第四章细胞核(14留)

1、细胞核是细胞功能的控制中心细胞核是细胞功能的控制中心细胞核的形状和数目多样细胞核的形状和数目多样细胞核的结构细胞核的结构会发生周期性变化会发生周期性变化真核细胞真核细胞原核细胞原核细胞细胞核：细胞核：“核酸的区室核酸的区室”Nuleus: “ the compartment for nucleic acid ”核膜的形成和出现核膜的形成和出现milestone of evolution -Nuclear envelope emerge原核生物和真核生物的转录、翻译过程原核生物和真核生物的转录、翻译过程真核生物原核生物细胞核细胞核转转 录录转转 录录翻翻 译译翻翻 译译进化出细胞核的意义进化出细

2、胞核的意义1、分隔细胞核与细胞质，保护、分隔细胞核与细胞质，保护DNA分子不受分子不受细胞骨架成分的损伤。细胞骨架成分的损伤。2、分隔细胞核与细胞质，使基因的转录和翻、分隔细胞核与细胞质，使基因的转录和翻译发生在不同的时间和空间，有助于真核细胞译发生在不同的时间和空间，有助于真核细胞基因表达的准确和高效。基因表达的准确和高效。第四章第四章 细胞核与染色体细胞核与染色体Nucleus & Chromosomes第五节第五节 细胞核与疾病细胞核与疾病第三节第三节 细胞核的功能细胞核的功能第一节第一节 核被膜核被膜第二节第二节 染色质和染色体染色质和染色体第四节第四节 核仁核仁第一节第一节

3、核被膜核被膜( (核膜核膜) ) nuclear envelope (nuclear membrane)1. 内外层核膜和核周间隙内外层核膜和核周间隙2. 核孔核孔3. 核纤层核纤层一、核被膜的结构核被膜的结构二、核被膜的主要功能二、核被膜的主要功能核膜电镜照片核膜电镜照片核纤层核纤层核孔核孔核膜核膜nuclear laminanuclear envelopenuclear pore内外层核膜：内外层核膜：构成细胞核和细胞质之间的分隔。构成细胞核和细胞质之间的分隔。核周间隙：核周间隙：内、外层核膜交会形成的腔隙，内、外层核膜交会形成的腔隙， 与内质网腔相通。与内质网腔相通。 外层核膜与内质网相

4、连外层核膜与内质网相连 内层核膜内表面与核纤层相贴附内层核膜内表面与核纤层相贴附1. 内外层核膜和核周间隙内外层核膜和核周间隙Inner and outer nuclear membranePerinuclear space核孔核孔：核膜上的孔洞，其边缘为内、外层核膜核膜上的孔洞，其边缘为内、外层核膜 融合形成。融合形成。核孔复合体核孔复合体 nuclear pores complex (NPC) ： 组成核孔的一组蛋白质颗粒，组成核孔的一组蛋白质颗粒， 以特定排列方式形成的复合体，以特定排列方式形成的复合体， 可以从核膜上分离出来。可以从核膜上分离出来。2. 核孔核孔Nuclear pore

5、核孔复合体细胞质面核孔复合体细胞质面核孔复合体细胞核面核孔复合体细胞核面细胞质细胞质细胞核细胞核核孔复合体电镜照片核孔复合体电镜照片细胞质细胞质细胞核细胞核核孔复合体核孔复合体结构及功能结构及功能示意图示意图核孔复合体使核与质之间核孔复合体使核与质之间既有分隔又有沟通既有分隔又有沟通含水的、选择性的、双向的通道，直径变化在含水的、选择性的、双向的通道，直径变化在925nm。分子量小于分子量小于5kDa ,自由扩散进出核孔。自由扩散进出核孔。2.分子量小于分子量小于60kDa，通过速度与分子大小成反比。，通过速度与分子大小成反比。3.更大的分子更大的分子(直径直径925nm),依靠核孔复合体介导

6、的依靠核孔复合体介导的 主动运输进出细胞核。主动运输进出细胞核。（消耗（消耗能量能量, , 并需要分子上并需要分子上核定位核定位信号、核输出信号信号、核输出信号）细胞核细胞核纤维状纤维状核纤层核纤层电镜照片显示核纤层电镜照片显示核纤层核纤层核纤层核纤层的网状结构核纤层的网状结构3.核纤层核纤层 Nuclear lamina 核纤层是真核细胞内层核膜下由核纤层是真核细胞内层核膜下由纤维蛋白纤维蛋白( (核核纤层蛋白纤层蛋白lamin Alamin A、B B、C)C)构成的网络壳层。构成的网络壳层。外层核膜外层核膜内层核膜内层核膜 膜蛋白膜蛋白染色质纤维染色质纤维核纤层蛋白核纤层蛋白 核周间隙核

7、周间隙细胞核细胞核细胞质细胞质核纤层的功能核纤层的功能与核膜形成和染色体构建有关与核膜形成和染色体构建有关1、对、对核膜核膜，核纤层在间期起支撑作用，在分裂期，核纤层在间期起支撑作用，在分裂期 调控核膜崩解和重新装配过程。调控核膜崩解和重新装配过程。Provide the site of attachment for chromatin fibers 染色体上两个位点（染成染色体上两个位点（染成黄色和红色）附着于核被黄色和红色）附着于核被膜内面的核纤层上（绿色膜内面的核纤层上（绿色显示核纤层蛋白）显示核纤层蛋白）2、对、对染色体染色体，核纤层在间期提供染色质锚定，核纤层在间期提供染色质锚定位点

