细胞生物学：细胞核与染色体、细胞质

1、细胞核与细胞质细胞核是真核细胞内最大、最明显和最重要的细胞器。是区别原核细胞与真核细胞最显著的特征之一。一般一个细胞只有一个细胞核，但在有些特殊细胞中，有多个细胞核。细胞核主要由核被膜、核纤层、染色质、核仁及核体组成。细胞核是遗传信息的储存场所，与细胞遗传及代谢活动密切相关的基因复制、转录和转录初产物的加工过程均在此进行。核被膜核被膜的形态结构核被膜是包围在细胞核外的界膜，核被膜含有两层核膜，内层核膜的内表面存在一层由中间丝相互交织成的搞电子密度的蛋白质网络结构，为核纤层。核被膜的外核膜外表面结合有核糖体。内外核膜之间隔有间隙，为核间隙。在核膜的许多部位，内外核膜相互融合，成为通道，为核孔。每

2、一核空由一个极为精密复杂的结构所组成，此结构为核孔复合体。核被膜是有内外两层大致平行的膜组成，向着胞质侧的一层核膜称为外核膜，常常与糙面内质网相连，其胞质面上附有大量的核糖体。近核质一侧核膜为内核膜，其内表面光滑，含有一些特异的蛋白质。内外核膜之间存在间隙，与糙面内质网腔相通。有贯穿核被膜的细胞质和核质间的环形通道为核空。靠近核孔的核膜在化学组成上与其它处的核膜不同，特称核孔区，其特征蛋白为一种跨膜糖蛋白gp210.核被膜的功能及生物学意义一方面，核被膜构成了核、质之间的天然选择性屏障，将细胞分成核质结构和功能区域，使得DNA复制，RNA转录在核内进行。而蛋白质的翻译则局限在细胞质中。这样既避

3、免了核质间彼此相互干扰，使细胞的生命活动秩序更加井然。同时还能保护核内的DNA分子免受损伤。另一方面，核被膜调控细胞核内外的物质交换和信息交流。核被膜并不是完全封闭的，核质之间进行着频繁的物质交换和信息交流。这些物质交换与信息交流主要是通过核被膜上的核孔复合体进行的。核孔复合体的结构核孔是胞质与核质之间物质交换的通道，每一核孔都是由结构精密的核孔复合体构成，组成核孔复合体的蛋白叫核孔蛋白，核孔复合体的数量随细胞种类、转录活性不同而有较大差异。核孔复合体的相对分子数量很大，其结构模型为核蓝模型核孔复合体由部分组成：.主体是呈个对称分布的跨膜的辐射状结构，称为辐，这些环状辐射结构围绕在中央运输体的

4、周围。辐射状结构插入到双层核膜的膜间隙中，将核孔复合体固定到核膜中.在核孔复合体胞质面的环状结构为胞质环.在核孔复合体质面的孔环状结构为核质环。二环性质相似，只是大小和形状不同。它们构成了核孔内、外出口，分别与内外层核膜相连。胞质环带有根胞质丝，伸入到胞质；而核质环则向核质中伸出根细纤维，其末端被一端环连接在一起，形成一种捕鱼笼式的结构，称为核篮.核孔中央为一筒状结构，称为中央运输体，中央运输体可发生构象变化，体积大的大分子通过时，其孔径可扩张增大。核孔复合体（NPC）的功能核孔复合体的主要功能是细胞质与细胞核之间的物质通道，大量的蛋白质参与了核空的运输，核转运蛋白既可和运载物结合，也可被核孔

