细胞生物学 2真核细胞主要细胞器和细胞骨架

真核细胞主要的细胞器

及细胞骨架第二部分内容提要线粒体、叶绿体细胞内膜系统：内质网、高尔基体、溶酶体等细胞核细胞骨架一、线粒体和叶绿体都是能量转换器，高效生成ATP。双层膜结构，其中内膜在能量转换中起主要作用。都具有环状DNA以及自身的转录、翻译体系。（一）形态、结构和分布线粒体的大小和数量反映了细胞的能量需求图：细胞内线粒体和微管分布的关系至少在酵母和培养的哺乳动物细胞中，线粒体不是以分散的、单个形式存在，是形成高度分支的、相互连接的网络结构。（a）相差显微镜下的成纤维细胞，可见线粒体是深色的小体，呈现出网状结构。（b）线粒体纵向切片的透射电镜显微照片，展示内部结构，尤其是内膜折叠形成嵴。（c）线粒体定位在精子的中段，它们围绕着鞭毛的近轴部分。精子运动所需的ATP由这些线粒体提供。线粒体的结构（a）浸软的线粒体的扫描电镜照片，显示被线粒体内膜折叠所围绕的内部基质。（b）线粒体的三维重建结构图在重建图中，外围的线粒体内膜以蓝色表示，而穿入基质形成嵴的内膜则用黄色表示。（c）线粒体的内部结构模式图线粒体的分布除了成熟的红细胞，线粒体普遍存在于真核细胞在多数细胞中，线粒体均匀分布在整个细胞质中，但在某些些细胞中，线粒体的分布是不均一的，有时线粒体聚集在细胞质的边缘。在细胞质中，线粒体常常集中在代谢活跃的区域，因为这些区域需要较多的ATP，如肌细胞中有很多线粒体。另外，在精细胞、鞭毛、纤毛和肾小管细胞的基部都是线粒体分布较多的地方。线粒体除了较多分布在需要ATP的区域外，也较为集中的分布在有较多氧化反应底物的区域，如脂肪滴，因为脂肪滴中有许多要被氧化的脂肪。在光照下合成叶绿素，前质体发育成叶绿体。基质类囊体又称基质片层，伸展在基质中彼此不重叠；基粒类囊体或称基粒片层，可自身或与基质类囊体重叠，组成基粒。菠菜叶绿体切片的电镜照片示类囊体（二）线粒体和叶绿体是半自主性细胞器细胞器DNA的大小类似病毒DNA。线粒体和叶绿体具有自身的遗传系统mtDNA编码的基因包括rRNAs,tRNAs和一些线粒体蛋白。Theorganizationoftheliverwort(地钱)Chlgenome线粒体和叶绿体对核遗传系统的依赖参与构成线粒体和叶绿体的蛋白都有上千种，而这两种细胞器DNA编码并在细胞器内部合成的蛋白数量和种类非常有限。绝大部分的蛋白质是由核基因编码的，在细胞质核糖体上合成后，再转运到细胞器中。线粒体和叶绿体的生长和增殖受到核基因组和自身基因组两套遗传系统的控制，前者的作用更为重要。线粒体膜上的三种蛋白转运通道TOM,TIM和