8、，在分裂期可能提供染色体构建附着位点。位点，在分裂期可能提供染色体构建附着位点。二、核被膜的主要功能：二、核被膜的主要功能：( (核被膜核被膜) )分隔细胞核与细胞质分隔细胞核与细胞质 保护保护DNADNA、形成特定的代谢环境、形成特定的代谢环境、 将将RNARNA合成和蛋白质合成分开合成和蛋白质合成分开2.(2.(核孔核孔) )沟通细胞核与细胞质之间的沟通细胞核与细胞质之间的 物质双向交流物质双向交流3.(3.(核纤层核纤层) )提供染色质和染色体的附着位点提供染色质和染色体的附着位点 一、一、染色质和染色体的染色质和染色体的形态及化学组成形态及化学组成*光镜和电镜下看到的形态不同光镜和电镜

9、下看到的形态不同 light microscope electron microscope*细胞分裂间期和分裂期看到的形态不同细胞分裂间期和分裂期看到的形态不同 interphase mitotic phase1. 染色质和染色体的形态染色质和染色体的形态第二节第二节 染色质和染色体染色质和染色体 chromatin & chromosome染色质染色质（chromatin） ：间期：伸展、细长结构，一定程度的互相缠绕。间期：伸展、细长结构，一定程度的互相缠绕。电镜下呈纤维状电镜下呈纤维状的染色质的染色质电镜下的染色质电镜下的染色质光镜下的染色质光镜下的染色质染色体染色体 (chrom

10、osome):分裂期：卷曲、紧缩、螺旋化、棒状结构。分裂期：卷曲、紧缩、螺旋化、棒状结构。（光镜、电镜下均可见）光镜下：碱性染料着色光镜下：碱性染料着色，棒状棒状（或（或花瓣状花瓣状）。）。扫描电镜下分裂中期染色体：扫描电镜下分裂中期染色体： H形形。光镜下看到的染色体光镜下看到的染色体电镜下看到的染色体电镜下看到的染色体2. 染色体的染色体的化学组成化学组成chemical componentsDNA 49组蛋白组蛋白 histones 49非组蛋白非组蛋白 nonhistone 少量少量RNA 极少量极少量DNA（双螺旋）双螺旋）染色体蛋白质染色体蛋白质染色质或染色体染色质或染色体组蛋白组

11、蛋白非组蛋白非组蛋白染色质染色质和和染色体染色体都是都是由由DNADNA和染色体蛋白质组和染色体蛋白质组 成的复合结构，是细胞内遗传物质存在的形式。成的复合结构，是细胞内遗传物质存在的形式。染色质染色质是指是指DNA/DNA/蛋白质复合结构在蛋白质复合结构在间期间期细胞核细胞核 内表现的伸展的线性结构（直径内表现的伸展的线性结构（直径3030纳米）。纳米）。染色体染色体是指染色质线性结构在是指染色质线性结构在分裂期分裂期经不同经不同 程度的折叠、紧缩而形成的棒状结构。程度的折叠、紧缩而形成的棒状结构。染 色 质染 色 质 和和 染 色 体染 色 体chromatin & chromos

12、ome 两者之间的区别主要并不在于化学组成上两者之间的区别主要并不在于化学组成上的差异，而在于的差异，而在于包装程度包装程度不同，反映了它们处不同，反映了它们处于细胞周期不同阶段的典型形态。于细胞周期不同阶段的典型形态。 DNADNA分子在分子在间期间期(Interphase)核中以较为伸展核中以较为伸展的形式存在，在的形式存在，在分裂期分裂期（Mitotic phase）则以高则以高度紧缩的形式存在。度紧缩的形式存在。染 色 质染 色 质 和和 染 色 体染 色 体chromatin & chromosome 一条染色体包含了一个一条染色体包含了一个DNA分子，一个分子，一个DNA分

13、分子上排列着许多基因，基因携带着蛋白质的遗传信息，子上排列着许多基因，基因携带着蛋白质的遗传信息，遗传信息包含在核苷酸的碱基排列顺序之中。遗传信息包含在核苷酸的碱基排列顺序之中。二、二、DNA中的特殊序列中的特殊序列基因（基因（gene） 1.基因与遗传信息的表达基因与遗传信息的表达 基因基因(gene)：是是DNA分子中能产生有功能的分子中能产生有功能的 RNA分子的一段核苷酸序列，是分子的一段核苷酸序列，是遗传信息表达的单位遗传信息表达的单位。 主要的主要的有功能的有功能的RNA分子分子 - - mRNA：编码蛋白质编码蛋白质 - - rRNA 和和 tRNA：结构结构RNA 真核细胞基因

14、的组成：真核细胞基因的组成：&外显子外显子exon 是基因中是基因中用于编码的序列。用于编码的序列。&内含子内含子intron是间隔在是间隔在外显子之间的非编码序列外显子之间的非编码序列 。&调控序列调控序列regulatory sequence是可被基因是可被基因调节蛋白结合的序列。调节蛋白结合的序列。一个基因一个基因含含 30 亿亿 碱基对碱基对 (bp) 的的 DNA序列，编码序列约序列，编码序列约占占 1.5%，非编码序列约占，非编码序列约占 98.5 %，包括约，包括约 2万个基因，分布于万个基因，分布于22 条常染色体和条常染色体和 X、Y性染色体。性染色体