5、蛋白所识别结合。核转运蛋白的功能是协助运载物被运进或运出细胞核。核蛋白的输入（亲核蛋白的入核机制）核中所有的蛋白都是在细胞质中合成，然后经核孔复合体运到核内执行功能的蛋白质，如核质蛋白。亲核蛋白之所以能够通过核孔复合体进入核中，是因为亲核蛋白均含有一段特殊的氨基酸序列，成为核输入信号，又称核定位信号（NLS），此信号可定位在亲核蛋白的不同部位，进入核中也不被切除。亲核蛋白经核孔复合体主动运输被运进核，除了依赖核输入信号外，还是一个载体介导的过程，需要有其他蛋白协助。主要有种，包括：Ran（单体蛋白）.核运输因子.输入蛋白.输入蛋白Ran可以以两种形式存在，一是与GTP结合，另一种是GTP水解。

6、与GDP结合。两种输入蛋白形成一个核输入受体异二聚体，亚基与运载物蛋白的NLS结合进入核，亚基则与FG核孔蛋白的FG重复结合。输入蛋白在亲核蛋白的主动运输中起着载体或衔接分子的作用，是一个耗能过程，在核孔复合体上结合有镁离子GTPase，可水解为主动运输提供能量。具体过程如下：亲核蛋白与输入蛋白异二聚体结合形成的亲核蛋白-受体复合物与核孔复合体的胞质丝结合通过与FG重复的瞬时结合与分离，蛋白质复合物穿过NPC（核孔复合体）进入核内该复合物与Ran-GTP相互作用，引起复合物解体，释放出亲核蛋白输入蛋白与RanGTP结合在一起被运回细胞质，Ran-GTP在细胞质中被水解形成Ran-GDP，Ran

7、-GDP随后被运回核内，而输入蛋白也在核内输入蛋白的帮助下返回细胞质RNA和核糖体亚单位的输出与亲核蛋白的主动运进一样，RNA和核糖体亚单位的运出也是一个具有选择性的受体介导的主动运输过程其选择性主要表现在：RNA只有在经过转录后加工并成熟后才能经核孔被运出细胞核，在核中新转录的异质性前体RNA分子（RNA）不能被运出细胞核，而只能存在于核内。RNA合成后随即与蛋白质结合，形成了RNP。RNP只有在加工成各种RNP后才能被运出细胞核。成熟的RNA和scRNA（胞质小RNA）的运出依赖于其5端的帽，具有帽子的RNA可被运出细胞核，而缺少的不能被运出。成熟的rRNA在核内结合上核糖体蛋白而变成核糖

8、体亚单位，以RNP的形式依赖于受体的介导被运出细胞核。5SrRNA和tRNA的运出是一种蛋白质介导的过程其他的rRNA分子总是在核仁内先组装成核糖体亚单位，以RNP 的形式运出细胞核，其运出也是一种特异性受体介导的主动运输过程，这些受体或是识别核糖体RNA或是识别核糖体的结合蛋白。 某些专一性mRNA与特定的hnRNP蛋白结合依赖于Ran由核输出。然而大多数mRNA是以另一种方式输出核，要依赖mRNA输出体。 综上所述，核孔复合体对于亲核蛋白的运进和各种RNA和核糖体亚单位的运出均具有高度选择性，运输过程既涉及主动运输，又设计被动运输。其主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP来

9、提供能量。核纤层的结构特点和功能意义一层由中间丝相互交织成的搞电子密度的蛋白质网络结构，核纤层蛋白本身形成纤维状网络结构，纤维直径与中间丝类似，所以也将核纤层蛋白认为是一类特殊的额中间丝蛋白。功能主要表现在以下几个方面：结构支撑功能：核纤层蛋白形成骨架结构支撑于核被膜的内侧，使得核被膜能起到细胞核与细胞质之间的隔离与信息交换功能。核纤层的骨架还能得以使细胞维持正常的形状和大小。调节基因表达：调节DNA修复：核纤层蛋白是DNA双链断裂修复必须的。与细胞周期密切相关。 核纤层的功能与维持核孔的位置和核被膜的形状有关，它与核骨架以及穿过核被膜的中间纤维相连，为胞质骨架和核骨架形成一连续网格结构。同时

