细胞生物学：第九章 细胞核1

1、细菌（原核细胞细菌（原核细胞) )动物细胞（真核细胞）动物细胞（真核细胞）真核细胞真核细胞eukaryotic cell 细胞核是细胞中由细胞核是细胞中由双层单位膜双层单位膜组成的组成的最大最大、最重要的细胞器，是细胞遗传物质最重要的细胞器，是细胞遗传物质贮存贮存、复制复制和和转录转录的场所。的场所。第九第九章章 细细胞核胞核细胞核的形态、大小、位置细胞核的形态、大小、位置和数目因细胞类型不同而异和数目因细胞类型不同而异细胞核的结构细胞核的结构核核 仁仁核基质核基质核膜核膜染色质染色质核核 膜膜核核 仁仁染色质染色质核基质核基质nuclear membranenuclear membrane间

2、期间期细胞核细胞核nucleolusnucleoluschromatinchromatinnuclear matrixnuclear matrix间期细胞核的结构间期细胞核的结构核核 膜膜一、核膜的化学组成一、核膜的化学组成蛋白质和脂类：其中蛋白质占蛋白质和脂类：其中蛋白质占65%-75%核膜是由两层单位膜构成核膜是由两层单位膜构成粗面内粗面内质网质网外核膜外核膜outer nuclear membrane核孔核孔nuclear pore内核膜内核膜inner nuclear membrane核周间隙核周间隙perinuclear space核纤层核纤层nuclear lamina核糖体核糖体

3、ribosomeribosome与内质网连成与内质网连成临时通道，进临时通道，进行核行核- -质物质质物质交换交换一侧与一侧与内内核膜核膜相连，一侧接相连，一侧接于染色质的特于染色质的特殊位点殊位点二、二、核膜的亚微结构核膜的亚微结构核膜和粗面内质网核膜和粗面内质网核周间隙核周间隙外核膜外核膜 内核膜内核膜 核膜核膜的亚微结构的亚微结构核膜结构示意图核膜结构示意图1. 外核膜外核膜（outer nuclear membrane）与粗面内质网相连续，与粗面内质网相连续，附有核糖体附有核糖体。2. 内核膜内核膜（inner nuclear membrane）表面光滑，含有与核纤表面光滑，含有与核纤

4、层蛋白层蛋白B结合的整合蛋结合的整合蛋白白3. 核周间隙核周间隙（perinuclear space） 核纤层核纤层是紧贴内核膜的一层由纤维蛋白组是紧贴内核膜的一层由纤维蛋白组成的片层或网络壳层成的片层或网络壳层核膜的亚微结构核膜的亚微结构4. 核纤层核纤层（nuclear lamina）核纤层的成分核纤层的成分: 核纤层蛋白核纤层蛋白 A、核纤层蛋白、核纤层蛋白B、核纤层蛋白核纤层蛋白C 核纤层的功能：核纤层的功能：1）支持稳定核膜，维持核孔的位置）支持稳定核膜，维持核孔的位置功能功能: 2）核纤层与细胞核组装及染色质构建密切相关）核纤层与细胞核组装及染色质构建密切相关 核纤层蛋白磷酸化核纤

5、层蛋白磷酸化数目与细胞的类型和生理状态有关数目与细胞的类型和生理状态有关5. 核孔核孔 捕鱼笼式结构模型：捕鱼笼式结构模型：1.胞质环胞质环2.核质环核质环3.中央栓中央栓4.轮轮辐辐内、外核膜融合处内、外核膜融合处,由由一组蛋白质颗粒以特一组蛋白质颗粒以特定方式排列形成的环定方式排列形成的环状结构。状结构。复合体复合体（Nuclear Pore Complex，NPC）核孔复合体（核孔复合体（Nuclear pore complex,NPC）胞质纤维胞质纤维胞质颗粒胞质颗粒胞质环胞质环中央栓中央栓轮辐轮辐核质环核质环核纤层核纤层核篮核篮核篮纤维核篮纤维端环端环核孔复合体核孔复合体(Nucle