15、。2.2.基因组（基因组（genomegenome）指一个生物体的）指一个生物体的DNADNA所带的全所带的全套遗传信息，或指带有全套遗传信息的套遗传信息，或指带有全套遗传信息的DNADNA。2001年2月15日和2月16日，自然和科学公布人类基因组草图。3.DNA分子复制和分离所必需的序列分子复制和分离所必需的序列三种元件是遗传物质复制所必需的（染色体复制三种元件是遗传物质复制所必需的（染色体复制的必需元件）的必需元件）：两个端粒两个端粒(telomeres)多个复制起始点多个复制起始点 (replication origins)一个着丝粒一个着丝粒(centromere)组蛋白组蛋白* *

16、总量相当于总量相当于DNADNA量量* *含大量带正电荷氨基酸，能中和含大量带正电荷氨基酸，能中和DNADNA所带负电荷。所带负电荷。* *分成分成5 5种两类：种两类： H1H1- H1- H1组蛋白组蛋白H2AH2AH2BH2BH3H3H4H4核小体组蛋白核小体组蛋白* *主要功能主要功能： 染色体构建、调控基因转录染色体构建、调控基因转录 三、染色体的蛋白质三、染色体的蛋白质非组蛋白非组蛋白 总量远少于组蛋白总量远少于组蛋白 种类繁多种类繁多 能识别特异能识别特异DNADNA序列并与之结合序列并与之结合 功能各异：功能各异： - - 参与染色体构建参与染色体构建 - - 启动启动DNAD

17、NA复制复制 - - 调控基因转录调控基因转录DNA双螺旋如何折叠、压缩成染色质双螺旋如何折叠、压缩成染色质(体体)？“包装包装”四、染色体的包装四、染色体的包装The package of a chromosome多个层次的包装：多个层次的包装： 串珠样结构串珠样结构-核小体核小体 30nm纤维纤维 高级结构高级结构 意义意义:1.使细长的使细长的DNA双螺旋分子经反复折叠而大大缩短（双螺旋分子经反复折叠而大大缩短（5cm5m）2. 有利于转录和复制的高效准确进行有利于转录和复制的高效准确进行3030nmnm染色质纤维染色质纤维串珠状纤维串珠状纤维 (核小体核小体)折叠折叠核小体核心粒核小体

18、核心粒缠绕缠绕DNA连接段连接段DNA核小体组成核小体组成：组蛋白八聚体核心组蛋白八聚体核心(H2A,H2B,H3,H4)X 2 +缠绕缠绕DNA链链1.75圈圈(146bp) +连接段连接段DNA(0-80bp)平均平均DNA长度长度=200bpDNA分子分子经此包装缩短经此包装缩短（5cm2cm）1. 串珠样结构核小体串珠样结构核小体2. 30nm染色质纤维染色质纤维核小体核小体5 5种组蛋白共同作用把种组蛋白共同作用把相邻核小体拉在一起相邻核小体拉在一起, ,折叠成直径折叠成直径3030nmnm 的的规则结构。规则结构。DNA分子分子经此包装经此包装缩短（缩短（2cm0.1cm）襻环和螺

19、旋化襻环和螺旋化（襻环模型（襻环模型 loop modelloop model）两栖类卵母细胞灯刷染色体（显示两栖类卵母细胞灯刷染色体（显示襻环襻环）DNA分子分子经此包装缩短经此包装缩短（ 0.1cm 5m ）lampbrush chromosome in amphibian ooctytes.3. 染色体的高级结构染色体的高级结构30nm纤维以非组蛋白为骨架，折叠成一系列襻环。纤维以非组蛋白为骨架，折叠成一系列襻环。30nm纤维在纤维在DNA转录和复制时，以襻环为单位转录和复制时，以襻环为单位 发生松解，伸展成串珠状纤维或发生松解，伸展成串珠状纤维或DNA双螺旋。双螺旋。襻环-间期染色质包

20、装成染色体的方式 30nm纤维以非组蛋白为骨架，纤维以非组蛋白为骨架，折叠成一系列襻环。在襻环折叠成一系列襻环。在襻环基础上进一步折叠、紧缩和基础上进一步折叠、紧缩和螺旋化，间期染色质包装成螺旋化，间期染色质包装成分裂期染色体。分裂期染色体。中期染色体经特殊中期染色体经特殊处理显示襻环处理显示襻环染色体构建线形染色质到棒状染色体的构建线形染色质到棒状染色体的构建一段一段DNA双螺旋双螺旋染色质串珠结构染色质串珠结构30nm染色质纤维染色质纤维30nm染色质纤维折叠成襻环染色质纤维折叠成襻环染色体的紧缩状态染色体的紧缩状态整个中期染色体整个中期染色体细胞核电镜照片细胞核电镜照片异染色质异染色质常

21、染色质常染色质异染色质：核膜下、核仁周围及核内散在，高电子密度。异染色质：核膜下、核仁周围及核内散在，高电子密度。常染色质：异染色质之间的浅染区域，低电子密度。常染色质：异染色质之间的浅染区域，低电子密度。heterchromatineuchromatin常染色质常染色质Euchromatin 具有转录活性具有转录活性 the possibility of transcription 相对伸展的染色质形式，由相对伸展的染色质形式，由30nm纤维和襻环组成。纤维和襻环组成。 30 nm fibers and looped domains; less condensed 低电子密度低电子密度 li

