Kern und Kernhülle
In fast jeder deiner Körperzellen liegen rund zwei Meter DNA – verpackt in einem Zellkern, der meist nur 5 bis 10 Mikrometer misst. Der Kern schützt diese Erbinformation, liest gezielt einzelne Gene ab und kontrolliert genau, welche Moleküle hinein- und hinausgelangen.
Einfach erklärt
In fast jeder Körperzelle gibt es einen Zellkern. Er ist die Steuerzentrale in der Zelle. Im Kern liegt die DNA – das ist die Erbinformation. Sie ist rund zwei Meter lang. Der Kern schützt die DNA. Er kopiert sie vor jeder Teilung. Er liest einzelne Gene ab. So steuert er die Zelle.
Um den Kern liegt die Kernhülle. Sie besteht aus zwei dünnen Häuten. In ihr sitzen viele Kernporen – das sind kontrollierte Tore. Eiweiße kommen durch sie hinein. Abschriften von Genen gehen hinaus.
Ein berühmter Versuch zeigt: Der Kern bestimmt die Merkmale. In den 1930er-Jahren forscht Joachim Hämmerling mit einer Schirmalge. Diese Alge ist eine einzige große Zelle. Er setzt Teile von zwei Arten zusammen. Am Ende bestimmt immer der Kern die Hutform.
Merke: Der Zellkern speichert die DNA und steuert die Zelle.
Das lernst du hier
- Du beschreibst den Bau des Zellkerns mit Kernhülle, Kernporen, Kernkörperchen und Chromatin.
- Du erklärst die Aufgaben des Zellkerns.
- Du erläuterst, welche Stoffe durch die Kernporen transportiert werden und warum.
- Du wertest das Pfropfexperiment mit der Schirmalge aus.
Was ist der Zellkern? Aufgaben und Funktion
Definition: Zellkern
Der Zellkern ist das von einer doppelten Membran umschlossene Organell in den Zellen von Tieren, Pflanzen und Pilzen, das die DNA enthält. Seine Funktion: Er speichert die Erbinformation und steuert über die Aktivität der Gene, was die Zelle tut. Bakterien haben keinen Zellkern.
Der Zellkern (lateinisch Nucleus) ist meist das größte Organell der Zelle und nach dem Anfärben schon im Lichtmikroskop gut zu sehen. Er enthält fast die gesamte Erbinformation der Zelle. Seine Aufgaben:
- Speichern und schützen: Die DNA liegt im Kern, getrennt von den vielen Enzymen und Reaktionen im Zytoplasma.
- Kopieren: Vor jeder Zellteilung wird die DNA im Kern verdoppelt (Replikation).
- Ablesen und steuern: Gene werden im Kern in mRNA umgeschrieben (Transkription). Welche Gene aktiv sind, bestimmt, welche Proteine eine Zelle bildet – und damit, was sie kann.
- Ribosomen vorbereiten: Im Kernkörperchen entstehen die Bausteine der Ribosomen.
Die meisten Zellen haben genau einen Kern. Es gibt aber Ausnahmen: Reife rote Blutkörperchen von Säugetieren stoßen ihren Kern ab und haben so mehr Platz für den Blutfarbstoff Hämoglobin. Skelettmuskelfasern entstehen dagegen aus vielen verschmolzenen Zellen und besitzen Hunderte Kerne.
Aufbau des Zellkerns: Kernhülle und Kernporen
Die Kernhülle besteht aus zwei Biomembranen, zwischen denen ein schmaler Spalt liegt. Die äußere Membran ist mit Ribosomen besetzt und geht direkt in das raue ER über. An der Innenseite stabilisiert ein Netz aus Proteinfasern, die Kernlamina, die Form des Kerns. An ihr ist ein Teil des Chromatins verankert.
Funktion der Kernhülle: Sie trennt die DNA vom Zytoplasma und schützt sie so vor den vielen Enzymen und Reaktionen dort. Außerdem trennt sie die Transkription (im Kern) räumlich von der Translation (im Zytoplasma). Über die Kernporen bleibt der Austausch trotzdem möglich – aber kontrolliert. Wie dieser Grenzverkehr im Einzelnen funktioniert, erklärt die Seite Kernporen.