6、ar Pore Complex)(Nuclear Pore Complex)核孔复合体核孔复合体1）细胞核与细胞质间物质运输的）细胞核与细胞质间物质运输的双功能双功能 被动运输被动运输:某些小分子物质和无机离子可自某些小分子物质和无机离子可自由通由通 过核膜或核孔复合体。过核膜或核孔复合体。主动运输：主动运输：大分子物质和颗粒物质通过核大分子物质和颗粒物质通过核孔复合体介导。孔复合体介导。 被转运的亲核蛋白上一般要有供核孔被转运的亲核蛋白上一般要有供核孔复合体上的复合体上的核转运受体核转运受体识别的识别的核定位信号核定位信号。核孔复合体的功能核孔复合体的功能核核质质蛋白的核输入实验蛋白的核输入

7、实验2）细胞核与细胞质间物质运输的）细胞核与细胞质间物质运输的双向性双向性核膜的亚微结构核膜的亚微结构 外核膜外核膜（outer nuclear membrane） 内核膜内核膜（inner nuclear membrane） 核周间隙核周间隙（perinuclear space） 核孔复合体核孔复合体（Nuclear Pore Complex，NPC） 核纤层核纤层（nuclear lamina）三、核膜的功能三、核膜的功能u基因表达的时空隔离基因表达的时空隔离u保护性屏障保护性屏障 使使RNA转录和蛋白质合转录和蛋白质合成在时间和空间上分开成在时间和空间上分开u为染色质、染色体定位为染色质

8、、染色体定位和酶分子提供支架。和酶分子提供支架。 为遗传物质的保存、复为遗传物质的保存、复制、传递创造了稳定的制、传递创造了稳定的微环境微环境一、概念一、概念染色质染色质(chromatin) ：间期间期细胞核中呈伸展、细胞核中呈伸展、细细网状网状 的的DNA蛋白质复合物。蛋白质复合物。染色体染色体(chromosome) ：细胞：细胞分裂期分裂期中呈高度浓中呈高度浓缩、折叠、盘曲成缩、折叠、盘曲成条状条状或或棒状棒状的的DNA蛋白质复蛋白质复合物。合物。染色质染色质染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期的不同表现形式。的不同表现形式。DNA序列序列 单一

9、序列单一序列 中度重复序列中度重复序列 高度重复序列高度重复序列单一拷贝序列，绝大部分结构基因属于此类。单一拷贝序列，绝大部分结构基因属于此类。 重复拷贝数在重复拷贝数在104105，组蛋白基因、，组蛋白基因、rRNA基因和基因和tRNA基因属于此类。基因属于此类。 重复拷贝数在重复拷贝数在105以上，分布于着丝粒区和端以上，分布于着丝粒区和端粒区，大多组成异染色质。粒区，大多组成异染色质。二、化学组成二、化学组成由由DNA、组蛋白、组蛋白和非组蛋白及少量和非组蛋白及少量RNA组成组成组蛋白（组蛋白（histone）化学组成化学组成 富含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸，带正电富含精氨酸和赖氨酸等碱

10、性氨基酸，带正电荷。荷。 5种组蛋白：种组蛋白：H1、 H2A、H2B、H3、H4 核小体组蛋白：核小体组蛋白：H2A、H2B、H3、H4，参与参与构建核小体。而构建核小体。而H1负责将核小体包装成更高负责将核小体包装成更高一级的结构。一级的结构。非组蛋白：除组蛋白质外其他所有蛋白的统称非组蛋白：除组蛋白质外其他所有蛋白的统称化学组成化学组成 多样性和异质性多样性和异质性RNA 含量少，多为新合成的含量少，多为新合成的RNA前体前体 富含酸性氨基酸，带负电荷。富含酸性氨基酸，带负电荷。 DNA识别的特异性识别的特异性 功能多样性功能多样性常染色质常染色质间期细胞核中处于伸间期细胞核中处于伸展状