OXA复合物是多亚基的膜蛋白，负责催化蛋白的跨线粒体膜的转运。TOM分布在线粒体的外膜，负责蛋白跨越外膜。TIM

(TIM23和

TIM22)分布在内膜上，负责蛋白跨越内膜。OXA分布在内膜上，

负责将在线粒体内合成的蛋白插入到内膜上，也帮助TOM和TIM将一些蛋白送至线粒体基质中。蛋白质向线粒体的转运蛋白质N-端的信号序列被TOM的受体识别，蛋白在特定的位点跨越线粒体的两层膜。线粒体前体蛋白在胞质中合成后，通过与胞质中的hsp70分子伴侣的相互作用保持未折叠的状态。ATP水解和H+梯度驱动了蛋白运输到线粒体中。运输到内膜和膜间隙的蛋白要求2个信号序列。2个信号序列指导蛋白定位到类囊体的膜上。TranslocationintothylakoidspaceorthylakoidMcanoccurbyanyoneofatleastfourroutes.（三）、线粒体和叶绿体的增殖和起源细胞器的生长和分裂决定了细胞中线粒体和质体的数量。Mitfissionandfusion(adividingMitinalivercell);DividingorBuddingofMit.Chloroplasts:dividingandformationofchloroplastsfromproplastidsbeginsbythelight-inducedbuddingoftheinnermembrane.线粒体和叶绿体的起源通过比对多种细菌的rRNA序列，推测：线粒体是由紫细菌进化而来；叶绿体是由蓝细菌进化而来。

线粒体和过氧化物酶体有一些共同特征：两者都是通过预先存在的细胞器分裂而增殖的；两者都从细胞质基质中输入预生成的蛋白质；两者都能进行类似的氧化代谢。在一些哺乳动物中已经发现它们都存在一种酶—丙氨酸/乙醛酸氨基转移酶。过氧化物酶体

通过蔗糖密度梯度离心分离到的纯化的过氧化物酶体的电镜照片，内部通常含有致密的氧化酶晶体核心。

过氧化物酶体是过氧化氢（H2O2）合成和降解的场所，通过两步反应催化。过氧化物酶体（也称微体）是一种多功能细胞器，含有50多种酶。这些酶涉及各种不同的活性。过氧化物酶体也存在于植物中，植物幼苗中含有一种独特的过氧化物酶体——乙醛酸循环体。植物幼苗依靠储存的脂肪酸提供能量和原料，以形成新的植株。植物幼苗中的乙醛酸循环体的定位（通过对过氧化氢酶的细胞化学染色而显现）。棉花种子中子叶切片的光镜照片。由线粒体或过氧化物酶体功能异常引起的疾病

线粒体病可由核基因缺陷或线粒体基因缺陷造成，因此这类疾病可有多种遗传模式，如母系遗传、孟德尔遗传，或者两者均有。更多的线粒体病是由线粒体DNA(mtDNA)的突变引起的。线粒体DNA没有防止损伤的DNA修复系统，容易受到高水平的致突变的氧自由基的影响。如：帕金森病（PD）。许多遗传病的特征是单一的过氧化物酶缺乏，如：肾上腺脑白质病变（ALD）。此病是由于缺乏一种膜转运蛋白，致使不能将极长链脂肪酸（VLCFA）转运到过氧化物酶体中进行正常代谢。由于缺乏这种膜转运蛋白，VLCFA在脑部中积累并破坏髓鞘，引起肾上腺机能不全和神经功能异常。二、细胞内膜系统指在结构、功能乃至发生上相互关联、有膜包被的细胞器或细胞结构主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡。细胞质中其他几个膜性细胞器—线粒体、过氧化物酶体和叶绿体不是内膜系统的部分。合成、分泌和内吞途径将内膜系统统一为一个动态的网络（一）、研究细胞内膜系统的技术1放射自显影技术：通过标记大分子的前体来示踪大分子代谢的过程，分析它们不同时期在不同组织、细胞或细胞器中被摄取、转运、贮存及排出的动态变化，从而在不破坏组织和细胞结构的情况下了解细胞、组织和器官的代谢状态。2.绿色荧光蛋白的应用将编码GFP的DNA与编码所研究蛋白的DNA融合，得到的嵌合DNA导入能在显微镜下观察的细胞。嵌合DNA一旦进入细胞，所表达的嵌合蛋白含有融合于所研究蛋白末端的GFP。3.亚细胞组分的生化分析细胞匀浆后获得的微粒体可以看做内质网的模型4.遗传突变体的研究筛选细胞质膜上蛋白质表现出异常分布的酵母突变体细胞，研究蛋白合成后的转运。（二）、内质网1类型和分布：粗面内质网（rER）多由板层状排列的扁平囊构成；