10、它又为间期染色体提供附着位点，是染色质的结构支架。此外，在有丝分离过程中，核纤层还与核被膜的解体和重建有关。在分裂末期，核纤层解体，进而使核被膜发生解体。染色质染色质的概念染色质是指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂的特定阶段，由染色质聚缩而成的棒状结构。实际上，二者之间的区别主要并不在于化学组成上的差异，而在于包装程度的不同，反映了它们在细胞周期不同的功能阶段中所处的不同的结构状态。在真核细胞细胞的细胞周期中大部分时间是以染色质的形态而存在的。染色质DNA 真核生物中，单根染色质纤维是一个结合

11、有蛋白质的线性DNA双螺旋分子，因此染色质纤维是一个大相对分子质量的核蛋白纤维。各种生物的DNA含量差别很大。基因组是一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传信息，其大小通常随物种的复杂性增加而增加。基因组DNA类型1.蛋白质编码序列，以三联体密码的形式进行编码2.编码tRNA、rRNA、snRNA和组蛋白的串联重复序列3.含有重复序列的.未分类的间隔DNA染色质蛋白质组蛋白组蛋白是构成真核生物染色体的基本结构蛋白，富含正电荷的和等碱性氨基酸，属于兼性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合，在进化上十分保守，组蛋白种类不多，总共只有种，即为，、和。组蛋白在功能可分为以下两个组：核小体蛋白组，帮助DNA

12、卷曲形成核小体稳定结构.组蛋白，在核小体中起连接作用。DNA同组蛋白的含量比例比较恒定，质量总是：.组蛋白很容易和DNA结合在一起，结合了组蛋白的DNA不能表达遗传信息，所以组蛋白具有抑制基因表达的作用，而且结合量越多，DNA的模板异质性越深。反之，用胰酶处理细胞核，使组蛋白减少，则DNA转录活性增强。非组蛋白非组蛋白是指与特异DNA序列结合的蛋白质，所以又称特异性DNA结合蛋白。非组蛋白具有以下特性：非组蛋白具有多样性：不同组织细胞中非组蛋白的种类和数量都不同，代谢周快。包括多种参与核酸代谢与修饰的酶如DNA聚合酶和RNA聚合酶识别DNA具有特异性：能识别特异的DNA序列，识别信息来源于DN

13、A核苷酸序列本身，识别位点存在于DNA双螺旋的大沟部分，识别与结合靠氢键和离子键具有功能多样性：它们具有多方面重要的功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。如帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域；协助启动DNA复制，控制基因转录，调节基因表达。核小体的结构核小体的念珠模型：染色质的基本结构是由DNA和蛋白质组成的重复单位（亚单位），每个亚单位是由个碱基对的DNA链结合个组蛋白分子组成，这种组蛋白DNA亚单位称为核小体。染色质丝是由许多核小体连接而成，形似一串念珠。核小体由200bp左右的DNA分子超螺旋、一个组蛋白八聚体和一个分子的组蛋白组成，其中由个H2A、H2B 和2个H3、H4

14、组成的八聚体构成盘状核心结构。在核心组蛋白八聚体外面，DNA分子用146个碱基盘绕了1.75圈，此外H1在核心颗粒外额外结合20个碱基，锁住核小体DNA 的进出端，形成了稳定的结构。这种由H1组蛋白、166bpDNA和核心组蛋白八聚体组成的稳定壳粒结构叫做染色质小体。核小体经核酸酶消化后，其DNA长度由200bp减少到166bp，最后减少到146bp。连接在染色体小体之间的DNA分子叫做连接区DNA。核小体中各组分的作用（H3）2 （H4）2规定了DNA缠在颗粒上的中心圈，只有H3和H4时能形成核小体；只有H2A和H2B时不能形成核小体颗粒。组蛋白疏水区不带正电荷，向着核心内部，带正电荷区分布