Die Hülle ist von einigen Tausend Kernporen durchbrochen. Das sind keine einfachen Löcher, sondern riesige Komplexe aus vielen Proteinen, die den Verkehr kontrollieren:
| Richtung | Was wird transportiert? | Warum? |
|---|---|---|
| in den Kern | Histone, DNA- und RNA-Polymerasen, Transkriptionsfaktoren, ribosomale Proteine | Alle Proteine entstehen im Zytoplasma; im Kern werden sie für Verpackung, Replikation, Transkription und Ribosomenbau gebraucht. |
| aus dem Kern | mRNA, tRNA, Untereinheiten der Ribosomen | Die Translation findet im Zytoplasma statt. |
| in beide Richtungen | Wasser, Ionen, kleine Moleküle wie Nukleotide | Sie passieren die Pore frei durch Diffusion. |
In der Mitose zerfällt die Kernhülle in der Prophase und bildet sich in der Telophase um die beiden neuen Chromosomensätze neu.
Kernkörperchen und Chromatin
Das Kernkörperchen (Nucleolus) ist ein dichter Bereich im Kern ohne eigene Membran. Hier wird die ribosomale RNA (rRNA) hergestellt und mit eingeführten Proteinen zu den Untereinheiten der Ribosomen zusammengesetzt. Zellen, die viele Proteine bilden, haben deshalb besonders große Kernkörperchen.
Der Rest des Kerninhalts ist das Kernplasma mit dem Chromatin: DNA, die um Proteine gewickelt ist, vor allem um die Histone. Locker gepacktes Chromatin heißt Euchromatin; hier liegen vor allem aktive Gene, die abgelesen werden können. Dicht gepacktes Heterochromatin liegt oft am Rand des Kerns und ist überwiegend inaktiv. Vor einer Zellteilung verdichtet sich das gesamte Chromatin zu kompakten Chromosomen.
Merke
Der Zellkern speichert die DNA und steuert über die Aktivität der Gene die Zelle. Die Kernhülle ist eine Doppelmembran mit Kernporen, die den Austausch kontrollieren: Proteine gelangen hinein, RNA und Ribosomen-Untereinheiten hinaus. Im Kernkörperchen entstehen Bausteine der Ribosomen.
Der Kern steuert die Zelle: das Experiment mit der Schirmalge
Dass der Zellkern die Merkmale einer Zelle bestimmt, zeigte in den 1930er-Jahren der deutsche Biologe Joachim Hämmerling an der Schirmalge Acetabularia. Diese Meeresalge besteht aus einer einzigen, mehrere Zentimeter großen Zelle: einem Fuß (Rhizoid) mit dem Zellkern, einem langen Stiel und einem Hut. Weil sie so groß ist, kann man sie zerschneiden und Teile verschiedener Arten aufeinandersetzen (pfropfen).
- Hut abschneidenEine Alge mit Kern bildet nach dem Abschneiden immer wieder einen neuen Hut. Ein Stielstück ohne Kern kann höchstens noch einmal einen Hut bilden, danach nicht mehr.
- PfropfenHämmerling setzte ein kernloses Stielstück der Art A. mediterranea (glatter Hut) auf den Fuß mit Kern der Art A. crenulata (zipfeliger Hut).
- ErgebnisDer erste neue Hut zeigte oft Merkmale beider Arten. Schnitt man ihn ab, bildete sich ein Hut, der eindeutig der Art entsprach, von der der Kern stammte.
Daraus folgt: Die Information für die Form des Hutes liegt im Zellkern. Der Kern gibt Botenstoffe ins Zytoplasma ab, die eine Zeit lang wirksam bleiben – deshalb kann ein kernloses Stück noch einmal einen Hut bilden, und deshalb zeigt der erste Hut nach dem Pfropfen noch Merkmale des Stiels. Heute wissen wir, dass diese Botenstoffe vor allem mRNA-Moleküle sind. Alle Versuche Schritt für Schritt mit Schaubildern zeigt die Seite Acetabularia-Experiment.
Wusstest du?
Schon ein einziger Basenaustausch in einem Gen für die Kernlamina kann schwere Folgen haben: Beim Hutchinson-Gilford-Progerie-Syndrom ist das Gen für das Protein Lamin A verändert. Die Kernhülle wird instabil, und betroffene Kinder altern stark beschleunigt. Die Ursache wurde 2003 aufgeklärt.