在分泌蛋白质旺盛及大量合成膜的细胞中丰富，而在未分化或者分化程度低的细胞中含量少。光面内质网（sER）多为管状或泡状，在合成类固醇激素、脂类代谢旺盛的细胞中含量丰富。2内质网的功能（1）粗面内质网的功能主要功能是进行外输性蛋白质的合成、修饰加工、分选和转运。主要合成的蛋白质包括分泌性蛋白、膜整合蛋白、可溶性驻留蛋白。一些蛋白是在刚起始合成不久转移到内质网膜上，继续蛋白的合成。在rER上，多肽链边合成边进入内质网腔，主要是：分泌蛋白膜整合蛋白内膜系统细胞器中的可溶性驻留蛋白：这类蛋白需要和其他细胞组分严格隔离，或者合成后需要进行修饰和加工。

在“游离”核糖体上合成的蛋白

细胞质基质中的驻留蛋白质膜外周蛋白核输入蛋白转运到线粒体、叶绿体和过氧物酶体的蛋白（2）sER的主要功能是脂类合成的重要场所。合成细胞所需的几乎全部的膜脂。包括磷脂和胆固醇，其中最主要的是磷脂酰胆碱（卵磷脂）。在内质网膜上合成的磷脂迅速转向内质网腔面，可能和磷脂转位因子（转位酶）有关。磷脂的转运方式：出芽或磷脂转换蛋白（PEP）的协助

（３）在rER腔内进行蛋白质的修饰和加工。

进入内质网中的蛋白质发生的主要化学修饰有糖基化、羟基化、酰基化和二硫键的形成。糖基化伴随多肽的合成同时进行，是最为常见的修饰方式，发生在内质网腔面。糖基化是在糖基转移酶的催化下，由磷酸多萜醇将寡糖基转移到有关的氨基酸上。糖基化的方式：(1)N-连接的糖基化（内质网中）

N-乙酰葡萄糖胺寡糖基转移到Asn残基上(2)O-连接的糖基化（主要在高尔基体中）

N-乙酰半乳糖胺寡糖基转移到Ser,Thr残基或者Hylys/Hypro上。（４）新生多肽的折叠和组装蛋白质在内质网中的停留时间很大程度上取决于蛋白正确折叠所需的时间。畸形肽链或未装配的蛋白亚基，一般不能进入高尔基体中，在被识别后，通过转位子Sec61p复合体从内质网腔转至细胞质基质，被蛋白酶体降解。内质网膜腔面上有蛋白二硫键异构酶，帮助和促进蛋白正确折叠。内质网中有结合蛋白（bindingprotein,Bip，chaperone

），属于Hsp70家族的成员，可以识别异常折叠的或未装配好的蛋白亚基，并促进它们重新的折叠和装配。蛋白N-连接的糖基化与新生蛋白的质量控制质量控制可以保证错误折叠的蛋白不会离开内质网内质网腔中含有：Bip和calnexin(分子伴侣):识别并结合未折叠的或者错误折叠的蛋白，使其恢复正确构象。蛋白二硫键异构酶(PDI);糖基转移酶（GT）：识别未折叠或错误折叠的蛋白，为寡糖链末端添加一个葡萄糖。蛋白二硫键异构酶和Bip蛋白都含有4肽信号，保证它们滞留在内质网中，并维持较高的浓度。

Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL)His--Asp-Glu-Leu-COO-(HDEL)内质网的其他功能sER具有解毒的功能，如肝细胞的sER中含有一些酶，可以清除脂溶性的废物和代谢产生的有害物质。含合成制造胆固醇并进一步产生固醇类激素的一系列酶，如睾丸间质细胞。具有储存Ca2+的功能，如在肌质网膜上存在Ca2+-ATP酶，将泵入腔中。存在IP3受体，可能和信息传递有关。为细胞质基质中多种蛋白提供附着位点。（三）高尔基体是细胞内大分子运输的一个主要的交通枢纽以及细胞内糖类合成的工厂。１．高尔基体和细胞分泌活动除了分泌蛋白外，多种膜蛋白、溶酶体中酸性水解酶、胶原纤维等胞外基质成分通过高尔基体完成定向转运。蛋白质在高尔基体中分选及其转运的信息仅存在于编码这个蛋白质的基因的本身。