15、在颗粒表面，可以与DNA紧密结合。H1组蛋白的作用：保持染色质粗纤维的高级结构，锁住DNA分子的进出口，保护核心上的166bp DNA不被核酸酶消化，在10纳米染色质丝进一步盘绕时起重要作用。染色质中的酶敏感区：微球菌核酸酶；DNA酶（超敏感位点）。染色质的一些特异性位点，不形成核小体结构，含有几百个bp的特异性序列，为非组蛋白等DNA特异性结合蛋白所识别，在基因表达的调控中发挥重要作用5.离子强度对染色质纤维结构的影响： 低离子浓度（1 mol/L 下），染色质丝为10纳米核小体丝，离子强度增加，H1分子间相互作用增大，10纳米的核小体丝卷曲为30纳米螺旋管状的染色质粗纤维。 H1分子对10

16、纳米丝盘绕成30纳米的粗纤维中发挥重要作用，去掉H1分子核小体丝不再卷曲成30纳米的粗纤维。染色体的组装最开始是四聚体（两个异二聚体）的结合，CAF介导与新合成的裸露的DNA结合个加入，形成八聚体ATP创造规则间距以及组蛋白的去乙酰化，连接H1组蛋白，形成核小体6个核小体组成一个螺旋或由其他的组装方式形成一个螺线管，螺线管螺旋成超螺线管逐步凝集压缩成染色单体染色体组装模型1.染色质逐级凝缩的结构模型（染色体组装的多级螺旋模型) 人类每条DNA分子的平均长度为5cm，而细胞核的直径只与5-10um，故DNA分子要压缩一万倍作用才能容纳在细胞核的狭小空间内。压缩的具体过程如下：首先是DNA与组蛋白

17、装配成核小体，核小体在H1组蛋白的介导下彼此相连成10nm细纤维，这是染色质凝缩的一级结构。在这个过程中DNA双螺旋的长度被压缩的了7倍。之后，在H1组蛋白分子间的相互作用下，核小体卷曲成螺线管，即30nm染色质粗纤维，30nm纤维即染色质凝缩的二级结构，在此过程中染色质纤维的长度被压缩了6倍30nm粗纤维进一步螺旋化成直径为0.3um的超粗纤维，此为染色体的三级结构，此过程中染色质纤维的长度被压缩了40倍之后再由超粗纤维进一步螺旋折叠，长度压缩五倍后，形成染色单体，此为染色质凝缩的四级结构一共压缩了8400倍2.染色体组装的放射环结构模型首先是双螺旋DNA与组蛋白八聚体构建成连续重复的核小体

18、念珠模型，然后按每圈6个核小体为单位绕成直径30nm的螺线管。由螺线管形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带。微带是染色体高级结构的单位。两种模型前者强调螺旋化，后者强调环化与折叠染色体的类型间期染色质按其结构形态、活性状态和染色性能区分为两种类型：常染色质和异染色质常染色质 常染色质指那些间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度低，相对处于伸展状态，用碱性染料染色时色浅的那些染色质。构成常染色质的DNA主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA。常染色质并非所有的都具有转录活性，处于常染色质状态只是基因转录的必要条件而不是充分条件。异染色质异染色质是指那些间期细胞核

19、中染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色深的那些染色质.异染色质通常具有个特征：在间期中处于凝缩状态.是遗传惰性区，只含有极少数不表达的基因.复制时间晚于其他染色质区域。异染色质又可分为结构异染色质或组成型染色质以及兼性染色质。结构异染色质最常见的部位是染色体的着丝粒区，端粒和次溢痕区，由相对简单、高度重复的DNA序列构成，具有显著的遗传惰性，不转录也不编码蛋白质，占有大部分核DNA。兼性染色质只是在几种细胞中活在一定时期和生理条件下可变为异染色质的，仅在某些细胞的特定发育阶段出现。中期染色体细胞周期的大部分之间内，遗传物质是以染色质的形式存在的。但粗纤维并不是染色体的恒