11、态、折叠压缩程展状态、折叠压缩程度低、碱性染料着色度低、碱性染料着色浅的染色质。浅的染色质。转录功能活跃的染色质转录功能活跃的染色质三、三、染色质的种类染色质的种类分布于细胞核中央或分布于细胞核中央或核仁中核仁中异染色质异染色质间期细胞核中处于聚缩间期细胞核中处于聚缩状态、折叠压缩程度高、状态、折叠压缩程度高、碱性染料着色深的染色碱性染料着色深的染色质。质。丧失转录活性或转录丧失转录活性或转录不活跃的染色质。不活跃的染色质。分布于细胞核周围或形分布于细胞核周围或形成核仁的相随染色质成核仁的相随染色质异染色质异染色质结构异染色质结构异染色质兼性兼性异异染色质染色质 整个细胞周期中处于凝集状态的染

12、色质整个细胞周期中处于凝集状态的染色质,多处于着丝粒、端粒或染色体凹陷部位。多处于着丝粒、端粒或染色体凹陷部位。 在某些细胞类型中，可以向常染色质转在某些细胞类型中，可以向常染色质转变，恢复转录活性的染色质。变，恢复转录活性的染色质。四、四、染色质的结构与装配染色质的结构与装配DNA分子长分子长2m细胞核直径细胞核直径5mDNA分子压分子压缩近万倍！缩近万倍！组蛋白八聚体组蛋白八聚体H4DNA双螺旋双螺旋(146bp、1.75圈）圈）H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H4H2AH2AH2BH2B 11nm连接连接DNA H1 H1核小体核小体核心部核心部连接连接DNA：60bpD

13、NA分子：分子：146bp、1.75圈圈组组 蛋蛋 白：白：2（H2A、H2B、H3、H4）组组 蛋蛋 白：白：H1核小体核小体染色质的一级结构染色质的一级结构核小体核小体DNADNA被压缩被压缩7 7倍倍核小体核小体 (nucleosome) 内内11nm 外外30nm组蛋白组蛋白6个核小体缠绕一圈形成的中空性管，个核小体缠绕一圈形成的中空性管，组蛋白组蛋白H1位于螺旋管内侧。位于螺旋管内侧。DNA又又被压缩被压缩6倍。倍。染色质的二级结构染色质的二级结构螺线管螺线管二级结构二级结构螺线管螺线管由螺线管进一步盘曲而形成，进一步将螺线管由螺线管进一步盘曲而形成，进一步将螺线管长度压缩长度压缩。

14、DNA又被压缩又被压缩40倍。倍。超螺线管进一步折叠又被压缩超螺线管进一步折叠又被压缩成为四级结构成为四级结构染色单体。染色单体。DNA又被压缩又被压缩5倍。倍。染色单体染色单体动粒动粒动粒微管动粒微管三级结构三级结构超螺线管超螺线管supersolenoid四级结构四级结构染色单体染色单体chromatid人的一个细胞人的一个细胞DNADNA长长2m2m，核直径，核直径5um,5um,由由DNADNA到染色体其长度被压到染色体其长度被压缩约缩约800080001000010000倍。倍。染色体支架染色体支架-放射环模型（放射环模型（scaffold-radial loops structur

15、e model）染色体支架染色体支架chromosome scaffold（非组蛋白纤维网）（非组蛋白纤维网）袢环袢环radial loop123456789101112131415161718 微带微带miniband一条染色单体约有一条染色单体约有106个微带。个微带。（含（含315个核小体个核小体即即63000碱基对）碱基对）小小 结结细胞核的结构：细胞核的结构：核膜、染色质、核仁、核基质核膜、染色质、核仁、核基质核膜的结构：核膜的结构：外核膜、内核膜、核周间隙、外核膜、内核膜、核周间隙、核纤层、核孔复合体核纤层、核孔复合体染色质的概念、组成、种类以及组装染色质的概念、组成、种类以及组装

16、（核（核小体、螺线管、超螺线管、染色单体）小体、螺线管、超螺线管、染色单体）核膜的功能：核膜的功能：基因表达的时空隔离、保护性屏障、基因表达的时空隔离、保护性屏障、为染色质定位提供支架为染色质定位提供支架Thanks for listening !由由X-射线晶体衍射射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，1997）a。通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒8个组蛋白分子的位置；b垂直与中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构； c半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋（73bp）和4种核心组蛋白分子，每种组蛋白由3 个螺旋和一个伸展的N-端尾部组成。N-端尾部有序排列，参与核小体之间的相互作用，以形成螺线管等高级结构。 核骨架：核骨架：在真核细胞