溶酶体酶的分选溶酶体酶具有一个共同的标志：６-磷酸甘露糖（M6P),通过和高尔基体反面囊膜上结合的M6P受体的作用，使溶酶体的酶和其他蛋白质分离并起到了局部浓缩的作用。M6P作为溶酶体酶分选标记的发现I-celldisease(I细胞疾病)是一种罕见致命的遗传病，患者的许多细胞的溶酶体充满了未被降解的物质。将患者的成纤维细胞体外培养研究，发现溶酶体酶的合成水平正常，但是分泌到培养基中，而非靶向到溶酶体中。分泌的酶缺少正常细胞中这些酶具有的M6P残基。催化M6P生成的酶N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶缺失糖链在多数蛋白质的分选中并不起决定性的作用,在肝细胞中溶酶体酶还存在不依赖于M6P的另一种分选途径。２．蛋白质的糖基化及其修饰

rER上合成的大多数蛋白质在内质网和高尔基体中发生了糖基化，在从内质网到高尔基体以及各膜囊之间的转运过程中，连接在蛋白侧链上的寡糖基会发生一系列有序的加工和修饰。

糖基化及其意义糖蛋白中的寡糖链的合成和加工没有模板，依靠不同的酶在不同的间隔中经历复杂的加工过程完成。糖基化有利于高尔基体的分类和包装，保证了糖蛋白的单向运输，对多数分选的蛋白质来说，糖基化不是蛋白分选的信号。糖基化的主要作用是使蛋白质在成熟过程中折叠成正确的构象，并增加蛋白质的稳定性。蛋白质糖基化类型

特征

N-连接

O-连接1.合成部位

粗面内质网和高尔基体高尔基体2.合成方式来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去3.与之结合的氨基酸残基

天冬酰胺丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸4.最终长度

至少5个糖残基一般1～4个糖残基，但ABO血型抗原较长5.第一个糖残基

N—乙酰葡萄糖胺N—乙酰半乳糖胺等

ThecorecarbohydrateofN-linkedoligosaccharidesisassembledintherER.ModificationstoN-linkedoligosaccharidesarecompletedintheGolgicomplex.O-linkedoligosaccharidestakesplaceinGolgicomplex.３．蛋白酶的水解和其他加工过程一些多肽在rER中切除信号肽后成为有活性的成熟多肽，如一些生长因子。一些多肽在高尔基体中，在TGN膜结合的蛋白水解酶的作用下，特异水解成有生物活性的多肽。

（四）溶酶体1形态结构与类型几乎存在于所有的动物细胞中。溶酶体是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器。主要功能是进行细胞内的消化作用。

小鼠脾脏巨噬细胞中的溶酶体用电镜细胞化学技术显示其中含有的酸性磷酸酶，M：线粒体，L：溶酶体

溶酶体膜的特征嵌有质子泵，形成和维持溶酶体中酸性的内环境。具有多种载体蛋白用于水解的产物向外转运；

膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。

2溶酶体类型(１)初级溶酶体（primarylysosome）(２)次级溶酶体（secondarylysosome）是初级溶酶体和细胞内的吞噬泡、胞饮泡融合形成的复合体，是进行消化作用的溶酶体。分为：

自噬溶酶体（autophagolysosome）异噬溶酶体（phagolysosome）（３）残余小体（residualbody），又称后溶酶体。是未被消化的物质残存在溶酶体中形成的结构。通过胞吐方式将内容物排出。

Lysosomeisaheterogenous(异质性)organellePrimarylysosomesSecondlysosomes

heterophagic

autophagicResidualbodyPrimaryLys.SecondLysMarkerenzyme(标志酶):acidphosphatase3溶酶体的功能（1）清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞。真核细胞通过溶酶体，以降解方式清除暂时不需要的酶或代谢产物。溶酶体和蛋白酶体共同清除衰老的细胞器和生物大分子，以及凋亡的细胞。（２）防御功能是某些细胞特有的功能，如：病原体感染刺激单核细胞分化成巨噬细胞，其中富含溶酶体，以及H2O2、O2-,共同作用杀死细菌。