22、ght-staining五、五、DNA包装形式与包装形式与基因表达调控有关基因表达调控有关异染色质异染色质heterochromatin 间期核内，一条染色体上的染色质并不处于完全相间期核内，一条染色体上的染色质并不处于完全相同的包装状态，而是同时含有紧缩的和相对伸展的同的包装状态，而是同时含有紧缩的和相对伸展的染色质形式，其中染色质形式，其中最紧缩的形式就是异染色质最紧缩的形式就是异染色质。 异染色质异染色质间期核内纤维折叠盘曲紧密、呈凝集间期核内纤维折叠盘曲紧密、呈凝集状态、一般无转录活性的染色质，电子密度高，常状态、一般无转录活性的染色质，电子密度高，常位于细胞核边缘和核仁周围。位于细胞

23、核边缘和核仁周围。 异染色质虽然在整个染色体中都可以出现，但特别异染色质虽然在整个染色体中都可以出现，但特别集中在一些区段，即集中在一些区段，即着丝粒和端粒着丝粒和端粒。雌性动物的雌性动物的两条两条X X染色染色体中仅有体中仅有1 1条条X X染色体染色体有活性。在有活性。在胚胎发育过胚胎发育过程中程中1 1条条X X染染色体通过随色体通过随机变成机变成异染色质而异染色质而永久失活。永久失活。最令人惊异的例子：整条染色体异染色质化，最令人惊异的例子：整条染色体异染色质化，X 染色体成为巴氏小体。染色体成为巴氏小体。Barr 小体小体 异染色质的基因表达活性很低异染色质的基因表达活性很低。首先因

24、。首先因为大部分折叠成异染色质的为大部分折叠成异染色质的DNA不含基不含基因，其次因为异染色质极其紧缩，基因因，其次因为异染色质极其紧缩，基因被包装进异染色质通常就不能表达。被包装进异染色质通常就不能表达。 基因的遗传信息通过转录和翻译转变成具基因的遗传信息通过转录和翻译转变成具有生物功能的蛋白质或转录成有生物功能的蛋白质或转录成rRNA、tRNA的整个过程称为的整个过程称为基因表达。基因表达。细胞总体异染色质含量与细胞基因表达水平有关：细胞总体异染色质含量与细胞基因表达水平有关：当基因转录变得活跃，异染色质减少，常染色质增多。当基因转录变得活跃，异染色质减少，常染色质增多。异染色质与常染色质

25、的区分不是一成不变的，异染色质与常染色质的区分不是一成不变的，而是可以互相转换的。而是可以互相转换的。染色质的状态可以遗传给子代细胞。染色质的状态可以遗传给子代细胞。 端粒为异染色质使末端染色体不致被细胞修复装端粒为异染色质使末端染色体不致被细胞修复装置误认为受损染色体；有助于调控端粒长度；还置误认为受损染色体；有助于调控端粒长度；还有助于在有丝分裂期染色体准确配对和分开。有助于在有丝分裂期染色体准确配对和分开。端粒端粒 telomere 是线状染色体末端的一小段是线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质蛋白质复合体，它与端粒结合蛋白一起构成了特殊复合体，它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的的“帽子帽

26、子”结构，能够维持染色体的完整。结构，能够维持染色体的完整。端粒处的染色质为异染色质状态。端粒处的染色质为异染色质状态。着丝粒有助于姐妹染色单体着丝粒有助于姐妹染色单体在细胞分裂期分开。在细胞分裂期分开。着丝粒着丝粒 centromere染色体上的凹陷区域，又称主缢痕，染色体上的凹陷区域，又称主缢痕，此处的染色质为异染色质状态。此处的染色质为异染色质状态。5.染色体在间期核中的位置染色体在间期核中的位置 每条染色体在细胞核中占据一定的区域。每条染色体在细胞核中占据一定的区域。18染色体（红色）染色体（红色）和和19染色体（青色）染色体（青色）各两份拷贝在核内分别各两份拷贝在核内分别占据相对独立

27、的区域占据相对独立的区域The positions of chromosome in nuclearThe fluorescent light micrograph shows that the different chromosome occupy discrete territories of the nucleus.六、染色质和染色体的功能六、染色质和染色体的功能The functions of the chromatin & chromosome遗传物质的载体遗传物质的载体 The carrier of genetic material (一一) DNA的复制的复制 DNA r

28、eplication (二二) RNA的转录的转录 RNA transcripation DNA复制：由一个亲代复制：由一个亲代DNA双螺旋产生两个子代双螺旋的过程。双螺旋产生两个子代双螺旋的过程。The DNA double helix acts as a template for its own duplication.DNA半保留复制 Semi-conservative Replication of DNA 转录产生与一条转录产生与一条DNA链碱基序列互补的链碱基序列互补的RNA链链转 录 transcripation 细胞、个体乃至物种的遗传特性要在代代相传细胞、个体乃至物种的遗传特性

