Durch eine membran abgegrenzte zellkerne finden sich bei allen lebewesen

Mit dem Zellkern befassen wir uns in diesem Artikel. Dabei erklären wir euch, welche Funktion der Zellkern hat, wie sein Aufbau aussieht und welche wichtigen Begriffe es zu diesem Bereich noch gibt. Dieser Artikel gehört zu unserem Bereich Biologie und Genetik.

Der Zellkern ist ein durch eine Membran abgegrenzter Bereich der Zelle, in dem die genetische Information in Form von Chromatin vorliegt. Der Zellkern hat eine zentrale Bedeutung für die Vererbung da sich in ihm die Chromosomen befinden. Durch Poren in der Kernmembran können RNA-Moleküle ins Zellplasma zu den Ribosomen transportiert werden.

Zellkern Aufbau

Zellkerne können je nach Zelltyp sehr unterschiedlich aussehen. Meistens sind sie kugelförmig oder oval. Die folgende Grafik zeigt den Aufbau des Zellkerns, im Anschluss werden wichtige Begriffe erläutert.

Kernmembran: Als Kernhülle oder auch Kernmembran bezeichnet man die Doppelmembran des Zellkerns einer eukaryotischen Zelle ( Hinweis: Als Eukaryoten oder Eukaryonten werden alle Lebewesen mit Zellkern und Zellmembran zusammengefasst ). Die Außenmembran ist von Ribosomen besetzt. An die innere Membran grenzt zum Kerninnern hin eine 30-100 nm dicke Schicht von intermediären Lamin-Filamenten (nuclear lamina). Sie stabilisieren den Zellkern, dienen als Fixierung für die Chromatinfäden und werden während der Mitose ab- und wieder aufgebaut.

Nucleolus: Als Nucleolus bezeichnet man das Kernkörperchen einer eukaryotischen Zellen. Hierbei handelt es sich um ein kugelförmiges Gebilde innerhalb des Zellkerns. Es lässt sich vom Rest des Zellkerns funktionell abgrenzen, verfügt aber über keine eigene Membran.

Kernpore: Kernporen sind Proteinkomplexe in der Kernhülle der Zellkerne von eukaryotischen Zellen. Kernporen gehen durch beide Membranen hindurch, sie fungieren somit als „Tore“ und erlauben den Transport von bestimmten Molekülen in und aus dem Zellkern. In der Kernhülle einer Wirbeltierzelle gibt es etwa 2.000 Poren.

Karyoplasma: Als Karyoplasma, auch Kernplasma oder Nucleoplasma, wird der Inhalt des Zellkerns bezeichnet, der von der Kernhülle umschlossen wird. Es enthält das Chromatin, die fädige Form dekondensierter Chromosomen und die Nucleoli. Das Wort leitet sich aus den griechischen Wörtern karyon für Kern und plasma für Gebilde ab. Die unstrukturierte Grundmasse des Karyoplasmas wird Karyolymphe (Kernsaft, Interchromatinsubstanz) genannt.

Zellkern Funktion

Der Zellkern hat die Funktion der Steuerung einer Zelle; er stellt somit das Steuerzentrum dar. Der Zellkern enthält den Großteil der Erbinformation einer Zelle. Das genetische Material liegt dabei in Form von Chromosomen vor, die jedoch nur während der Zellteilung also solche zu erkennen sind. In der übrigen Zeit erscheint das Chromatin als unstrukturierte Masse.

Der Zellkern steuert sämtliche Stoffwechselprozesse innerhalb einer Zelle durch Einsatz von Botenmolekülen aus RNA. Die einzelnen RNA-Botenmoleküle enthalten die genetischen Informationen für die Aminosäuresequenz eines bestimmten Proteins.

Mitochondrien

Mitochondrien stellen die "Kraftwerke" einer Zelle dar. Mitochondrien kommen in den Zellen fast aller Eukaryoten (Organismen, deren Zellen Zellkerne haben) vor. Bei wenigen einzelligen Eukaryoten sowie bei Prokaryoten kommen sie nicht vor. Mitochondrien fungieren als „Energiekraftwerke“, indem sie der Zelle das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat zur Verfügung stellen. Mitochondrien werden nicht neu gebildet, sondern gehen durch Teilung auseinander hervor. Bei Zellteilungen werden sie von der Mutterzelle auf die Tochterzellen verteilt.

Die Anzahl der Mitochondrien hängt primär von der Zellgröße und ihrer Aktivität ab. In einer einzelligen Amöbe finden sich 50.000 davon, in manchen Eizellen kommen rund 100.000 vor.

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Kompartimentierung einfach erklärt

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(00:13)

Wenn du eine eukaryotische Zelle unter einem Elektronenmikroskop betrachtest, wird dir auffallen, dass diese in bestimmte Bereiche unterteilt ist. Es handelt sich hierbei um die sogenannte Kompartimentierung (Zellkompartimentierung). Die einzelnen Bereiche werden entsprechend als Kompartimente bezeichnet. 

Das betrifft vor allem die Zellen höherer Lebewesen, also die Eukaryoten (Tiere , Pflanzen und Pilze). 

