医学细胞生物学-第八章-细胞核

1、第八章 细胞核Cell nucleus 概述细胞核最基本的功能1.贮存遗传信息（DNA）2.复制、转录遗传信息并指导蛋白质合成3.是细胞生命活动的调控中心基因信息传递 转录翻译DNA核苷酸顺序RNA蛋白质氨基酸顺序细胞核：DNA复制 RNA合成细胞质：蛋白质合成形状：圆形，肌细胞（杆状），中性粒细胞 （分叶状）大小：核质比： NP=VN/（VC-VN）位置：细胞中央或边缘数目：一个、两个 或数百结构：核膜、核仁、核骨架、染色质、核纤层 间期细胞核1、核被膜（核膜）2、染色质3、核基质（核纤层，核骨架）4、核仁Nuclear membrane是一种包被核内物质的膜结构，为整个内膜系统的一部分，是

2、细胞区域化的结果。一、化学组成 蛋白质、脂类、少量核酸第一节 核膜（核被膜）nuclear envelope蛋白质和脂类与内质网相似1、蛋白质 葡萄糖6磷酸酶（ER的标记酶），电子传递有关的酶。2、脂类 胆固醇和甘油三酯较多，不饱和脂肪酸浓度低。外核膜：内核膜：核周间隙：核孔：二、亚微结构：其表面附核糖体，形似粗面内质网,并与其相通，膜可与胞质中的某些微管、中间纤维相连起固定核位置的作用。外核膜（一）核膜的双层膜结构 外核膜其内表面有一层致密的纤维蛋白网络，对核膜起支持作用，称为核纤层。内核膜核纤层 内核膜隙宽：20-40nm,充满液态物质,为蛋白质和酶。此间隙与内质网有临时通道，可进行核质物

3、质交换。核周间隙（二）核周间隙核膜上的圆形小孔，是核质的通道，不与核周隙相通。核孔（三）核孔呈圆形或八角形如fish-trap.基本结构： 胞质环，外环 核质环，内环 辐 中央栓：核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）胞质颗粒胞质环中央栓轮辐胞质纤维核质环 核孔复合体结构模型核纤层 核孔复合物的结构模型 Cytoplasmic face（胞质面）Nuclear face （核质面）（四）、核膜的主要功能：1、区域化的作用原核细胞（RNA转录和蛋白质的翻译）真核细胞（RNA转录后，在核内加工、剪切修饰，在核外翻译）调控更加精确，使细胞能够有效地适应外界环境的变化。2、控制

4、细胞核、细胞质之间的物质交换 DNA合成、RNA的转录及加工在细胞核内进行，所需要的各种酶先在细胞质中合成，再转运入细胞核。 蛋白质的合成在细胞质中进行，所需tRNA及mRNA以及核糖体前体，均合成于细胞核，后转运至细胞质。组蛋白， DNA聚合酶，RNA聚合酶，核糖体蛋白主动运输RNA，核糖体亚基被动运输012 离子，小分子核孔复合体的功能双功能：被动运输主动运输双向性：入核：亲核蛋白、DNA、RNA聚合酶出核： RNA被动运输: 分子量5000自由进出 如：无机离子水分子、K+、Ca2+ 小分子物质单糖、氨基酸、核苷酸主动运输: 选择性运输、信号识别和载体介导核定位信号（nuclear lo

5、calization signal，NLS） 引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列。核转运受体：可溶性蛋白或RNA-蛋白质复合物(RNP)，具有选择性。 核定位信号与核转运受体识别并结合，核孔孔径暂时性扩大，允许大分子通过，核孔复合体上Mg2+ATP酶，为核转运供能。 NLS由4-8个氨基酸组成，不同的亲核蛋白质上的核定位信号不同，但都富含带正电的Lys、Arg及Pro等碱性氨基酸。 研究表明仅有NLS的蛋白质自身不能通过核孔复合体，它必须通过和核转运受体（输入蛋白）结合才可通过核孔复合体。核转运受体起接头分子的作用。核质蛋白有选择地通过核孔复合体的实验核质蛋白尾头同位素标记的核质蛋白同位素标记