20、定结构。在整个细胞周期中，染色体进行着凝缩和松展的周期性变化。在细胞有丝分裂的中期，形成高度凝缩的染色体。在中期具有特定形态结构的染色体称为中期染色体。中期染色体上具有高度分化的区域，较细的区域叫做溢痕，着丝粒处的溢痕叫做主溢痕，其余均为次溢痕。染色体由着丝粒划为两个部分，即两个臂。根据着丝粒的位置，将染色分为种，中着丝粒染色体（两臂等长）.近中着丝粒染色体.近端着丝粒染色体.端着丝粒染色体。染色体通常成对出现，形状大小着丝粒的位置相同，成为同源染色体。生物界中的染色体通常是恒定的，这对保持物种的稳定性具有重要意义。着丝粒着丝粒是染色体的一个特殊分化区，由富含重复碱基序列的DNA异染色质组成，

21、此处的染色体较细，叫做主溢痕。着丝粒为有丝分离时期纺锤丝附着的部位。附着在着丝粒一侧的一个盘状蛋白质结构动粒上。动粒和着丝粒在结构和功能上具有密不可分的关系哺乳动物中染色体的主溢痕区域称为着丝粒动粒复合体。其结构模型有三种：.动粒域.中心域.配对域位于着丝粒的外表面，包括动粒和动粒外层的纤维冠。纤维冠主要是促使染色体分离的摩托蛋白，与纺锤丝管相连，是支配染色体的运动和分离的重要结构对着丝粒动粒复合体结构的形成和正常功能活性的维持有重要作用，包括着丝粒的大部分区域有两类蛋白，一是内着丝粒蛋白，另一个是染色单体连接蛋白端粒是位于染色体末端的一种特化结构，由端粒DNA与端粒蛋白构成，其功能与维持染色

22、体的稳定性、保证DNA的完全复制和参与染色体在核内的分布有关。不同细胞以及同一细胞的不同染色体的端粒长度是不同的，正常细胞进行有丝分离时，端粒长度会相应缩短。当端粒达到一定临界长度时，阻止细胞的进一步分裂，细胞浆将老和死亡。所以端粒的长度决定了细胞分裂的次数和细胞的寿命次溢痕数目、位置和大小可以作为鉴定某条染色体的标志。有些次溢痕可以形成核仁组织区核仁组织区位于染色体的次溢痕部位，此处延伸DNA袢环，为核仁RNA的合成提供模板。同时每个核仁形成区均产生一群核仁内核糖体样颗粒，这些颗粒与已经合成的各种RNA一起共同形成间期核仁随体随体是指染色体末端部分的球形或圆柱形的片段结构，通过次溢痕与染色体

23、的主要部分相连，为识别染色体的重要特征之一。染色体DNA中的关键序列染色体在细胞世代中药确保稳定，必须具有自主复制、保证复制的完整性而且能够平均分配到两个子细胞中的能力，即必须要具有发挥这些能力的结构序列，包括：自主复制DNA序列、着丝粒DNA序列和端粒DNA序列自主复制DNA序列自主复制DNA序列具有一复制起点，能确保染色体在细胞周期中能够自我复制，从而保证染色体在时代传递中具有稳定性和连续性。真核生物染色体具有多个复制起点，以保证全部染色体能够快速地进行复制。自主复制复制DNA序列都具有一段的富含AT的高度保守序列，而且这段序列及其上游和下游约的区段均对自主复制序列的功能是必需的。着丝粒D

24、NA序列着丝粒DNA序列与姐妹染色单体的分离有关，它能确保染色体在细胞分裂时被平均分配到两个子细胞中去。均含有两个紧密相连的核心区，一个是的AT区，另一个是11bp的保守区，若改变这两个保守区的序列，着丝粒DNA序列便会丧失其生物学功能。端粒DNA序列包括一个短的、种特异的正向重复序列，在不同物种中其长度不同，一般在几百至几千个碱基对之间。重复序列其中一条链富含而另一条链则与之对应富含，这些重复序列具有同样的方向性。，即富含的链以方向朝向染色体的末端，端粒的功能是保证DNA链的完整复制，从而保证染色体的独立性和遗传稳定性。染色体末端DNA的复制，由端粒酶来负责，由RAN和蛋白质构成，具有反转录

