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Zellkern – vom Chromatin zum Chromosom

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Team Digital
Zellkern – vom Chromatin zum Chromosom
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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.

Wie sieht der Zellkern aus? Abbildung Zellkern mit Beschriftung

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.

Zellkern – vom Chromatin zum Chromosom Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Zellkern – vom Chromatin zum Chromosom kannst du es wiederholen und üben.
  • Lokalisiere den Zellkern in der Zelle.

    Tipps

    Eine 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.

    Lösung

    Der 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.

    Tipps

    Eine der genannten Funktionen gehört zu einem anderen Organell.

    Im Zellkern befindet sich die DNA.

    Lösung

    Der 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.

  • Gib an, wie die DNA verpackt ist.

    Tipps

    Die Nukleosomen sind perlenförmige Einheiten.

    Das Chromatid entsteht durch die weitere Spiralisierung des Chromatins.

    Lösung

    Die 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.

  • Stelle den Aufbau des Zellkerns dar.

    Tipps

    Die 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.

    Lösung

    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 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“.

  • Bestimme die eukaryotische Zelle.

    Tipps

    In 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?

    Lösung

    Wir 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.

  • Entscheide, ob die Zellen Zellkerne enthalten.

    Tipps

    Der 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.

    Lösung

    Lebewesen, 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.