6、的头同位素标记的尾 注 射 到 爪 蟾 的 卵 母 细 胞 质 中胶体金颗粒尾部包裹的胶体金颗粒 放 射 自 显 影 检 测 电 镜 检 测进入核内留在细胞质中进入核内通过核孔进入核内3、细胞分裂中参与染色体的定位与分离 核膜与染色体在细胞中的定位有一定的关系，尤其在减数分裂中，核膜与染色体平均分配到细胞核的两极有关。4、合成生物大分子 核膜外层与粗面内质网结构相似，可合成蛋白质。核周间隙合成膜蛋白及脂类。有报道还可合成糖类。第二节 核纤层与核骨架一、核纤层1. 定义：真核细胞中一层紧贴内核膜的纤维蛋白2. 分布：向内与核骨架相连，向外与中间纤维连接3. 组成：核纤层蛋白(laminA、B、C

7、)核纤层相关蛋白（LAP） 核纤层（核板） nuclear lamina 结构 外表面与内核膜的特殊部位结合 内表面与染色质的特殊位点结合核 孔复 合 体膜蛋白外 膜内 膜 镶 嵌 膜 蛋 白核 周 腔BBBBBBBAC ACACACACACAC核纤层染色质核纤层（nuclear lamina） 1.核纤层与核膜、核孔复合体及染色质的关系。 核纤层的外层与内核膜的脂双分子层中的特殊蛋白相结合，与维持核孔的位置和核被膜的形状有关。核纤层为染色质提供附着的位点。核纤层的功能前期：核纤层蛋白磷酸化，核纤层蛋白解聚成单体（A,C分散到细胞质中，B与核膜小泡结合)，导致核崩解、破裂。 2、 参与核膜的解

8、体和重建细胞有丝分裂末期：核纤层蛋白去磷酸化，使核膜重建。核纤层蛋白磷酸化核纤层蛋白去磷酸化Breakdown and reformation of nuclear envelope during mitosis3、核纤层参与细胞分裂中染色质的凝集4、核纤层参与细胞核的构建狭义：核基质(nuclear scaffold)核骨架广义：包括核基质、核纤层、核 孔复合体结构体系、染色 体骨架核骨架又称核基质（nuclear matrix ）二、 核 骨架（nuclear scaffold) 真核细胞核内除去核膜、核纤层、染色质与核仁以外的一个以纤维蛋白成分为主的精密网架体系。核骨架充满整个核内空间。

9、（一）形态结构和基本组分核骨架基本组分(非组蛋白性质)纤维蛋白核基质蛋白是各种类型细胞共有的蛋白质核基质结合蛋白是与细胞类型及分化程度相关的蛋白质RNA：RNA与蛋白质结合成RNP复合物 DNA：少量，功能性结合 （二）核骨架的功能1、与DNA复制有关核骨架是DNA复制的空间支架，DNA结合于核骨架后，其复制的准确率及效率均可显著提高。2、核骨架与基因的表达核骨架参与基因转录活性的调节 基因只有与核骨架结合后，才能进行转录，不转录的基因不与核骨架结合。细胞内三种RNA都是在核骨架上进行合成的。3、转录后RNA的加工修饰和定向运输用RNA酶处理RNP复合物，发现剩余的蛋白质可以组装成核骨架样的纤

10、维网络。由此推测核骨架参与了转录后RNA的加工修饰。4、核骨架与细胞分裂 核骨架参与有丝分裂后核的重建，为核膜重建所必需。5、核骨架与细胞分化 随着分化程度的增加，细胞RNA合成能力增强，核骨架也变得发达。二者共同点及相互关系 染色质与染色体是由DNA、组蛋白、非组蛋白及RNA等组成的核蛋白复合体，是遗传信息的载体。是同一种物质在细胞周期的不同时期中所表现的两种不同的存在形式。第三节 染色质与染色体 区别 染色质（chromatin） 间期，呈细网状，形态不规则，弥散在核内。 染色体 ( chromosome) 分裂期，由染色质复制后反复盘绕，高度压缩凝集成的条状或棒状结构。DNA、组蛋白、非

