KERNMEMBRAN: EIGENSCHAFTEN, FUNKTIONEN UND ZUSAMMENSETZUNG - BIOLOGIE - 2025

Die Kernmembran, Kernhülle oder Karyote ist eine biologische Membran, die von einer Lipiddoppelschicht gebildet wird, die das genetische Material eukaryotischer Zellen umgibt.

Es ist eine ziemlich komplexe Struktur und mit einem präzisen Regelsystem ausgestattet, das aus zwei Doppelschichten besteht: einer inneren und einer äußeren Membran. Der Raum zwischen den beiden Membranen wird als perinukleärer Raum bezeichnet und ist ungefähr 20 bis 40 Nanometer breit.

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Die äußere Membran bildet ein Kontinuum mit dem endoplasmatischen Retikulum. Aus diesem Grund hat es Ribosomen in seiner Struktur verankert.

Die Membran ist durch das Vorhandensein von Kernporen gekennzeichnet, die den Verkehr von Substanzen vom Inneren des Kerns zum Zytoplasma der Zelle und umgekehrt vermitteln.

Der Durchgang von Molekülen zwischen diesen beiden Kompartimenten ist ziemlich beschäftigt. RNA- und ribosomale Untereinheiten müssen ständig vom Kern auf das Zytoplasma übertragen werden, während Histone, DNA, RNA-Polymerase und andere Substanzen, die für die Aktivität des Kerns erforderlich sind, vom Zytoplasma in den Kern importiert werden müssen.

Die Kernmembran enthält eine signifikante Anzahl von Proteinen, die an der Organisation des Chromatins und auch an der Regulation der Gene beteiligt sind.

Allgemeine Charakteristiken

Quelle Coutinho HD, Falcão-Silva VS, Fernandes Gonçalves G, Batista da Nóbrega R, über Wikimedia Commons

Die Kernmembran ist eines der bekanntesten Unterscheidungsmerkmale eukaryotischer Zellen. Es ist eine hochorganisierte doppelte biologische Membran, die das nukleare genetische Material der Zelle - das Nucleoplasma - einschließt.

Im Inneren finden wir Chromatin, eine Substanz aus DNA, die an verschiedene Proteine ​​gebunden ist, hauptsächlich Histone, die eine effektive Verpackung ermöglichen. Es ist in Euchromatin und Heterochromatin unterteilt.

Durch Elektronenmikroskopie erhaltene Bilder zeigen, dass die äußere Membran ein Kontinuum mit dem endoplasmatischen Retikulum bildet, so dass auch Ribosomen an der Membran verankert sind. In ähnlicher Weise bildet der perinukleäre Raum ein Kontinuum mit dem Lumen des endoplasmatischen Retikulums.

An der Seite des Nucleoplasmas in der inneren Membran verankert, finden wir eine blattartige Struktur, die von Proteinfilamenten gebildet wird, die als "Kernfolie" bezeichnet werden.

Die Membran des Kerns ist durch eine Reihe von Poren perforiert, die den regulierten Verkehr von Substanzen zwischen nuklearem und zytoplasmatischem Verhalten ermöglichen. Beispielsweise wird bei Säugetieren geschätzt, dass es durchschnittlich 3.000 bis 4.000 Poren gibt.

Es gibt sehr kompakte Chromatinmassen, die an der inneren Membran der Hülle haften, mit Ausnahme von Bereichen, in denen Poren vorhanden sind.

Funktion

Die intuitivste Funktion der Kernmembran besteht darin, eine Trennung zwischen dem Nucleoplasma - dem Inhalt des Nucleus - und dem Cytoplasma der Zelle aufrechtzuerhalten.

Auf diese Weise wird die DNA sicher gehalten und vor chemischen Reaktionen isoliert, die im Zytoplasma stattfinden und das genetische Material negativ beeinflussen können.

Diese Barriere bietet eine physikalische Trennung von Kernprozessen wie der Transkription und von zytoplasmatischen Prozessen wie der Translation.

Der selektive Transport von Makromolekülen zwischen dem Inneren des Kerns und dem Zytoplasma erfolgt dank des Vorhandenseins von Kernporen und ermöglicht die Regulation der Genexpression. Zum Beispiel in Bezug auf das Spleißen von Prä-Messenger-RNA und den Abbau von reifen Messenger.

Eines der Schlüsselelemente ist die Kernschicht. Dies unterstützt den Kern und bietet eine Verankerungsstelle für die Chromatinfasern.

Zusammenfassend ist die Kernmembran keine passive oder statische Barriere. Es trägt zur Organisation des Chromatins, zur Expression von Genen, zur Verankerung des Kerns im Zytoskelett, zu den Prozessen der Zellteilung bei und hat möglicherweise andere Funktionen.

Ausbildung

Während der Prozesse der Kernteilung ist die Bildung einer neuen Kernhülle notwendig, da die Membran schließlich verschwindet.

Dies wird aus vesikulären Komponenten des rauen endoplasmatischen Retikulums gebildet. Mikrotubuli und Zellmotoren des Zytoskeletts sind aktiv an diesem Prozess beteiligt.

Komposition

Die Kernhülle besteht aus zwei Lipiddoppelschichten aus typischen Phospholipiden mit mehreren integralen Proteinen. Der Raum zwischen den beiden Membranen wird als intramembraner oder perinukleärer Raum bezeichnet, der sich mit dem Lumen des endoplasmatischen Retikulums fortsetzt.

