Zellkern

Der Zellkern (s. karyon) ist in allen menschlichen Zellen außer Erythrozyten und Thrombozyten vorhanden. Seine Funktion besteht darin, Erbinformationen zu speichern und an neue (Tochter-)Zellen weiterzugeben. Diese Funktionen sind mit der DNA im Zellkern verbunden. Auch die Synthese von Proteinen – Ribonukleinsäure (RNA) und ribosomalem Material – findet im Zellkern statt.

Die meisten Zellen haben einen kugelförmigen oder eiförmigen Zellkern, es gibt aber auch andere Zellkernformen (ringförmig, stäbchenförmig, spindelförmig, perlenförmig, bohnenförmig, segmentiert, birnenförmig, polymorph). Die Größe des Zellkerns variiert stark – von 3 bis 25 µm. Der größte Zellkern befindet sich in der Eizelle. Die meisten menschlichen Zellen sind einkernig, es gibt aber auch zweikernige (einige Neuronen, Hepatozyten, Kardiomyozyten). Einige Strukturen sind mehrkernig (Muskelfasern). Der Zellkern besteht aus Kernmembran, Chromatin, Nukleolus und Nukleoplasma.

Die Kernmembran (Karyothek), die den Zellkerninhalt vom Zytoplasma trennt, besteht aus einer inneren und einer äußeren Kernmembran mit jeweils 8 nm Dicke. Die Membranen sind durch einen 20–50 nm breiten perinukleären Raum (Karyothekzisterne) getrennt, der feinkörniges Material mittlerer Elektronendichte enthält. Die äußere Kernmembran geht in das granuläre endoplasmatische Retikulum über. Daher bildet der perinukleäre Raum mit dem endoplasmatischen Retikulum einen einzigen Hohlraum. Die innere Kernmembran ist von innen mit einem verzweigten Netzwerk von Proteinfibrillen verbunden, die aus einzelnen Untereinheiten bestehen.

Die Kernmembran enthält zahlreiche runde Kernporen mit einem Durchmesser von jeweils 50–70 nm. Sie nehmen insgesamt bis zu 25 % der Kernoberfläche ein. Die Anzahl der Poren in einem Kern beträgt 3000–4000. An den Rändern der Poren sind die äußere und die innere Membran miteinander verbunden und bilden den sogenannten Porenring. Jede Pore wird durch ein Diaphragma, auch Porenkomplex genannt, verschlossen. Die Porendiaphragmen haben eine komplexe Struktur und bestehen aus miteinander verbundenen Proteingranula. Der selektive Transport großer Partikel und der Stoffaustausch zwischen Zellkern und Zytosodem erfolgen durch die Kernporen.

Unter der Kernmembran befinden sich das homogen aufgebaute Nukleoplasma (Karyoplasma) und der Nukleolus. Im Nukleoplasma eines sich nicht teilenden Zellkerns, in seiner Kernproteinmatrix, befinden sich osmiophile Granula (Klumpen) des sogenannten Heterochromatins. Bereiche mit lockererem Chromatin zwischen den Granula werden als Euchromatin bezeichnet. Lockeres Chromatin wird auch als dekondensiertes Chromatin bezeichnet, in dem Syntheseprozesse am intensivsten ablaufen. Während der Zellteilung verdichtet sich Chromatin, kondensiert und bildet Chromosomen.

Chromatin (Chromatinum) eines sich nicht teilenden Kerns und Chromosomen eines sich teilenden Kerns bestehen aus Desoxyribonukleinsäuremolekülen (DNA), die mit Ribonukleinsäure (RNA) und Proteinen – Histonen und Nicht-Histonen – assoziiert sind. Es ist hervorzuheben, dass Chromatin und Chromosomen chemisch identisch sind.

Jedes DNA-Molekül besteht aus zwei langen, rechtsgängigen Polynukleotidketten (Doppelhelices). Jedes Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, Glucose und einem Phosphorsäurerest. Die Base befindet sich innerhalb der Doppelhelix, das Zucker-Phosphat-Rückgrat befindet sich außen.