11、组蛋白、RNA一、化学组成染色质的化学组成比例核 酸蛋白质成 分DNARNA组蛋白非组蛋白所占比例10.05-0.110.1-0.5（一）DNA真核细胞中，每条未复制的染色体由一条DNA分子组成。类型：单一序列基因组60-65%中度重复序列（101-5）基因组20- 30%高度重复序列（105）基因组10 % 染色体DNA的三种功能序列复制起始点序列；着丝粒序列（CEN）；端粒序列(TEL) （二）组蛋白 类型： 1. 核小体组蛋白（core histone）： H2A、H2B、 H3、H4 与酸性DNA分子结合，形成核小体 进化上高度保守，无种属及组织特异性 2. 连接组蛋白（linker

12、histone）: H1 有一定种属及组织特异性 在核小体构成中起连接作用组蛋白的分类及特性 种类赖氨酸/精氨酸残基数分子量 (kD)保守性存在部位及结构作用H1存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体29.0021523.0低高高极高极高H2AH2BH3H41.2212914.02.6612513.60.7713515.30.7910211.3存在于连接线上核小体蛋白，帮助DNA卷曲形成核小体组蛋白的化学修饰 乙酰化：可改变赖氨酸所带的电荷，降低组蛋白与DNA的结合，调节转录的进行。 磷酸化：同乙酰化 甲基化：可增强组蛋白和DN

13、A的相互作用，调节转录活性 （三）非组蛋白1、带负电荷，酸性蛋白质，多为天冬氨酸、谷氨酸2、种属及组织特异性3、整个细胞周期都合成4、能识别特异的DNA序列，靠氢键和离子键 功能： 帮助DNA折叠； 协助DNA复制； 调节基因表达（磷酸化）。二、染色质的种类常染色质异染色质间期细胞核结构N:常染色质，：核仁，标注：异染色质常染色质(euchromatin) 间期核内处于分散状态、具活跃DNA复制及转录功能的染色质。 特点： 1、压缩程度低，碱性染料染色浅。 2、间期位于细胞核中央 3、组成：单一序列DNA和中度重复序列DNA 4、复制的时间一般在S期早、中期异染色质(heterochromat

14、in) 间期核内处于凝集状态、缺乏转录功能或转录功能不活跃的染色质。特点： 1、压缩程度高，碱性染料染色深。 2、分布在核的周边，或核膜内表面， 核仁相随染色质的一部分。 异染色质类型 结构异染色质（组成型异染色质） 除复制期，在所有细胞类型的整个细胞周期均处于聚缩状态的异染色质。 兼性异染色质（功能性异染色质） 某些细胞类型或特殊的发育阶段，由常染 色质聚缩，丧失基因转录活性形成的异染色质常染色质与异染色质比较常染色质异染色质碱性染料染色着色浅着色深形态解旋的细纤维丝卷曲成粗大颗粒部位核中央核边缘功能活跃地复制转录转录不活跃染色质的一级结构：核小体 （7倍）染色质的二级结构：螺线管 （ 6倍

15、）染色质的三级结构：超螺线管 （40倍）染色质的四级结构：染色单体 （5倍） （8400倍） 染色质的四级结构模型三、染色质的结构与组装自然结构盐处理后（一）一级结构11nm染色质纤维核小体是染色质的基本结构单位，为染色质的一级结构， 11nm。染色体的基本结构-核小体球状组蛋白核心H4DNA双螺旋(146bp、1.75圈)H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H4H2AH2AH2BH2B10nm连接DNA（50-60bp） H1 H1核小体核心部连接部DNA分子：146bp 1.75圈 组 蛋 白：2（H2A、H2B、H3、H4）八聚体组 蛋 白：H1DNA分子：60bp核小体 直

