Der Zellkern (Nucleus) ist ein charakteristisches und in der Regel das größte Organell eukaryotischer Zellen, das die Hauptmenge der genetischen Information in Form von DNA enthält und die Zellfunktionen steuert. Er wurde erstmals 1831 von Robert Brown beschrieben und ist essenziell für das Überleben und die korrekte Funktion der Zelle. Seine primäre Aufgabe ist es, die Integrität der Gene zu wahren und die Genexpression zu regulieren, indem er die Synthese von Proteinen und anderen Makromolekülen koordiniert. Ohne einen intakten Zellkern könnten eukaryotische Zellen ihre komplexen Aufgaben nicht erfüllen und sich nicht teilen.

Strukturell ist der Zellkern durch eine doppelte Membranhülle, die Kernhülle (Kernmembran), vom Zytoplasma abgegrenzt. Diese Kernhülle besteht aus einer äußeren und einer inneren Membran, die an bestimmten Stellen miteinander verschmelzen und dabei ringförmige Öffnungen, die Kernporen, bilden. Die Kernporen sind keine einfachen Löcher, sondern hochkomplexe Proteinkomplexe, die als selektive Kanäle für den bidirektionalen Transport von Molekülen zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma dienen. Kleinere Moleküle können passiv diffundieren, während größere Proteine oder RNA-Moleküle aktiv transportiert werden und spezifische Signalsequenzen benötigen, um die Poren zu passieren.

Das Innere des Zellkerns ist mit einer viskosen Flüssigkeit, dem Karyoplasma (oder Nukleoplasma), gefüllt, in der sich das Chromatin und der Nukleolus befinden. Chromatin ist ein Komplex aus DNA und Proteinen (hauptsächlich Histonen), der die genetische Information der Zelle enthält. Während der Interphase, der Phase zwischen zwei Zellteilungen, ist das Chromatin entspannt und als Euchromatin oder kondensiert als Heterochromatin sichtbar. Vor der Zellteilung kondensiert das Chromatin stark zu den sichtbaren Chromosomen. Der Nukleolus (Kernkörperchen) ist eine dichte, nicht membranumschlossene Struktur innerhalb des Zellkerns, die für die Synthese und Reifung der ribosomalen RNA (rRNA) sowie den Zusammenbau der ribosomalen Untereinheiten verantwortlich ist.

Die Hauptfunktionen des Zellkerns umfassen die Speicherung und den Schutz der DNA. Hier findet die Replikation der DNA statt, ein Prozess, bei dem die gesamte genetische Information vor jeder Zellteilung exakt kopiert wird, um sicherzustellen, dass jede Tochterzelle einen vollständigen Satz an Chromosomen erhält. Darüber hinaus ist der Zellkern der Ort der Transkription, bei der die genetische Information von DNA in messenger-RNA (mRNA) umgeschrieben wird. Diese mRNA wird dann durch die Kernporen ins Zytoplasma transportiert, wo sie als Vorlage für die Proteinsynthese (Translation) dient.

Die Regulation der Genexpression ist eine weitere zentrale Funktion des Zellkerns. Durch die Kontrolle, welche Gene wann und wie stark abgelesen werden, bestimmt der Zellkern die Identität, Funktion und das Verhalten der Zelle. Diese präzise Steuerung ist entscheidend für die Zelldifferenzierung, die Entwicklung von Organismen und die Reaktion auf Umweltreize. Fehler in der Genregulation können zu Krankheiten wie Krebs führen. Der Zellkern spielt somit eine unverzichtbare Rolle bei der Vererbung, da er die genetische Kontinuität von einer Generation zur nächsten sicherstellt.

Im Gegensatz zu eukaryotischen Zellen, die einen membranumschlossenen Zellkern besitzen, fehlt prokaryotischen Zellen (Bakterien und Archaeen) ein solcher. Ihre genetische Information liegt stattdessen in einem Nukleoid vor, einem Bereich im Zytoplasma, der nicht durch eine Membran abgegrenzt ist. Die Evolution des Zellkerns war ein entscheidender Schritt in der Entwicklung komplexer Lebensformen, da er die räumliche Trennung von Transkription und Translation ermöglichte und so eine feinere Kontrolle der Genexpression und eine höhere Komplexität der Zellorganisation erlaubte.