29、要在代代相传中得到维持，有赖于遗传物质完整、准确的复制并中得到维持，有赖于遗传物质完整、准确的复制并分配至子代细胞。分配至子代细胞。第三节第三节 细胞核的功能细胞核的功能一、遗传信息的储存一、遗传信息的储存二、遗传物质的复制、修复与重组二、遗传物质的复制、修复与重组三、遗传信息的表达三、遗传信息的表达人类基因组中含有3.2109个核苷酸对，2万多个基因。一、遗传信息的储存DNADNA复制复制 replicationreplication：由一个亲代由一个亲代DNADNA双螺旋产生两个子代双螺旋产生两个子代DNADNA双螺旋的过程。双螺旋的过程。：在子代细胞诞生前迅速而：在子代细胞诞生前迅速而精

30、确地完成这一过程精确地完成这一过程奇迹是怎样创造的？奇迹是怎样创造的？DNA复制过程、特性及 相关酶和蛋白质2. DNA损伤的修复（略）二、遗传物质的复制、修复与重组（1 1）半保留复制）半保留复制（2 2）复制从复制起始点开始）复制从复制起始点开始（3 3）复制叉、双向复制和复制泡）复制叉、双向复制和复制泡（4 4）复制叉的不对称性）复制叉的不对称性（5 5）校读纠错机制）校读纠错机制（6）整个染色体的复制整个染色体的复制（7 7）DNA DNA 复制的有关酶类和蛋白质复制的有关酶类和蛋白质一、一、DNADNA复制过程及其特征复制过程及其特征复制复制复制复制复制后的复制后的DNADNA分子，

31、各含有分子，各含有1 1条原来的旧链和条原来的旧链和1 1条新链，两条新链，两个新合成的双螺旋都是原来双螺旋的精确复制品，这称为个新合成的双螺旋都是原来双螺旋的精确复制品，这称为半保留复制半保留复制。复制复制模板链模板链新链新链亲代亲代DNADNA双螺旋中的两条核苷酸链分别作为生成两个子代双螺旋中的两条核苷酸链分别作为生成两个子代双螺旋的模板双螺旋的模板, ,新链的核苷酸序列与模板链序列互补。新链的核苷酸序列与模板链序列互补。 半保留复制半保留复制（semi-conservative replication ）DNA聚合酶催化2. . 复制从复制起始点复制从复制起始点 replication

32、origins 开始开始复制起始点：特殊的复制起始点：特殊的DNADNA序列序列在细菌只有一个，在真核细胞有多个。在细菌只有一个，在真核细胞有多个。细菌细菌真核细胞真核细胞基因组基因组（核苷酸对）（核苷酸对）数百万个数百万个3.23.2 10 109 9 （人）（人）速度速度500500个核苷酸个核苷酸/ /秒秒5050个核苷酸个核苷酸/ /秒秒复制起始点复制起始点一个一个多个多个1. 1.能被起始蛋白识别并结合能被起始蛋白识别并结合2. 2.通常为富含通常为富含A A、T T的重复序列的重复序列在真核细胞的染色体上，复制由多处复制起始点在真核细胞的染色体上，复制由多处复制起始点向两个方向推进

33、。向两个方向推进。DNADNA双链解旋与复制双链解旋与复制的起始需要大量蛋的起始需要大量蛋白质和酶参与白质和酶参与DNADNA被紧密地包装在染色体中，被紧密地包装在染色体中，双链如何打开？双链如何打开？超螺旋超螺旋螺旋DNADNA双链打开后双链打开后（配对碱基之间的氢键断开），（配对碱基之间的氢键断开）， 两条核苷酸链上的碱基种类和排列暴露出来两条核苷酸链上的碱基种类和排列暴露出来（模板），（模板），方便单核苷酸按照碱基互补原则来方便单核苷酸按照碱基互补原则来配对，从而合成新的核苷酸链。此过程还需要配对，从而合成新的核苷酸链。此过程还需要许多蛋白和酶。许多蛋白和酶。双链打开后复制就自动开始了么

34、？双链打开后复制就自动开始了么？3.3.复制叉、双向复制和复制泡复制叉、双向复制和复制泡 (replication forks, two-direction replication & replication bubbles) 复制叉复制叉: : 已经打开的已经打开的2 2条单链与未解开的双链间形成条单链与未解开的双链间形成Y Y形。形。复制叉复制叉 replication fork在真核细胞的染色体上，复制叉由多处复制起始在真核细胞的染色体上，复制叉由多处复制起始位点向两边移动，形成多个复制泡。位点向两边移动，形成多个复制泡。5端端5端端3端端3端端核苷酸链有方向性：核苷酸链有方向性

35、： 5 533DNADNA复制的一些特征复制的一些特征* *在在DNADNA聚合酶聚合酶的催化下，许多单核苷酸的催化下，许多单核苷酸（脱氧核糖核酸）连接起来成为一条核（脱氧核糖核酸）连接起来成为一条核苷酸链。苷酸链。* *新的核苷酸链形成需要一段引物新的核苷酸链形成需要一段引物* *DNADNA聚合酶只能催化单核苷酸以聚合酶只能催化单核苷酸以5 533方向方向连接。连接。* *5 533连续合成将使一条核苷酸链的延长连续合成将使一条核苷酸链的延长方向与复制叉推进方向相反。方向与复制叉推进方向相反。4.复制叉的不对称性复制叉的不对称性 asymmetry of replication folk：

