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Biologie der Zellen und Gewebe (Fach) / Zellkern+Chromosomen (Lektion)

Zellkern und CHromosomen

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  • Zellkern´: Form, Bestandsteile meist kugelförmig bis spindelförmig  bei tierischen Zellen meistens +/- zentral in der Zelle  ca. 10 % des Zellvolumens bei Säugern                                                                      →Kern-Plasma-Relation: größere Zellen haben meistens besonders große Kerne               (oft polyploid) oder sind vielkernig -Steuerzentrale der eukaryontischen Zelle -genetisches Material als DNA gelagert - Replikation des Erbmaterials bei der Zellteilung - Beginn der Übersetzung in die Sprache der Proteine
  • Strukturkomponenten Zellkern Kernhülle (doppelte Membran)  Kernporen  Chromatin (genetisches Material)  Nucleolus (Kernkörperchen)  Karyoplasma (Kern-Grundsubstanz)  Kernskelett
  • Kernhülle  phylogenetisch wahrscheinlich ältestes Endomembransystem  in hungernden Zellen werden z. B. ER und Golgi abgebaut → die Regeneration der Membransysteme geht von der Kernhülle aus  bei der Zellteilung zerfällt sie in Vesikel Struktur  äußere und innere Membran  der von beiden Membranen umschlossene Raum (Perinuclearzisterne) steht in       Verbindung mit dem ER  zum Stoffaustausch mit dem Cytoplasma dienen Kernporenkomplexe ("nuclear pore complexes", NPCs)
  • Kernporenkomplexe  Randwulst (Annulus [lat.: Ring]) aus 8 Untereinheiten  Pore von 50 - 70 nm Weite  vom Annulus reichen acht “Speichen” nach innen  in der Mitte sitzt ein “Zentralgranulum” → "Plug" (= wichtig für Kontrolle der                 Transportvorgänge!)      Gesamtmasse : 120 MDa = 30 Ribosomen !  enthalten wahrscheinlich mehr als 100 unterschiedliche Proteine, aber auch mehrere RNAs an NPC wird der Kerntransport Kontrolliert
  • Kernlamina  liegt der Innenseite der Kernhülle an  im EM dunkle Schicht unterschiedlicher Dicke  →Netzwerk aus Protein-Filamenten: besteht aus Laminen → Intermediärfilamente!      bindet stark an Chromatin      bei der Zellteilung löst sich die Kernhülle auf  geht mit Phosphorylierung der Lamine einher nach der Zellteilung Dephosphorylierung
  • Kernkörpechen- Nucleolus  kugelig, kompakt  1 - 6 % des Kernvolumens  Bildungsort der Präribosomen → geht von Satellitenchromosomen aus
  • Ribosomen  bestehen aus ribosomaler RNA (rRNA) und aus Proteinen  Einteilung erfolgt nach Sedimentationskonstanten (S-Wert)  werden in den Nucleoli des Zellkerns zusammengebaut
  • Chromosomen/Chromatin  W. Waldeyer, 1888: " ... dichte, bei Mitose und Meiose im Lichtmikroskop sichtbare Chromatingebilde ..."  Chromatin = alles, was bei der Zellteilung in den Chromosomen ist.  Heute wird der Begriff viel weiter gefaßt: auch Genome von Prokaryoten, Mitochondrien, Plastiden und Viren. Zellkern
  • Euchromatin – im elektronenmikroskopischen Bild zwischen den Zellteilungen hell, also stark dekondensiert – hohe Transkriptionsaktivität
  • Heterochromatin – elektronenmikroskopisches Bild: auch ausser- halb der Zellteilung dunkel, also relativ stark kondensiert – es handelt sich meistens um hochrepetitive DNA – wird selten transkribiert
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  • Chromosomen  Bei Eukaryonten ist das Erbmaterial komplex organisiert :                                                 – mindestens doppelt (diploid) Ausnahme: Fortpflanzungszellen, Sporen, Gametophyten– gestückelt in mehrere Stränge bzw. Chromosomen                                                            – mit Proteinen komplexiert = Chromatin  Der DNA-Gehalt ist weitaus höher als bei Prokaryonten (Vorsicht: die DNA-Menge korreliert aber nicht mit der Phylogenie/dem Entwicklungsstand !)  Lichtmikroskopisch nur bei Zellteilung zu sehen! Zellkern
  • Funktionell wichtige Teile von Chromosomen • Centromer: zentrale bis terminale Einschnürung • Telomere: Endregionen der Chromosomen • autonom replizierende Sequenzen Dies sind die Mindestanforderungen, damit ein DNAStück bei der Zellteilung auf die Tochterzellen aufgeteilt werden kann.                                                                                  →Yeast Artificial Chromosomes (YACs)!
  • Chromatinstruktur • Die Chromatinfibrillen sind in Schleifen angeordnet und bilden sog. Chromatin-Domänen. Die DNA dieser Domänen ist ca. 30 000 bis 100 000 Basenpaare ("30 - 100 kb") lang und enthält die Gene bzw. Transkriptionseinheiten. • An der Basis sind die Schleifen an einem Gerüst aus Nicht-Histon-Proteinen ("chromosome scaffold") verankert. • Die DNA-Sequenz in diesen Bereichen bildet die "scaffold attachment region" (SAR). Genom einer menschlichen Zelle: ca. 6 Milliarden Basenpaare Chromosomen (Metaphase) enthalten ~ 2 x soviel Protein wie DNA! Genom ist organisiert in ca. 30 Millionen Nucleosomen: Komplex der DNA mit Histonen • Je 2 Moleküle H2A, H2B, H3 und H4 bilden einen Octamerkomplex. • Die DNA windet sich ~ 2 x um diesen Komplex (entspricht etwa 200 Basenpaaren) = Nucleosom. • Benachbarte Octamer - DNA Komplexe werden durch das Histon H1 zusammengehalten. • Weitere Proteine kontrollieren den korrekten Zusammenbau der Octamere und die weitergehende Anordnung der Nucleosomen (Nicht-Histonproteine, non-histone proteins, NHP).
  • Histon Modifikation • Die Verbindung Histon - DNA ist sehr fest • → Hindernis bei DNA Replikation und Transkription • Lockerung der Bindung durch gezielte Modifikation der Histone!
  • Unterschied RNA gegenüber DNA • sie enthält die Base Uracil statt Thymin • als Zucker findet man die Ribose, die eine OHGruppe mehr hat • RNA ist meist einzelsträngig • häufig treten intramolekulare Basenpaarungen auf; Bsp. tRNA • der Großteil der RNA bildet mit Proteinen größere Komplexe (z. B.: Ribosomen) • RNA kann katalytisch wirken: Ribozyme; • RNA ist das genetische Material einer Reihe von Viren ([1]Polio, Influenza, TMV;[2] Rota, Reo, ...)
  • weitere Funktionen von Nukleotiden Träger chemischer Energie Bsp.: ATP (leicht spaltbare Säure-Anhydridbindungen) Bildung von Coenzymen Bsp.: CoA (in Kombination mit anderen chem. Gruppen) Bildung spezifischer Signalmoleküle Bsp.: cAMP

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