Zellkompartimente sind meist durch eine einfache oder doppelte Trennschicht (Biomembran) voneinander abgegrenzt. Sie ist nur für bestimmte Stoffe durchlässig und ermöglicht, dass in jedem Kompartiment unterschiedliche Bedingungen wie pH-Wert, Ionenkonzentration oder  Enzymausstattung herrschen können. Dadurch können in der Zelle unterschiedliche biochemische Reaktionen gleichzeitig und unabhängig voneinander stattfinden.

Es bilden sich also abgegrenzte Reaktionsräume, in denen sich die darin enthaltenen Stoffe (fast) nicht mit Stoffen aus anderen Kompartimenten vermischen und dadurch den Reaktionsverlauf negativ beeinflussen würden.

Wichtige Zellkompartimente sind beispielsweise die Mitochondrien, in denen Energie gewonnen wird, oder auch die Chloroplasten in Pflanzenzellen, die Photosynthese betreiben.

Definition

Die Kompartimentierung bzw. Zellkompartimentierung ist ein wichtiges Grundprinzip in der Biologie. Du kannst darunter die Bildung verschiedener Räume (Kompartimente) innerhalb von Zellen verstehen, die meist durch Membrane abgegrenzt sind.

Kompartimentierung Zelle

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Wie du bereits gelernt hast, besitzen Zellen bestimmte Zellkompartimente, die in sich geschlossene funktionale Einheiten bilden.

Du kannst dir das Prinzip der Zellkompartimentierung wie ein Haus mit vielen verschiedenen Zimmern (z.B. Küche, Bad, Schlafzimmer) vorstellen. Das Haus soll in diesem Vergleich für die Zelle stehen und die einzelnen Zimmer für die jeweiligen Zellkompartimente. Jedes Zimmer zeichnet sich durch spezielle Möbel aus (z.B. Klo, Dusche, Backofen, Bett), in jedem Zimmer finden unterschiedliche Aktivitäten statt (z.B. kochen, duschen, schlafen) und jedes Zimmer ist von den anderen Zimmern räumlich abgegrenzt.

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Kompartimentierung durch Biomembranen

Genauso verhält es sich auch in den Zellen: Die Zellkompartimente sind meist durch einfache (z.B. beim Zellkern) oder doppelte Biomembranen (z.B. bei Mitochondrien oder Chloroplasten) voneinander getrennt. Es handelt sich hierbei um eine Doppelschicht, die aus sogenannten Phospholipiden besteht.

Sie sorgt dafür, dass nur bestimmte Stoffe, wie kleine, ungeladene Moleküle (z.B. Wasser H2O) oder Gase (Sauerstoff O2) die Membranen und somit die Kompartimente passieren oder verlassen können (=selektive Permeabilität).

Diese „selektive Barriere“ sorgt nun dafür, dass in jedem Kompartiment unterschiedliche Bedingungen wie der pH-Wert , Ionenkonzentration usw. herrschen können.  

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In den Chloroplasten selbst kommt sogar noch weiteres Kompartiment – die Thylakoidmembran – hinzu. Sie bildet einen eigenständigen, stapelförmigen Reaktionsraum, in dem ein Teilprozess der Photosynthese, nämlich die Lichtreaktion , stattfindet.

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Kompartimentierungsregel

Die Kompartimentierungsregel nach E.Schnepf besagt, dass alle membranumgrenzten Reaktionsräume in eukaryotischen Zellen immer eine plasmatische und nicht plasmatische Seite aufweisen. Diese werden durch eine Biomembran voneinander abgegrenzt. Außerhalb der Zellmembran liegt dann die nicht plasmatische Seite vor, innerhalb der Zelle die plasmatische. 

Außerdem kannst du dir noch merken, dass die Inhalte des Endoplasmatischen Retikulums, des Golgi-Apparat, der Lysosomen, der Vakuolen und der Vesikel zu der nicht plasmatischen Seite gezählt werden können. 

Sonderfälle

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Es gibt aber auch Zellkompartimente, die nicht von Zellmembranen abgegrenzt werden. Allerdings muss sich in diesem Fall dann der Bereich strukturell oder funktionell von der Umgebung abheben.

Das Cytoplasma, also die innere Zellsubstanz, wird als eigenständiges Kompartiment bezeichnet, obwohl es von keiner eigenen Membran umgeben ist. Laut mancher Definitionen kann auch die Plasmamembran selbst als Zellkompartiment bezeichnet werden. 

Eine weitere Ausnahme stellen bestimmte Bereiche im Zellkern, in denen die Erbinformation (DNA) und Proteine verpackt sind dar. Je nachdem, wie dicht dieses Netzwerk (=Chromatin) ist, kannst du zwischen dem euchromatischen Bereich (aufgelockert, weniger dicht) und dem heterochromatischen Bereich (sehr dicht) unterscheiden.

Definitionsgemäß bezieht sich die Abgrenzung in Kompartimente auf die höheren, eukaryotischen Zellen. Behalte aber im Hinterkopf, dass auch Prokaryoten begrenzte Räume besitzen können. Ein Beispiel hierfür sind sogenannte Chlorosomen, in denen Photosynthese ablaufen kann. 