36、 前导链、后随链和冈崎片段前导链、后随链和冈崎片段问题：问题：一条新链一条新链:5:533方向合成，另一条新链如何合成？方向合成，另一条新链如何合成？ ?OK4. 复制叉的不对称性：复制叉的不对称性： 前导链、后随链和冈崎片段前导链、后随链和冈崎片段答案：答案：一条新链：一条新链： 5 533方向不间断合成前导链方向不间断合成前导链另一条新链：另一条新链： 5 533方向间断合成后随链方向间断合成后随链4. 复制叉的不对称性：复制叉的不对称性： 前导链、后随链和冈崎片段前导链、后随链和冈崎片段4. 复制叉的不对称性：复制叉的不对称性： 前导链、后随链和冈崎片段前导链、后随链和冈崎片段前导链前导

37、链后随链后随链一条链不间断地合成，并率先发生，因而叫作一条链不间断地合成，并率先发生，因而叫作前导链；前导链；另一条链间断合成，由冈崎片段连接而成，并滞后发生，另一条链间断合成，由冈崎片段连接而成，并滞后发生，因而叫作因而叫作后随链后随链。 在后随链合成中，由在后随链合成中，由DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII在在RNARNA引物引物的的3 3-OH-OH后后合成一段多核苷酸合成一段多核苷酸链链（DNADNA链链），此，此DNADNA片段加上片段加上RNARNA引物引物构成冈崎片段。构成冈崎片段。 冈崎片段冈崎片段（Okazaki fragments）DNA DNA 聚合酶聚合酶I I5 5

38、3 3切除切除RNARNA引物引物5 53 3填充脱氧核苷酸填充脱氧核苷酸DNADNA连接酶：连接两个连接酶：连接两个DNADNA片段片段冈崎片段连接冈崎片段连接: :冈崎片段3355 复制叉推进方向复制叉推进方向 复制起始点复制起始点模板链模板链复制起始点复制起始点DNADNA的双向复制示意图的双向复制示意图复制叉推进方向复制叉推进方向复制的主要步骤复制的主要步骤在复制起始点打开双链在复制起始点打开双链合成一段合成一段RNARNA引物引物前导链合成前导链合成（DNADNA链在链在RNARNA引物后开始引物后开始合成）合成）后随链合成后随链合成( (冈崎片段在引物后开始合成）冈崎片段在引物后开

39、始合成）DNA双链复制DNADNA复制的必需物质复制的必需物质1. 1. 模板：解开成单链的模板：解开成单链的DNADNA母链母链3. DNA3. DNA聚合酶聚合酶2. 2. 底物底物dNTP dNTP ：dATPdATP，dGTPdGTP，dCTPdCTP，dTTP dTTP 4. 4. 引物（引物（primerprimer）：）：RNARNA引物引物5. 5. 其他酶和蛋白质因子其他酶和蛋白质因子T T TTCA5校读纠错机制校读纠错机制proofreading & mistake-correction复制过程中出现错误复制过程中出现错误的核苷酸碱基配对，的核苷酸碱基配对，DNA

40、DNA聚合酶会发现并聚合酶会发现并纠正错误。纠正错误。6整个染色体的复制整个染色体的复制 多个复制泡不断产生多个复制泡不断产生. . 端粒酶保证真核染色体末端的完整端粒酶保证真核染色体末端的完整复制复制. . DNADNA新链合成完毕后立即就有组蛋白新链合成完毕后立即就有组蛋白与之装配，新的核小体形成与之装配，新的核小体形成. .末端复制组蛋白核心组蛋白核心DNADNA双链双链合成的新链合成的新链旧链（模板链）旧链（模板链）新的组新的组蛋白核心蛋白核心（7 7） DNADNA复制的有关酶类和蛋白质复制的有关酶类和蛋白质 一系列酶和其他蛋白质组成复合体，作为一系列酶和其他蛋白质组成复合体，作为一

41、个整体沿一个整体沿DNADNA分子移动，协调两条链上分子移动，协调两条链上的合成过程的合成过程。 1. 1. 基因的转录（基因的转录（ transcriptiontranscription） 从从DNADNA到到RNARNA 2. 2. 基因的翻译基因的翻译 （translationtranslation） 从从RNARNA到蛋白质到蛋白质三、遗传信息的表达三、遗传信息的表达Expression of the genomic informationExpression of the genomic information 分子生物学中心法则分子生物学中心法则 The central princ

42、iple 细胞内遗传信息的流向是从细胞内遗传信息的流向是从DNADNA到到RNARNA再再到蛋白质。有些情况下遗传信息流的终到蛋白质。有些情况下遗传信息流的终端是端是RNA,RNA,真核细胞真核细胞RNARNA的加工很重要。的加工很重要。1. 1. 基因的转录基因的转录 从从DNADNA到到RNARNA（同样的语言）（同样的语言）（1 1）转录过程）转录过程（2 2）有意义链和反意义链）有意义链和反意义链（3 3）非编码）非编码RNARNA（4 4）真核）真核RNARNA的转录后加工的转录后加工在在RNARNA聚合酶聚合酶作用下，以作用下，以DNADNA的一条链上的一的一条链上的一段序列为模板

43、，按照碱基配对原则，以段序列为模板，按照碱基配对原则，以4 4种三种三磷酸核苷酸磷酸核苷酸为原料，合成一个与模板序列互为原料，合成一个与模板序列互补的补的RNARNA分子分子。转录产物主要有转录产物主要有mRNAmRNA、rRNArRNA和和tRNAtRNA。（1）转录过程）转录过程553353电镜下所见到的两个rRNArRNA基因的高效转录所形成的箭头样结构的高效转录所形成的箭头样结构RNARNA聚合酶催化的细菌基因的聚合酶催化的细菌基因的转录转录: :聚合酶遇到启动子序列聚合酶遇到启动子序列就与之结合就与之结合, ,打开双链开始转录打开双链开始转录, ,直至遇到终止子直至遇到终止子. .转