Auf der Innenseite der inneren Kernmembran befindet sich eine charakteristische Schicht aus Zwischenfilamenten, die als Kernschicht bezeichnet wird und mit Hilfe von Heterochromarin H an die Proteine ​​der inneren Membran gebunden ist.

Die Kernhülle weist zahlreiche Kernporen auf, die die Kernporenkomplexe enthalten. Dies sind zylinderförmige Strukturen aus 30 Nucleoporinen (diese werden später ausführlich beschrieben). Mit einem zentralen Durchmesser von ca. 125 Nanometern.

Kernmembranproteine

Trotz der Kontinuität mit dem Retikulum präsentieren sowohl die äußere als auch die innere Membran eine Gruppe spezifischer Proteine, die im endoplasmatischen Retikulum nicht gefunden werden. Die bekanntesten sind die folgenden:

Nucleoporine

Unter diesen spezifischen Proteinen der Kernmembran befinden sich die Nucleoporine (in der Literatur auch als Nups bekannt). Diese bilden eine Struktur, die als Kernporenkomplex bezeichnet wird und aus einer Reihe wässriger Kanäle besteht, die den bidirektionalen Austausch von Proteinen, RNA und anderen Molekülen ermöglichen.

Mit anderen Worten, Nucleoporine fungieren als eine Art molekulares "Gate", das sehr selektiv den Durchgang verschiedener Moleküle vermittelt.

Das hydrophobe Innere des Kanals schließt bestimmte Makromoleküle aus, abhängig von der Größe desselben und seiner Polarität. Kleine Moleküle, ungefähr weniger als 40 kDa oder hydrophob, können passiv durch den Porenkomplex diffundieren.

Im Gegensatz dazu benötigen Moleküle polarer Natur, die größer sind, einen Kerntransporter, um in den Kern einzutreten.

Transport durch den Kernporenkomplex

Der Transport durch diese Komplexe ist sehr effektiv. Etwa 100 Histonmoleküle können pro Minute eine einzelne Pore passieren.

Das Protein, das an den Kern abgegeben werden muss, muss an Importin Alpha binden. Importin Beta bindet diesen Komplex an einen äußeren Ring. Somit gelingt es dem Protein-assoziierten Importin alpha, den Porenkomplex zu durchqueren. Schließlich dissoziiert Importin Beta im Zytoplasma vom System und Importin Alpha dissoziiert bereits im Zellkern.

Proteine ​​der inneren Membran

Eine andere Reihe von Proteinen ist spezifisch für die innere Membran. Der größte Teil dieser Gruppe von fast 60 integralen Membranproteinen wurde jedoch nicht charakterisiert, obwohl festgestellt wurde, dass sie mit der Lamina und mit Chromatin interagieren.

Es gibt zunehmend Hinweise, die verschiedene und wesentliche Funktionen für die innere Kernmembran unterstützen. Es scheint eine Rolle bei der Organisation von Chromatin, bei der Expression von Genen und beim Metabolismus von genetischem Material zu spielen.

Tatsächlich wurde entdeckt, dass der falsche Ort und die falsche Funktion der Proteine, aus denen die innere Membran besteht, mit einer großen Anzahl von Krankheiten beim Menschen zusammenhängen.

Äußere Membranproteine

Die dritte Klasse spezifischer Kernmembranproteine ​​befindet sich im äußeren Teil der Struktur. Es ist eine sehr heterogene Gruppe integraler Membranproteine, die eine gemeinsame Domäne namens KASH teilen.

Die im äußeren Bereich gefundenen Proteine ​​bilden eine Art "Brücke" mit den Proteinen der inneren Kernmembran.

Diese physikalischen Verbindungen zwischen dem Zytoskelett und dem Chromatin scheinen für die Ereignisse der Transkription, Replikation und DNA-Reparaturmechanismen relevant zu sein.

Folienproteine

Die letzte Gruppe von Kernmembranproteinen besteht aus den Lamina-Proteinen, einem Netzwerk von Zwischenfilamenten, die aus Laminaten vom Typ A und B bestehen. Die Lamina ist 30 bis 100 Nanometer dick.

Die Lamina ist eine entscheidende Struktur, die dem Kern Stabilität verleiht, insbesondere in Geweben, die ständig mechanischen Kräften ausgesetzt sind, wie z. B. Muskelgewebe.

Ähnlich wie die inneren Proteine ​​der Kernmembran sind Mutationen in der Lamina eng mit einer Vielzahl sehr unterschiedlicher menschlicher Krankheiten verbunden.

Darüber hinaus gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass die Kernschicht mit dem Altern zusammenhängt. All dies unterstreicht die Bedeutung von Kernmembranproteinen für die Gesamtfunktion der Zelle.

Kernmembran in Pflanzen

Im Pflanzenreich ist die Kernhülle ein sehr wichtiges Membransystem, obwohl es nur sehr wenig untersucht wurde. Trotz der Tatsache, dass es keine genaue Kenntnis der Proteine ​​gibt, aus denen die Kernmembran in höheren Pflanzen besteht, wurden bestimmte Unterschiede zum Rest der Königreiche angegeben.

Pflanzen haben keine zu den Plättchen homologen Sequenzen und anstelle der Zentrosomen fungiert die Kernmembran als Organisationszentrum für Mikrotubuli.

Aus diesem Grund ist die Untersuchung der Wechselwirkungen der Kernhülle in Pflanzen mit den Elementen des Zytoskeletts ein relevantes Untersuchungsobjekt.

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