16、径11nm的串珠状染色质纤维，组蛋白和DNA组成珠状结构的核小体。 每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1；由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈83bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。 （二）二级结构 30nm染色质纤维每6个核小体螺旋一圈，形成30nm的中空纤维样结构即螺线管模型。H1组蛋白位于螺线管内部，促进组装。内11nm组蛋白H1每6个核小体螺旋一圈，形成外径30nm、内径11nm、螺距11nm的中空纤维样结构。H1组蛋白位于螺线管

17、内部，促进组装。（三）染色质的高级结构 染色质包装的多级螺旋化模型 (multiple coiling model) 染色体的骨架-放射环模型 (scaffold radial loop structure model) 超螺线管为染色体的三级结构染色单体为染色质的四级结构骨架-放射环结构模型非组蛋白构成染色体骨架即轴。螺线管形成DNA复制环，每18个复制环沿轴，由中央向四周伸出，构成放射环。袢环模型（loop model）染色体支架（非组蛋白）袢环（ 30nm螺线管）1234567891011121314151617181号染色体中的DNA包装倍数 染色单体主缢痕（初级缢痕）次缢痕着丝粒ce

18、ntromere短臂（p）长臂（q）外层中层内层纺锤体微管着丝点（动粒）随体端粒四、染色体的形态特征主缢痕模式图动粒结构域配对结构域中心结构域随体染色体的臂上凹陷缩窄形成次缢痕，与核仁的形成有关，称为核仁组织区（NOR)。OPInterzone IP着丝粒-动粒复合体 动粒结构域(kinetochore domain) 包括三层板状结构 中央结构域(central domain) 含高度重复序列DNA配对结构域(pairing domain)： 内部着丝粒蛋白INCENP(inner centromereprotein) 染色单体连接蛋白CLPs(chromatid linking prote

19、ins)着丝粒与动粒染色体的四种类型：1/25/8中央着丝粒染色体5/87/8近中着丝粒染色体7/8 近端着丝粒染色体中部近中部近端部端部 末端处端着丝粒染色体端粒（telomere） 端粒酶是一种由蛋白质和RNA组成的核糖核蛋白酶。具有延长端粒末端重复序列的功能，如果端粒酶活性丧失，端粒将逐渐缩短，从而导致细胞衰老。端粒酶端粒酶与端粒的关系Elizabeth H. Blackburn 伊丽莎白-布莱克本Carol W. Greider 卡罗尔-格雷德Jack W. Szostak杰克-绍斯塔克University of California San Francisco, CA, USA美国加

20、利福尼亚旧金山大学Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, MD, USA 巴尔的摩约翰-霍普金斯医学院Harvard Medical School; Massachusetts General Hospital Boston, MA, USA; 哈佛医学院（三）人类的正常核型 一个体细胞（somatic cell）中的全部染色体，按其大小和形态特征排列所构成的图像。 1. 核型（Karyotype）：2.染色体的显带技术： 用特殊的染色方法使染色体在其长轴上显出明暗交替或染色深浅不同的横纹带（band）。显带技术整条显带局部

21、显带Q带：喹吖因或荧光染料G带：Giemsa染色R带：Q、G反带高分辨带C带：着丝粒等区的异染色质T带：端粒N带：NOR区酸性蛋白核型：全套染色体的表型包括：数目、大小、长度、着丝粒位置、随体有无、次缢痕数目染色体核型第四节 核 仁(nucleolus) 均质、无膜的球形小体，位于核内一侧，12个或多个，由纤维丝构成海绵状结构。核仁边集：1、蛋白质 80%：2、rRNA 10%： 以RNP形式存在3、DNA 8%： 核仁相随染色质4、微量脂类一、化学组成二、核仁的结构1、核仁相随染色质： 核仁周围染色质、核仁内染色质2、纤维结构： 正在转录的rRNA、核糖体蛋白3、颗粒成份（GC）： RNA与蛋白质（RNP）颗粒（不同加工阶段）4、核仁基质：无定形蛋白性液体物质核膜核仁含有rDNA的10个伸展的间期染色体袢环进入核仁中机械剪切分离的含有不完整染色体袢