Der Zellkern (Nucleus) ist ein essenzielles, membranumhülltes Organell in den Zellen von Eukaryoten (Organismen mit echten Zellkernen, wie Pflanzen, Tiere, Pilze und Protisten). Er fungiert als Steuerzentrum der Zelle und beherbergt die Erbinformation in Form von DNA (Desoxyribonukleinsäure). Diese DNA enthält die Gene, welche die Baupläne für Proteine und die Regulation zahlreicher zellulärer Prozesse kodieren. Der Zellkern ist durch eine doppelte Kernmembran, auch Kernhülle genannt, vom Zytoplasma der Zelle abgegrenzt und weist eine komplexe Struktur auf, die seine vielfältigen Funktionen unterstützt.

Die Kernmembran, die den Zellkern umgibt, besteht aus einer inneren und einer äußeren Lipiddoppelschicht. Sie schützt die DNA und reguliert den Austausch von Molekülen zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma. In der Kernmembran befinden sich zahlreiche Kernporen, die als Kanäle für den gezielten Transport größerer Moleküle dienen. Über diese Poren werden beispielsweise mRNA (Boten-RNA), die bei der Genexpression als Informationsüberträger dient, und Ribosomen-Untereinheiten aus dem Zellkern in das Zytoplasma transportiert. Der gezielte Transport durch die Kernporen ist essenziell für die reibungslose Zusammenarbeit zwischen Zellkern und Zytoplasma, da die Proteinsynthese auf zytoplasmatischen Ribosomen stattfindet und viele Regulationsmechanismen von Proteinen im Zytoplasma gesteuert werden.

Im Inneren des Zellkerns befindet sich das Karyoplasma, auch Kernplasma genannt, in dem die Chromatinfasern schwimmen. Diese Fasern bestehen aus DNA, die eng um Proteine, insbesondere Histone, gewickelt ist, und bilden im kondensierten Zustand die Chromosomen. Je nach Zellzyklus-Phase unterscheidet man zwischen Euchromatin und Heterochromatin. Das Euchromatin ist weniger dicht gepackt und enthält Gene, die aktiv transkribiert werden, während das Heterochromatin stark verdichtet ist und Gene enthält, die normalerweise nicht aktiv sind. Diese unterschiedliche Verpackung und Zugänglichkeit der DNA ermöglicht die gezielte Regulation der Genexpression und ist ein grundlegender Mechanismus der epigenetischen Kontrolle.

Ein weiteres wichtiges Strukturelement des Zellkerns ist das Nukleolus (Plural: Nukleoli), ein dichtes, rundliches Gebilde, das als „Kernkörperchen“ bezeichnet wird. Der Nukleolus ist für die Produktion und Reifung der Ribosomen verantwortlich. Ribosomen bestehen aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen und sind die Orte der Proteinsynthese in der Zelle. Im Nukleolus wird die rRNA transkribiert und mit ribosomalen Proteinen kombiniert, um die ribosomalen Untereinheiten zu bilden, die später durch die Kernporen ins Zytoplasma gelangen und sich dort zu funktionellen Ribosomen zusammenfügen.

Neben der Speicherung und Organisation der genetischen Information erfüllt der Zellkern auch die Aufgabe der Genexpression und -regulation. Die Transkription der Gene beginnt im Zellkern, wo die DNA in mRNA umgeschrieben wird. Diese mRNA verlässt den Zellkern durch die Kernporen, um im Zytoplasma als Vorlage für die Proteinsynthese zu dienen. Der Zellkern ist daher nicht nur ein passives Speicherorgan, sondern ein dynamisches Zentrum der Genregulation. Diese Regulation wird durch zahlreiche Mechanismen erreicht, darunter Transkriptionsfaktoren, die an spezifische DNA-Sequenzen binden und die Genaktivität modulieren, sowie durch epigenetische Veränderungen wie DNA-Methylierung oder Histonmodifikationen, die den Zugang zur DNA beeinflussen.

Der Zellkern spielt zudem eine zentrale Rolle bei der Zellteilung, insbesondere während der Mitose und Meiose. Zu Beginn der Mitose zerfällt die Kernhülle, sodass die Chromosomen frei im Zytoplasma vorliegen und durch den Spindelapparat auf die Tochterzellen verteilt werden können. Nach der Zellteilung bildet sich die Kernhülle erneut um die Chromosomen in den beiden neu entstandenen Zellkernen. Dieser geregelte Ablauf gewährleistet, dass die genetische Information bei der Zellteilung korrekt an die Tochterzellen weitergegeben wird.

In einigen speziellen Zelltypen kann die Kernstruktur variieren. Beispielsweise verlieren rote Blutkörperchen (Erythrozyten) bei Säugetieren ihren Zellkern, um Platz für mehr Hämoglobin zu schaffen und so die Sauerstofftransportkapazität zu erhöhen. Andere Zellen, wie die Skelettmuskelzellen, weisen mehrere Zellkerne auf, die durch Zellfusion entstehen und den hohen Bedarf an Proteinproduktion in diesen Geweben decken.

Insgesamt ist der Zellkern ein hochkomplexes und spezialisiertes Organell, das für das Funktionieren, Überleben und die Fortpflanzung eukaryotischer Zellen essenziell ist. Er beherbergt nicht nur das genetische Material, sondern ist auch das Zentrum der Genexpression, Zellzyklusregulation und Differenzierung, wodurch er eine Schlüsselrolle im gesamten Organismus spielt. Die Erforschung der Zellkernfunktion und -regulation hat in der Zellbiologie und Medizin, insbesondere bei der Erforschung genetischer Erkrankungen und der Entwicklung neuer Therapien, große Bedeutung.