Der Zellkern: Erbinformation, Kernhülle und Austausch

Der Zellkern im Bild

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Lage und Gestalt richten sich nach der Zelle

In vielen Zellen ist der Zellkern im mikroskopischen Bild besonders gut zu erkennen. Seine Form und Lage unterscheiden sich jedoch zwischen Zelltypen. Er kann eher rund, länglich oder unregelmäßig gestaltet sein. Eine Übersicht einer typischen Zelle zeigt eine mögliche Grundorganisation.

Auch die Zahl der Kerne ist unterschiedlich. Viele Körperzellen besitzen einen Zellkern. Die langen Fasern der Skelettmuskulatur enthalten zahlreiche Kerne, weil während ihrer Entwicklung mehrere Vorläuferzellen miteinander verschmelzen. Bei der Reifung der menschlichen roten Blutzellen wird der Zellkern ausgestoßen.

Diese Unterschiede passen zur jeweiligen Spezialisierung. Eine langgestreckte Muskelfaser organisiert ihre Arbeit über eine große Ausdehnung. Ein reifer Erythrozyt besitzt eine andere Ausstattung für seine Transportaufgabe. Für die Einordnung eines mikroskopischen Bildes sind deshalb immer Zelltyp, Gewebe und Entwicklungszustand wichtig. [1]

Die Kernhülle besteht aus zwei Membranen

Eine innere und eine äußere Membran umgeben den Kernraum. Zwischen ihnen liegt ein schmaler perinukleärer Raum. Die äußere Kernmembran steht mit dem endoplasmatischen Retikulum in Verbindung und kann an ihrer zytoplasmatischen Seite Ribosomen tragen. Kernhülle und inneres Membransystem sind dadurch räumlich miteinander verbunden.

An der Innenseite der Kernhülle liegt die Kernlamina. Dieses Proteinnetz enthält Lamine, die zur Familie der Intermediärfilamentproteine gehören. Es trägt zur mechanischen Organisation der Kernhülle bei und steht mit dem Chromatin in Beziehung.

Die Hülle schafft einen eigenen Reaktions- und Organisationsraum. Zwischen Kern und Zytoplasma müssen jedoch ständig ausgewählte Bestandteile ausgetauscht werden. Dafür sind an vielen Stellen Kernporenkomplexe in die Hülle eingebaut. Die innere Membran liegt dem Kerninhalt zu, die äußere dem Zytoplasma. Der perinukleäre Raum befindet sich zwischen diesen beiden Membranen. [1][2][5]

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Kernporen verbinden den Kern mit dem Zytoplasma

Ein Kernporenkomplex ist eine geordnete Anordnung vieler Proteine. Er kontrolliert den Austausch über die Kernhülle. Kleine geeignete Moleküle können die Verbindung vergleichsweise frei passieren. Für zahlreiche größere Moleküle wird der Transport gezielt organisiert.

In den Kern müssen beispielsweise Proteine gelangen, die dort an DNA-Verarbeitung, RNA-Bildung oder Strukturaufgaben beteiligt sind. Ihre Information stammt aus dem Zellkern, ihre Herstellung an Ribosomen erfolgt jedoch außerhalb dieses Kernraums. Nach der Synthese werden die benötigten Proteine an ihren Arbeitsort gebracht.

In der Gegenrichtung verlassen unter anderem verarbeitete Boten-RNA und Vorstufen der Ribosomenuntereinheiten den Kern. Die Transportwege verbinden damit räumlich getrennte Arbeitsschritte. Eine RNA kann im Kern gebildet und verarbeitet werden und anschließend im Zytoplasma als Vorlage für ein Protein dienen. Die gezielte Weitergabe ist ein wesentlicher Teil dieser Organisation. [5][6]

Chromatin ordnet die DNA räumlich

Im Kern liegt DNA zusammen mit Histonen und weiteren Proteinen vor. Dieser Verband heißt Chromatin. Die DNA wird über mehrere Organisationsebenen in einen kleinen Raum eingebunden. Zugleich müssen bestimmte Abschnitte für Ablese-, Reparatur- und Vervielfältigungsvorgänge erreichbar sein.

Nukleosomen bilden eine grundlegende Ebene dieser Verpackung. Dabei ist DNA um Histonproteine angeordnet. Die weitere Organisation beeinflusst, welche Bereiche dichter und welche lockerer erscheinen. Unter dem Mikroskop unterscheidet man entsprechend eher dichtes Heterochromatin und lockerer erscheinendes Euchromatin.

Die räumliche Struktur steht mit der Nutzung genetischer Information in Beziehung. In einer spezialisierten Zelle werden bestimmte Abschnitte häufiger genutzt als andere. Veränderungen der Chromatinorganisation gehören zu den Möglichkeiten, diese Nutzung zu regulieren.

Während der Mitose erreicht die Verdichtung einen besonders hohen Grad. Die dann erkennbaren kompakten Chromosomen ermöglichen die geordnete Verteilung des Erbguts. In der übrigen Zeit unterstützt eine weniger kompakte Anordnung den Zugang zu den jeweils benötigten DNA-Abschnitten. [1][3]

Der Nukleolus bereitet Ribosomenuntereinheiten vor

Im Kern können ein oder mehrere Nukleoli, auch Kernkörperchen genannt, sichtbar sein. Diese Bereiche besitzen keine eigene umgebende Membran. Hier kommen bestimmte DNA-Abschnitte, gebildete ribosomale RNA und weitere beteiligte Moleküle räumlich zusammen.

