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Zellkern: Aufbau, Funktion und Erbinformation
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.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wo kommt ein Zellkern vor?
Nicht jede Zelle besitzt einen abgegrenzten Zellkern. Er ist ein Kennzeichen der eukaryotischen Zellorganisation, zu der Tier- und Pflanzenzellen gehören.
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.
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.
Der Zellkern ist kein „Gehirn im Kleinformat“. Er ist ein abgegrenzter Zellbereich, in dem der größte Teil der Erbinformation gespeichert und verarbeitet wird.
Wie ist der Zellkern aufgebaut?
Der Zellkern ist meist rundlich oder oval. Bei Säugetierzellen liegt sein typischer Durchmesser zwischen 5 und 16 µm. Seine Form und Größe können sich je nach Zelltyp unterscheiden.
Kernhülle und Kernporen
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 wie dieses Ribosomen tragen.
Die Kernhülle ist keine vollständig geschlossene Barriere. In ihr liegen Kernporen, durch die Stoffe kontrolliert transportiert werden:
- RNA gelangt aus dem Kern in das Cytoplasma.
- Viele im Cytoplasma hergestellte Proteine werden in den Kern importiert.
- Kleine Moleküle können die Poren passieren; große Moleküle werden geregelt und energieabhängig transportiert.
Kernlamina
An der Innenseite der Kernhülle liegt die Kernlamina. Dieses Gerüst aus Proteinen stabilisiert den Kern und steht mit dem Chromatin in Verbindung.
Eine 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.
Die Kernpore verbindet damit zwei getrennte Arbeitsbereiche, ohne die Abgrenzung des Erbguts aufzuheben.
Was befindet sich im Kerninneren?
Im Zellkern liegen unter anderem Chromatin, Nucleoplasma und ein oder mehrere Nucleoli.
Chromatin verpackt die DNA
Chromatin
Chromatin besteht aus DNA und zugehörigen Proteinen, besonders Histonen. Die DNA ist um diese Proteine gewickelt und dadurch geordnet und verpackt.
Während der Interphase, also der Zeit zwischen Kernteilungen, liegt ein großer Teil des Chromatins locker vor. Zu Beginn einer Kernteilung verdichtet es sich zu kompakten Chromosomen. Diese Transportform erleichtert die geordnete Verteilung der DNA.
Man unterscheidet im Interphasekern:
- Euchromatin: vergleichsweise locker und für Transkription zugänglich;
- Heterochromatin: dichter gepackt.
Der Nucleolus bildet Ribosomenbestandteile
Nucleolus
Der Nucleolus, auch Kernkörperchen, ist ein dichter Bereich im Zellkern. Dort wird eine Vorstufe ribosomaler RNA hergestellt, und es entstehen Ribosomenuntereinheiten.
Die Ribosomenuntereinheiten gelangen anschließend durch Kernporen ins Cytoplasma. Dort sind Ribosomen an der Proteinsynthese beteiligt. Der Nucleolus ist deshalb nicht selbst der Ort der Translation.
Chromatin verpackt die Erbinformation. Der Nucleolus ist vor allem an der Bildung von Ribosomenuntereinheiten beteiligt.
Welche Vorgänge laufen mit der DNA ab?
Zwei wichtige Vorgänge im Zellkern sind Replikation und Transkription. Sie verwenden DNA, erfüllen aber verschiedene Aufgaben.
Replikation verdoppelt die DNA
Bei der DNA-Replikation wird das Erbgut vor einer Zellteilung verdoppelt:
- Die beiden Stränge der DNA werden voneinander getrennt.
- Enzyme ergänzen an jedem Ausgangsstrang einen passenden neuen Strang.
- Es entstehen zwei DNA-Doppelstränge.
Dadurch kann bei der anschließenden Zellteilung jede Tochterzelle eine Kopie des Erbguts erhalten.
Transkription erzeugt eine RNA-Abschrift
Bei der Transkription wird ein bestimmter DNA-Abschnitt in RNA umgeschrieben. Eine dabei entstehende mRNA kann den Zellkern verlassen. An Ribosomen im Cytoplasma folgt die Translation: Die Information der mRNA wird dort zur Herstellung eines Proteins genutzt.
| 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 |
Die Replikation ist nicht der regelmäßige erste Schritt jeder Proteinherstellung. Für die Proteinbiosynthese ist die Abfolge Transkription im Zellkern → Export der mRNA → Translation im Cytoplasma entscheidend. Die Replikation dient dagegen der Verdopplung des Erbguts vor einer Zellteilung.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei der wird die gesamte DNA verdoppelt. Eine RNA-Abschrift eines ausgewählten DNA-Abschnitts entsteht bei der . Die Herstellung eines Proteins an Ribosomen heißt .
Was zeigt der Acetabularia-Versuch?
Die einzellige Schirmalge Acetabularia kann bis zu 10 cm groß werden. Sie besteht aus Schirm, Stiel und einem wurzelähnlichen Haftorgan, dem Rhizoid. Der Zellkern liegt im Rhizoid.
Zwei Arten der Alge unterscheiden sich in ihrer typischen Hutform. In einem Transplantationsversuch wurde ein kernloser Stiel der einen Art auf das kernhaltige Rhizoid der anderen Art gesetzt.
Ein kernloser Stiel von Acetabularia mediterranea wird mit einem kernhaltigen Rhizoid von Acetabularia wettsteinii verbunden.
Die 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.
Schlussfolgerung: Unter diesen Versuchsbedingungen bestimmt der Zellkern die artspezifische Hutform. Das Ergebnis stützt die Aussage, dass die Information für dieses Merkmal im Zellkern liegt.
Wichtig ist die genaue Formulierung: Der Versuch zeigt nicht, dass allein der Zellkern ohne Cytoplasma eine vollständige Alge bilden könnte. Er zeigt den Einfluss des Kerns auf die untersuchte artspezifische Form.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Zellkern
- Vorkommen: eukaryotische Zellorganisation
- Abgrenzung: doppelte Kernhülle
- Austausch: Kernporen
- Stabilität: Kernlamina
- Erbinformation: DNA im Chromatin
- Ribosomenbildung: Nucleolus
- DNA-Verdopplung: Replikation
- RNA-Abschrift: Transkription
- experimenteller Hinweis: Acetabularia-Versuch
Abschluss-Check
Wenn du Aufbau, Stofftransport, Informationsverarbeitung und Versuchsauswertung miteinander verbinden kannst, hast du die zentrale Rolle des Zellkerns verstanden.