25、的活性。特殊染色体某些细胞在发育的某个阶段会出现一些体积很大的特殊染色体，常见的有多线染色体和灯刷染色体。多线染色体细胞永远处于间期阶段，不再进行有丝分裂。这类细胞中，染色体要进行多次复制，复制后新、旧链不分离，这类现象称为核内有丝分裂。这种不分离的巨大染色体就称为多线染色体。它比一般染色体粗大的多。如果蝇幼虫唾腺细胞核，染色的DNA复制次，复制后姐妹染色单体不分离，同样额染色质并排结合在一起，形成巨大的多线染色体。多线染色体上有一些较暗的带和较亮的间带交替排列，呈现横行带纹现象。这是由平行排列的染色质纤维彼此对应包装而成。多线染色体的带可保持静息状态，但有的带在发育的一定阶段也可发生蓬松现象

26、，出现涨泡。灯刷染色体动物卵母细胞在双线期中普遍发生染色体伸出大量侧环的现象，这时染色体外形类似于灯刷。所以叫灯刷染色体。这是已知最大的染色体。灯刷染色体出现于减数分裂的双线期，为二价体，两条同源染色体通过几处交叉而相连。灯刷染色体的每一同源染色体轴表现为行颗粒串联而成，这种颗粒称为染色粒，染色粒是染色单体紧密折叠的区域，为不进行转录的片段。核仁核仁的显微结构核仁是真核细胞间期中最显著的结构，在光镜下被染色的细胞、相差显微镜下的活细胞或分离细胞的细胞核都容易看到核仁，它们通常表现为单一或多个均质的球形小体。核仁的大小、形状和数目随生物的种类、细胞类型和细胞代谢状态不同而变化。蛋白质合成旺盛、活

27、跃生长的细胞（如分泌细胞、卵母细胞）的核仁大，可占总核体积的；不具蛋白质合成能力的细胞比如肌细胞、休眠的植物细胞，其核仁较小。在细胞周期过程中，核仁又是一个高度动态的结构，在有丝分裂期间表现出周期性的消失和重建。核仁的超微结构核仁无膜包围，由部分组成即颗粒组分、原纤维中心、致密纤维组分、核仁结合染色质和基质。其中颗粒组分、原纤维中心和致密纤维组分在电镜下最为明显颗粒组分：处于不同成熟程度的核糖体亚单位前体，是核仁的主要结构，往往位于核仁的边缘部位，间期细胞核中核仁的大小不同主要是由颗粒组分数量的不同造成的。原纤维中心：是被致密纤维包围的一个或几个浅染的低电子密度的圆形结构，其中含有纤维组分，原

28、纤维中心存在裸露的DNA分子，RNA聚合酶和结合的转录因子，它是核仁组织去在间期核的副本致密纤维组分：是核仁中电子密度最高的不问，以环形或半月形围绕在原纤维中心的周围，是新合成的RNP核仁结合染色质包括两部分：一部分围绕在核仁周围，成为核仁周边染色质。还有一部分伸入到核仁内，称为核仁内染色质，是常染色质。用适当的方法处理标本，使原纤维分散开，显露出核仁内染色质环状染色质丝。用核糖核酸酶和蛋白质水解酶处理，这段染色质明显变细，如用脱氧核糖核酸酶处理，则可把染色质丝环切断，证明染色质是含有核糖体DNA的DNP复合物。核仁的前四种成分是悬浮在无结构的蛋白质性的溶液中的，此溶液即为核仁基质。核仁中成分的比例随着细胞生理活动而所有变化，细胞代谢旺盛时，颗粒区明显，反映出正在活跃地合成核糖体亚单位的状态。核仁的功能核仁是RNA转录，RNA加工及核糖体亚单位组装的场所。另外核仁也参与许多核内及核质