Erbinformationen in DNA-Molekülen sind in der linearen Sequenz ihrer Nukleotide gespeichert. Das Elementarteilchen der Vererbung ist das Gen. Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt mit einer spezifischen Nukleotidsequenz, die für die Synthese eines bestimmten Proteins verantwortlich ist.

Das DNA-Molekül im Zellkern ist kompakt gepackt. So würde ein DNA-Molekül mit 1 Million Nukleotiden und ihrer linearen Anordnung ein Segment von nur 0,34 mm Länge einnehmen. Die Länge eines menschlichen Chromosoms beträgt im gestreckten Zustand etwa 5 cm, im verdichteten Zustand hat es jedoch ein Volumen von etwa 10 ^-15 cm ³.

An Histonproteine gebundene DNA-Moleküle bilden Nukleosomen, die Struktureinheiten des Chromatins. Ein Nukleosom sieht aus wie eine Perle mit einem Durchmesser von 10 nm. Jedes Nukleosom besteht aus Histonen, um die ein DNA-Abschnitt mit 146 Nukleotidpaaren gewunden ist. Zwischen den Nukleosomen befinden sich lineare DNA-Abschnitte mit 60 Nukleotidpaaren.

Chromatin besteht aus Fibrillen, die etwa 0,4 µm lange Schleifen bilden und 20.000 bis 30.000 Nukleotidpaare enthalten.

Durch Verdichtung (Kondensation) und Verdrehung (Superspezialisierung) der Desoxyribonukleoproteine (DNP) im sich teilenden Zellkern werden Chromosomen sichtbar. Diese Strukturen – Chromosomen (Chromasomae, von griechisch chroma – Farbe, soma – Körper) – sind längliche, stäbchenförmige Gebilde mit zwei Armen, die durch die sogenannte Einschnürung – das Zentromer – getrennt sind. Abhängig von der Lage des Zentromers und der relativen Position und Länge der Arme (Beine) werden drei Chromosomentypen unterschieden: metazentrisch mit annähernd gleich großen Armen; submetazentrisch mit unterschiedlich langer Armlänge; akrozentrisch mit einem langen Arm, der sehr kurz und kaum wahrnehmbar ist. Das Chromosom besitzt eu- und heterochromatische Regionen. Letztere bleiben im sich nicht teilenden Zellkern und in der frühen Prophase der Mitose kompakt. Der Wechsel von eu- und heterochromatischen Regionen dient der Chromosomenidentifizierung.

Die Oberfläche der Chromosomen ist mit verschiedenen Molekülen bedeckt, hauptsächlich Ribonukleoproteinen (RNP). Somatische Zellen besitzen zwei Kopien jedes Chromosoms, sie werden als homolog bezeichnet. Sie sind in Länge, Form und Struktur identisch und tragen die gleichen Gene, die auf die gleiche Weise angeordnet sind. Die strukturellen Merkmale, Anzahl und Größe der Chromosomen werden als Karyotyp bezeichnet. Ein normaler menschlicher Karyotyp umfasst 22 Autosomenpaare und ein Paar Geschlechtschromosomen (XX oder XY). Menschliche somatische Zellen (diploide) haben die doppelte Anzahl von Chromosomen – 46. Geschlechtszellen enthalten einen haploiden (einfachen) Satz – 23 Chromosomen. Daher enthalten Geschlechtszellen 2-mal weniger DNA als diploide somatische Zellen.

Der Nukleolus, einer oder mehrere, kommt in allen sich nicht teilenden Zellen vor. Es hat das Aussehen eines intensiv gefärbten runden Körpers, dessen Größe proportional zur Intensität der Proteinsynthese ist. Der Nukleolus besteht aus einem elektronendichten Nukleolonem (vom griechischen Peta – Faden), in dem sich ein filamentöser (fibrillärer) Teil, bestehend aus vielen ineinander verschlungenen RNA-Fäden mit einer Dicke von etwa 5 nm, und ein körniger Teil abheben. Der körnige (granulare) Teil besteht aus Körnern mit einem Durchmesser von etwa 15 nm, die RNP-Partikel sind – Vorläufer ribosomaler Untereinheiten. Perinukleoläres Chromatin ist in die Vertiefungen des Nukleolonems eingebettet. Ribosomen werden im Nukleolus gebildet.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]