Typische Fehler
- „Kernporen sind einfache Löcher in der Kernhülle.“ Falsch – jede Kernpore ist ein großer Proteinkomplex, der den Durchtritt größerer Moleküle kontrolliert.
- „Chromosomen sind im Kern immer zu sehen.“ Falsch – als kompakte Chromosomen erscheint die DNA nur während der Kernteilung. Sonst liegt sie als Chromatin vor.
- „Das Kernkörperchen ist ein eigenes Organell mit Membran.“ Falsch – es ist ein dichter Bereich ohne Membran.
- „Jede Zelle hat genau einen Zellkern.“ Falsch – reife rote Blutkörperchen haben keinen, Skelettmuskelfasern viele.
Der Kernporenkomplex: Transport mit Ausweiskontrolle
Der Kernporenkomplex gehört zu den größten Proteinkomplexen der Zelle. Er besteht aus rund 30 verschiedenen Proteinen, den Nukleoporinen, die jeweils in vielfacher Kopie vorliegen – insgesamt mehrere Hundert Proteine, angeordnet in einer achtzähligen Symmetrie. Der Zentralkanal ist mit ungeordneten Proteinketten gefüllt, die viele Wiederholungen der Aminosäuren Phenylalanin und Glycin tragen (FG-Nukleoporine). Sie bilden ein dichtes, gelartiges Netz.
Kleine Moleküle schlüpfen durch dieses Netz einfach hindurch. Für größere Moleküle – als grobe Grenze gilt eine Masse von etwa 40 Kilodalton – ist es eine Barriere. Sie gelangen nur mithilfe von Transportrezeptoren hindurch, die mit den FG-Ketten in Wechselwirkung treten:
- Import: Proteine, die in den Kern gehören, tragen ein Kernlokalisierungssignal (NLS), eine kurze Aminosäurefolge, oft reich an Lysin und Arginin. Ein Importin erkennt das Signal, bindet das Protein und schleust es durch die Pore.
- Export: Moleküle mit einem Kernexportsignal (NES) werden von Exportinen hinausgebracht. Die mRNA nutzt eigene Exportrezeptoren und verlässt den Kern erst, wenn sie fertig bearbeitet ist.
Woher „weiß“ der Transport die Richtung? Entscheidend ist das kleine Protein Ran. Im Kern liegt es überwiegend in der Form Ran-GTP vor, im Zytoplasma als Ran-GDP. Ran-GTP löst im Kern die Fracht vom Importin und belädt Exportine; im Zytoplasma wird GTP gespalten, und die Exportfracht wird frei. Dieses Konzentrationsgefälle wirkt wie eine Einbahnstraßen-Regelung, die mit Energie aus GTP aufrechterhalten wird.
Der Verkehr ist enorm: Eine einzige Kernpore kann pro Sekunde bis zu rund 1000 Makromoleküle befördern. Fehler im Kerntransport spielen bei manchen Krebserkrankungen, Virusinfektionen und Nervenkrankheiten eine Rolle – viele Viren nutzen gezielt die Importmaschinerie, um ihr Erbgut in den Kern zu bringen.
Vertiefen: zwei Kapitel zum Zellkern
Fachbegriffe
- Zellkern (Nucleus)
- Organell mit der Erbinformation; steuert die Zelle über die Genaktivität.
- Kernhülle
- Doppelmembran um den Kern; die äußere Membran geht ins raue ER über.
- Kernpore
- Proteinkomplex in der Kernhülle, der den Stoffaustausch kontrolliert.
- Kernlamina
- Netz aus Proteinfasern an der Innenseite der Kernhülle; gibt Form und Halt.
- Kernkörperchen (Nucleolus)
- Bereich ohne Membran, in dem die Untereinheiten der Ribosomen entstehen.
- Chromatin
- DNA mit Proteinen (v. a. Histonen) im Zellkern.
- Euchromatin / Heterochromatin
- Locker gepacktes, aktives bzw. dicht gepacktes, meist inaktives Chromatin.
- Kernlokalisierungssignal (NLS)
- Kurze Aminosäurefolge, die ein Protein für den Import in den Kern markiert.