Ribosomen bestehen aus RNA und Proteinen. Ein wichtiger Teil der ribosomalen RNA entsteht im Zusammenhang mit dem Nukleolus. Benötigte ribosomale Proteine werden aus dem Zytoplasma eingebracht und mit den RNA-Bestandteilen zu Vorstufen der Untereinheiten zusammengefügt. Diese durchlaufen weitere Reifungs- und Transportschritte.

Die Untereinheiten gelangen durch die Kernporen in das Zytoplasma. Dort stehen sie schließlich für die Proteinsynthese bereit. Ein ausgeprägter Nukleolus kann daher mit hoher Aktivität bei der Bereitstellung der Proteinsynthesemaschinerie zusammenhängen. Seine Beurteilung erfolgt im Zusammenhang mit dem jeweiligen Zelltyp und dessen übriger Ausstattung. [4]

Von einem DNA-Abschnitt zur Boten-RNA

Bei der Transkription wird die Information eines DNA-Abschnitts in eine RNA-Sequenz übertragen. Proteine steuern, wo der Vorgang beginnt, welcher Abschnitt genutzt wird und wie die Abschrift entsteht. Die dafür benötigte DNA wird örtlich zugänglich gemacht.

Eine für die Proteinbildung bestimmte RNA wird vor ihrer Nutzung auf mehreren Ebenen verarbeitet. Zu diesen Schritten gehört bei vielen Boten-RNAs das Spleißen: Bestimmte Abschnitte werden entfernt und die verbleibenden Teile miteinander verbunden. Die Verarbeitung trägt dazu bei, eine für den weiteren Weg geeignete RNA bereitzustellen.

Nach dem Export kann ein Ribosom im Zytoplasma die Boten-RNA lesen und Aminosäuren in der vorgegebenen Reihenfolge verbinden. Dieser Schritt heißt Translation. Transkription, Verarbeitung, Transport und Translation verbinden somit verschiedene Orte und molekulare Aufgaben. Welche Proteine schließlich verfügbar sind, hängt von der Abstimmung der gesamten Folge ab. [6]

Vor der Zellteilung wird die Information verdoppelt

Bevor eine Zelle ihre genetische Ausstattung auf Tochterzellen verteilt, muss ihre DNA vervielfältigt werden. Diese Replikation findet im Zellzyklus während der S-Phase statt. Die entstehenden Kopien werden bis zur geordneten Trennung miteinander organisiert.

Während der Mitose wird das Chromatin zunehmend zu deutlich erkennbaren Chromosomen verdichtet. Ein Spindelapparat bindet an geeignete Strukturen und ermöglicht die geordnete Verteilung. Am Ende entstehen zwei neue Kernbereiche mit der vorgesehenen genetischen Information. Die Teilung des Zellkörpers überlappt mit den späten Schritten der Mitose und führt zur räumlichen Trennung der Tochterzellen.

Kontrollmechanismen prüfen den Ablauf. Die Vervielfältigung und Verteilung müssen mit dem Zustand der DNA und der übrigen Zelle zusammenpassen. Beschädigungen können Reparatur und eine Unterbrechung des Weiterlaufens auslösen. Diese Abstimmung gehört zur geordneten Erneuerung eines Gewebes. [7]

Information wird im Zusammenhang der ganzen Zelle genutzt

Der Zellkern stellt genetische Information bereit und organisiert ihre Nutzung. Die eigentliche Zellleistung entsteht im Zusammenwirken mit den übrigen Bereichen. Ein im Kern abgelesenes Gen kann zur Bildung eines Membrantransporters führen, der später an der Oberfläche Stoffe bewegt. Für dessen Herstellung und Einbau werden weitere Organellen, Energie und geeignete Bausteine benötigt.

Umgekehrt erhält die Zelle Signale aus ihrer Umgebung. Über Verarbeitungsschritte können diese Signale die Nutzung genetischer Information beeinflussen. Die Ausstattung einer Zelle passt sich damit innerhalb ihrer Möglichkeiten an ihre Funktion und die Bedingungen des Gewebes an.

Beim Lesen eines Zellbildes lohnt es sich daher, die Verbindungen zu verfolgen: von der DNA zur RNA, durch die Kernpore zum Ribosom und weiter zum Einsatzort des entstehenden Produkts. So wird aus der abgegrenzten Struktur des Zellkerns ein verständlicher Teil der gesamten Zellorganisation. [2][5][6]

Wie ein Kernbild mit der Funktion zusammenhängt

Die sichtbare Gestalt eines Zellkerns vermittelt Informationen über seine Organisation. Ein eher lockeres Chromatinbild und gut erkennbare Nukleoli können mit einer aktiven Bereitstellung von RNA und Bestandteilen der Proteinsynthese zusammenhängen. Dichter angeordnete Bereiche erscheinen im mikroskopischen Bild anders als locker verteiltes Chromatin.

Die Deutung benötigt den Zelltyp und den Zustand des Gewebes. Eine vorbereitete Zellteilung verändert die Anordnung der DNA deutlich. Auch der gewählte Schnitt zeigt nur einen Teil des räumlichen Kerns. Ein Nukleolus kann deshalb außerhalb der betrachteten Schnittebene liegen.

Ein dünner Gewebeschnitt erfasst eine bestimmte Ebene des räumlichen Kerns. Ein zentraler Schnitt zeigt einen größeren Kernquerschnitt, ein randnaher eine kleinere Fläche. Die Verbindung von Schnittlage, Chromatinmuster und Zelltyp ermöglicht eine geordnete Beschreibung der sichtbaren Kernstruktur. [3][4]