Achte auch darauf, dass manche Definitionen die Begriffe Zellorganellen und Zellkompartimente synonym verwenden und in anderen Abgrenzungen vorgenommen werden. 

Kompartimentierung Bedeutung

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(02:54)

Welche Bedeutung hat die Kompartimentierung nun für unsere Zellen? Relevante Aspekte sind die Bildung von Reaktionsräumen, die Bildung von Konzentrationsunterschieden und die Beschleunigung der stattfindenden Stoffwechselreaktionen.

Bildung von Reaktionsräumen

Die wichtigste Bedeutung der Kompartimentierung ist, dass klar definierte, abgegrenzte Reaktionsräume entstehen können. In ihnen können dann verschiedene relevante Stoffwechsel oder Entgiftungsprozesse ablaufen, die sich ohne eine Abgrenzung gegenseitig beeinflussen würden. Das würden den gesamten  Zellstoffwechsel durcheinander bringen.

Beispiele stellen hier die Kompartimentierung in den Mitochondrien dar. In ihnen läuft unter anderem der Citratzyklus und die Atmungskette  zur Energiegewinnung (ATP ) ab. Weitere Beispiele sind die Bildung von Membranmaterial im Endoplasmatischen Retikulum (ER). 

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Durch die Zellkompartimentierung können diese Reaktionen gleichzeitig und unabhängig voneinander ablaufen. Die Abgrenzung durch die Biomembran ermöglicht einerseits ein konstantes inneres Milieu innerhalb der Kompartimente, denn jede Reaktion benötigt einen unterschiedlichen pH-Wert, Ionenkonzentration oder Enzymausstattung. Im Citratzyklus werden beispielsweise andere Enzyme benötigt als zur Herstellung von Proteinen . 

Bildung von Konzentrationsunterschieden

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(03:28)

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Kompartimentierung liegt im Aufbau von sogenannten Konzentrationsunterschieden oder Konzentrationsgradienten zwischen zwei unterschiedlichen Kompartimenten.

Darunter kannst du verstehen, dass sich bestimmte Stoffe wie Ionen in einem membranumschlossenen Kompartiment anreichern. Da die Membranen, wie du bereits gelernt hast, für manche Stoffe eine Art Barriere darstellen, können sie das Kompartiment nicht mehr verlassen. Das hat zur Folge, dass dieser Stoff im benachbarten Kompartiment hingegen kaum oder gar nicht vorhanden ist.

Den dadurch entstehende Unterschied der jeweiligen Konzentrationen kannst du als Konzentrationsgradient bezeichnen. Das spielt vor allem bei der ATP-Herstellung (z.B. in der Atmungskette oder der Photosynthese) oder dem Membrantransport eine tragende Rolle. Um diesen Konzentrationsunterschied auszugleichen, können Stoffe beispielsweise durch spezielle Kanäle die Membran durchqueren und dadurch auf das Kompartiment verlassen.

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Beschleunigung der Stoffwechselreaktionen  

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Von großer Bedeutung ist auch die Beschleunigung der Stoffwechselreaktionen, die durch eine Bildung von begrenzten Zellkompartimenten zustande kommt.

Da die an den Reaktionen beteiligten Teilchen nicht in der gesamten Zelle „lose“ verteilt sind, sondern sich in einem abgetrennten Kompartiment befinden, liegen sie dort in einer höheren Konzentration vor. Dadurch erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens dieser Teilchen, was wiederum eine stattfindenden Reaktion wahrscheinlicher macht (Ficksches Gesetz ). Das erhöht auch die Anzahl der Produkte und sorgt für mehr Effizienz der Zellreaktionen. 

Endomembransystem

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Die Kompartimente der Zellen sind nicht immer ein klar definierter Bereich (z.B. ein Mitochondrium, das durch doppelte Membranhülle begrenzt ist), sondern können durchaus ein dynamisches Gebilde darstellen.

Das ist beim sogenannten Endomembransystem der Fall. Hier sind alle membranumhüllten Kompartimente gemeint, die durch den Transport kleiner membranumhüllter Bläschen – den sogenannten Vesikeln – miteinander verbunden sind. 

Dazu zählt beispielsweise das Endoplasmatische Retikulum und der Golgi Apparat. Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Netzwerk aus membranumhüllten Schläuchen und kleinen Säcken und sorgt für die Bildung von Membranmaterial. Dieses wird in kleinen Vesikeln verpackt und zum Golgi Apparat transportiert. Die Vesikel bilden sich, indem sie von der ursprünglichen Zellmembran abgeschnürt werden. Den Vorgang kannst du als Exocytose bezeichnen.

Die Vesikel können dann mit der Membran des Golgi – Apparats verschmelzen (fusionieren) und dadurch dort aufgenommen werden. Den Prozess kannst du als als Endocytose verstehen. Da sich die Membranen durch den Vesikeltransport immer wieder verkürzen oder verlängern kannst du hier von dynamischen Kompartimenten sprechen. 

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