befindet sich das genetische Material im Zellkern: dem Nukleus. Dazu gehören die Zellen der Tiere, zum Beispiel des Süßwasserpolypen, genauso wie etwa die Nervenzellen von uns Menschen.
Neben den mehrzelligen Eukaryoten gibt es auch einzellige Eukaryoten. Ein Beispiel hierfür sind die Kieselalgen, die zu den sogenannten Protisten gehören.Bei Prokaryoten wie den Bakterien liegt das genetische Material frei im Zellplasma vor. Sie besitzen keinen Zellkern. Hiervon gibt es in der Übung zwei Beispiele: das Vibrion und E. coli.
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