Aufgaben
- AFB IBeschreibe den Bau der Kernhülle.
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Die Kernhülle besteht aus zwei Biomembranen mit einem Zwischenraum. Die äußere Membran trägt Ribosomen und geht in das raue ER über. Innen liegt die Kernlamina aus Proteinfasern. Die Hülle ist von vielen Kernporen durchbrochen. - AFB INenne je zwei Stoffe, die durch die Kernporen in den Kern hinein und aus ihm heraus transportiert werden.
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Hinein: z. B. Histone, DNA-Polymerase, RNA-Polymerase, ribosomale Proteine, Transkriptionsfaktoren. Heraus: mRNA, tRNA, Untereinheiten der Ribosomen. - AFB IIZellen der Bauchspeicheldrüse, die viele Enzyme bilden, haben besonders große Kernkörperchen. Erkläre diesen Zusammenhang.
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Proteine entstehen an Ribosomen. Zellen mit hoher Proteinproduktion brauchen sehr viele Ribosomen. Deren Untereinheiten werden im Kernkörperchen aus rRNA und Proteinen zusammengesetzt – ein großes Kernkörperchen spricht für eine hohe Ribosomenproduktion. - AFB IIWerte das Pfropfexperiment mit Acetabularia (Abb. 2) aus: Welche Schlussfolgerung lässt es zu, und warum zeigt der erste neue Hut oft Merkmale beider Arten?
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Der dauerhaft gebildete Hut entspricht der Art, von der der Kern stammt. Also enthält der Zellkern die Information für die Hutform und steuert die Merkmalsausbildung. Der erste Hut zeigt Mischmerkmale, weil im aufgesetzten Stiel noch Botenstoffe (mRNA) des ursprünglichen Kerns vorhanden sind. Erst wenn sie verbraucht sind, wirkt allein der neue Kern. - AFB IIReife rote Blutkörperchen des Menschen haben keinen Zellkern und leben nur etwa 120 Tage. Erläutere Vor- und Nachteile des fehlenden Kerns.
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Vorteil: mehr Platz für Hämoglobin und damit mehr Sauerstofftransport; die Zelle ist klein und verformbar. Nachteil: Ohne Kern kann die Zelle keine neue mRNA bilden, verbrauchte Proteine nicht ersetzen und sich nicht teilen. Sie altert deshalb schnell und muss ständig im Knochenmark neu gebildet werden. - AFB IIIEine Forscherin hängt an ein Protein, das normalerweise im Zytoplasma bleibt, ein Kernlokalisierungssignal (NLS) und zusätzlich ein grün fluoreszierendes Protein (GFP) an. Entwickle eine Hypothese, wo sich das Protein anreichert, und plane ein Kontrollexperiment.
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Hypothese: Das NLS wird von Importinen erkannt, das Fusionsprotein wird in den Kern importiert und reichert sich dort an; im Fluoreszenzmikroskop leuchtet der Kern grün. Kontrolle: dasselbe Protein mit GFP, aber ohne NLS (oder mit einem NLS, in dem die entscheidenden Lysine ausgetauscht sind). Erwartung: Fluoreszenz bleibt im Zytoplasma. Nur wenn beide Ergebnisse so ausfallen, ist gezeigt, dass das NLS die Ursache für den Import ist. Hinweis: Sehr kleine Proteine könnten auch ohne NLS teilweise in den Kern diffundieren.
Weiterlernen
Quellen & Stand
- Alberts, B. u. a.: Molecular Biology of the Cell, 7. Auflage, W. W. Norton 2022, Kapitel 4 (Chromatin) und 12 (Kerntransport).
- Campbell Biologie, 11. Auflage, Pearson 2019, Kapitel 6.
- Hämmerling, J.: Nucleo-cytoplasmic relationships in the development of Acetabularia. International Review of Cytology 2, 1953.
- Eriksson, M. u. a.: Recurrent de novo point mutations in lamin A cause Hutchinson–Gilford progeria syndrome. Nature 423, 2003, S. 293–298.
- NHGRI Talking Glossary: Nucleus, Nuclear Membrane, Nucleolus.
Stand: Oktober 2026. Fachlich überarbeitet für Klasse 9–13.