44、录转录基因链基因链（gene strandgene strand）: :基因遗传信息所在的基因遗传信息所在的DNADNA单链。单链。反基因链反基因链（antigene strandantigene strand）: :与基因链互补的与基因链互补的DNADNA单链。单链。mRNA mRNA 链链：序列与基因链相同（：序列与基因链相同（T/UT/U）(2)(2)有意义链和反意义链有意义链和反意义链 sense/ antisense strands基因链或有意义链基因链或有意义链反基因链或反意义链反基因链或反意义链 一段一段DNADNA上总是只有上总是只有一条链一条链作为转录的模板，即作为转录的模板

45、，即反反基因链，基因链，由此由此转录出来的转录出来的RNARNA链序列与模板链互补链序列与模板链互补，与基因链相同与基因链相同。一段细菌染色体上多个基因的转录方向一段细菌染色体上多个基因的转录方向指各种不翻译成蛋白质的指各种不翻译成蛋白质的RNARNA分子，分子，如用于合成核糖体的如用于合成核糖体的rRNArRNA和运输氨和运输氨基酸的基酸的tRNAtRNA等。等。(3)(3)非编码非编码RNA（non-coding RNA） mRNA (mRNA (真核加工真核加工) ) rRNA (rRNA (真核、原核均加工真核、原核均加工) ) tRNA (tRNA (真核、原核均加工真核、原核均加工

46、) )(4)(4)真核细胞真核细胞RNA的转录和加工的转录和加工 2.2.基因的翻译从基因的翻译从RNARNA到蛋白到蛋白质质 ( (不同的语言不同的语言) )( (发生在细胞核内吗发生在细胞核内吗?)?)DNA-RNA-Protein 遗传信息的遗传信息的翻译翻译是指以是指以mRNA为模板，为模板，把核苷酸链上的三联遗传密码转换成蛋白把核苷酸链上的三联遗传密码转换成蛋白质多肽链的氨基酸序列的过程，是基因表质多肽链的氨基酸序列的过程，是基因表达的最终目的。达的最终目的。蛋白质的生物合成发生在核糖体上，三种蛋白质的生物合成发生在核糖体上，三种成熟的成熟的RNA分子从细胞核进入细胞质后在分子从细胞

47、核进入细胞质后在此各自发挥重要作用。此各自发挥重要作用。mRNA 编码蛋白质编码蛋白质rRNA 形成核糖体的骨架并参与蛋白质的合成形成核糖体的骨架并参与蛋白质的合成(核酶核酶)tRNA 蛋白质合成中作为蛋白质合成中作为mRNA与氨基酸之间的连接物与氨基酸之间的连接物翻译的具体过程将在以后章节作详细讨论将在以后章节作详细讨论一、核仁的化学组成和形态结构一、核仁的化学组成和形态结构第四节第四节 核核 仁仁 核仁是细胞核内没有膜结构的特殊区域，有特定的核仁是细胞核内没有膜结构的特殊区域，有特定的形态、化学组成和功能。形态、化学组成和功能。Nucleolus 核仁的化学组成虽然也是核酸和蛋白质核仁的化

48、学组成虽然也是核酸和蛋白质，但是与染色质相比，蛋白质含量很高，但是与染色质相比，蛋白质含量很高，两种核酸的比例也与染色质不同。两种核酸的比例也与染色质不同。核仁核仁:蛋白质蛋白质 80 RNA 11DNA 8染色质染色质:蛋白质蛋白质 49 DNA 49RNA 少量少量核仁在间期到分裂期的形态变化核仁在间期到分裂期的形态变化在细胞分裂期，整个核仁先是在细胞分裂期，整个核仁先是 缩小继而消失。缩小继而消失。细胞分裂完毕后，在刚诞生的细胞分裂完毕后，在刚诞生的 子代细胞（间期）中，先是有子代细胞（间期）中，先是有数个小核仁形成，随即小核仁数个小核仁形成，随即小核仁互相融合成一个或数个大核仁。互相融

49、合成一个或数个大核仁。？发生了什么？ rRNA基因（基因（rDNA）以前后串联的方式成串排以前后串联的方式成串排列在染色体上。这些含列在染色体上。这些含rRNA基因的襻环集结基因的襻环集结在核仁内。在核仁内。每条襻环上的一串每条襻环上的一串rRNA基因叫做基因叫做一个一个“核仁组织者核仁组织者”nucleolar organizer，简称，简称为为NOR。 电镜显示蛙卵母细胞电镜显示蛙卵母细胞rRNArRNA基因基因二、核仁的功能：二、核仁的功能：1. rRNA的合成的合成2. rRNA前体的加工前体的加工3. 核糖体亚单位的装配核糖体亚单位的装配rRNA间隔间隔DNADNAspace DNA

50、space DNArRNA转录单位转录单位rRNA transcription unit前体前体rRNA由RNA聚合酶I (polymerase I)催化合成蛋白质颗粒蛋白质颗粒rDNA丝丝化学修饰化学修饰某些序列被切除某些序列被切除装配成核糖体装配成核糖体大亚基大亚基45S rRNA前体前体二、核仁的功能：二、核仁的功能：1. rRNA的合成的合成2. rRNA前体的加工前体的加工形成三个独立的形成三个独立的rRNArRNA分子分子3. 核糖体亚单位的装配核糖体亚单位的装配装配成核糖体装配成核糖体小亚基小亚基二、核仁的功能：二、核仁的功能：1. rRNA的合成的合成2. rRNA前体的加工前

51、体的加工3. 核糖体亚单位的装配核糖体亚单位的装配 （assemble）核糖体核糖体核糖体核糖体大亚基大亚基核糖体核糖体小亚基小亚基分裂期分裂期间期间期间期间期间期分裂期的动态变化间期分裂期的动态变化在分裂期，在分裂期，含含rRNA基因的基因的DNA襻环逐渐缩回襻环逐渐缩回至相应染色体，至相应染色体，纤维成分和颗粒成分均分散于纤维成分和颗粒成分均分散于核质中，核质中，整个核仁先是缩小继而消失整个核仁先是缩小继而消失。细胞分裂完毕后，在刚诞生的子代细胞中，细胞分裂完毕后，在刚诞生的子代细胞中，染色体上含染色体上含rRNA基因的区段重新松解和伸展，基因的区段重新松解和伸展，在这些在这些DNA襻环周

52、围，襻环周围，以以“核仁组织者核仁组织者”为中心，为中心，又组建新的核仁又组建新的核仁。先是有数个小核仁形成，随即。先是有数个小核仁形成，随即小核仁互相融合成一个或数个大核仁小核仁互相融合成一个或数个大核仁。第五节第五节 细胞核与疾病细胞核与疾病一、染色体病一、染色体病 唐氏综合症唐氏综合症二、核基因遗传病二、核基因遗传病 镰状细胞贫血症镰状细胞贫血症三、核纤层病三、核纤层病 早老症早老症四、细胞核多种异常疾病四、细胞核多种异常疾病 肿瘤肿瘤唐氏综合症早老症肿瘤细胞核膜的主要功能：核膜的主要功能：1. (1. (核被膜核被膜) )分隔细胞核与细胞质分隔细胞核与细胞质保护保护DNADNA细胞核内

53、形成特定的代谢环境细胞核内形成特定的代谢环境将将RNARNA合成和蛋白质合成分开合成和蛋白质合成分开2.(2.(核孔核孔) )沟通细胞核与细胞质之间的沟通细胞核与细胞质之间的 物质双向交流物质双向交流遗传物质复制、转录、加工所需酶、蛋白质入核遗传物质复制、转录、加工所需酶、蛋白质入核RNARNA和核糖核蛋白复合体出核和核糖核蛋白复合体出核3.(3.(核纤层核纤层) )提供染色质和染色体的附着位点提供染色质和染色体的附着位点 本章小结本章小结 核孔复合体核孔复合体 nuclear pores complex (NPC) ： 组成核孔的一组蛋白质颗粒， 以特定排列方式形成的复合体， 可以从核膜上分

54、离出来。核纤层核纤层 nuclear lamina: 高等真核细胞内层核膜下由纤维蛋白高等真核细胞内层核膜下由纤维蛋白( (核纤核纤层蛋白层蛋白lamin Alamin A、B B、C)C)构成的网络壳层。构成的网络壳层。染色体的染色体的化学组成化学组成(一一) DNA（双螺旋）双螺旋）(二二)蛋白质蛋白质染色质或染色体染色质或染色体1. 组蛋白组蛋白2. 非组蛋白非组蛋白每个染色体分子上有每个染色体分子上有3 种元件是遗传物质种元件是遗传物质复制所必需的复制所必需的 多个复制起始点 一个着丝粒 两个端粒 串珠状纤维串珠状纤维(核小体核小体)双螺旋双螺旋染色单体染色单体线形染色质到棒状染色体的

55、包装构建线形染色质到棒状染色体的包装构建30纳米纤维纳米纤维襻环襻环间期染色体分裂期染色体heterchromatineuchromatin常染色质常染色质Euchromatin 具有转录活性具有转录活性 the possibility of transcription 相对伸展的染色质形式，由相对伸展的染色质形式，由30nm纤维和襻环组成。纤维和襻环组成。 30 nm fibers and looped domains; less condensed 低电子密度低电子密度 light-staining异染色质异染色质heterochromatin 间期核内，一条染色体上的染色质并不处于完全相

56、间期核内，一条染色体上的染色质并不处于完全相同的包装状态，而是同时含有紧缩的和相对伸展的同的包装状态，而是同时含有紧缩的和相对伸展的染色质形式，其中染色质形式，其中最紧缩的形式就是异染色质最紧缩的形式就是异染色质。 异染色质异染色质间期核内纤维折叠盘曲紧密、呈凝集间期核内纤维折叠盘曲紧密、呈凝集状态、一般无转录活性的染色质，电子密度高，常状态、一般无转录活性的染色质，电子密度高，常位于细胞核边缘和核仁周围。位于细胞核边缘和核仁周围。 异染色质虽然在整个染色体中都可以出现，但特别异染色质虽然在整个染色体中都可以出现，但特别集中在一些区段，即集中在一些区段，即着丝粒和端粒着丝粒和端粒。核仁的化学成分和功能核仁的化学成分和功能 一. 化学组成化学组成蛋白质 80 RNA 11DNA 8 二二. 功能功能1. rRN