作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养；（３）其它重要的生理功能分泌腺细胞中，溶酶体摄入分泌颗粒参与分泌过程的调节；参与清除赘生组织或退行性变化的细胞；受精过程中的精子的顶体反应。依赖于M6P的分选途径的效率不高，部分溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外。还存在不依赖于M6P的分选途径。

溶酶体的发生－途径多样化溶酶体酶的合成及N-连接的糖基化修饰(rER)

高尔基体cis膜囊寡糖链上的甘露糖残基磷酸化M6PN-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶高尔基体TGN膜（M6P受体）溶酶体酶分选与局部浓缩以出芽的方式转运到前溶酶体磷酸葡萄糖苷酶磷酸化识别信号：信号斑溶酶体发生途径

（五）细胞内蛋白质的分选

1蛋白质的合成：线粒体合成少量蛋白质叶绿体细胞质基质中核糖体：绝大多数蛋白合成起始于此，通过定向运输(targetting)或分选到细胞的特定部位。真核细胞蛋白质的定向运输与信号信号有关，这些信号序列或者位于蛋白的N端，或者位于C端，或者在蛋白序列的内部，是由一些特定的氨基酸组成的。不同的信号序列会被特定的受体识别，从而引导蛋白质在细胞内正确的定位。

2.蛋白质的分选（proteinsorting）不含有分选信号的蛋白质，将保留在细胞质中，包括翻译机器、细胞骨架、代谢相关的酶、多种信号转导分子等。蛋白分选的信号序列也可以是一级结构上不连续的一些片段，在蛋白质折叠形成空间构象时，彼此靠近，形成的信号称为信号斑。

（1）分泌蛋白的分选机制——信号假说和共转运

G．Blobel，1999,NobelPrize

分泌蛋白的N端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，蛋白边合成边通过易位子进入内质网腔，在蛋白合成结束之前，信号肽被切除。信号假说涉及的相关成分：信号肽：位于蛋白质N-端，一般有16－26个氨基酸，似乎专一性不强。信号识别颗粒(SRP）：是RNP复合物，可以结合信号肽、核糖体和停泊蛋白。信号识别颗粒的受体（或停泊蛋白，DP）：存在于内质网上，特异地结合SRP。实验证据：

非细胞系统中蛋白质翻译过程与SRP、DP和微粒体

实验组别含编码信号SRPDP微粒体序列的mRNA结果

1

+---产生含信号肽的完整多肽2

++--

合成70～100氨基酸残基后，肽链停止延伸3

+++-

产生含信号肽的完整多肽4

++++

信号肽切除，多肽链进入微粒体中

*“+”和“-”分别代表反应混合物中存在（+）或不存在（-）该物质。分泌性蛋白的合成分泌蛋白、整合膜蛋白、可溶性驻留蛋白是以共转运的方式分选的。线粒体、叶绿体、过氧化物酶体中绝大多数蛋白的合成和转运方式，蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中。蛋白的N－端具有导肽，被相应细胞器膜上受体识别，在完成引导蛋白正确定位后被切除。后转运中，蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。（2）后转运：蛋白分选的基本途径：共转运：分泌蛋白、细胞膜、溶酶体、内质网、高尔基体蛋白后转运：主要是线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核、细胞质基质定位的蛋白3蛋白分选的类型（1）跨膜运输（transmembranetransport）

主要指在细胞质基质中合成的蛋白质转运到内质网、线粒体、质体、过氧化物酶体等细胞器。有信号序列的引导；以单链或去折叠的形式穿过细胞器膜上的通道；有分子伴侣协助完成；（2）膜泡运输（vesiculartransport）蛋白质通过不同类型的转运小泡从rER转运到高尔基体，进而分选到细胞的不同部位。以出芽方式形成膜泡，包裹蛋白进行运输，膜泡最终和靶膜融合，将蛋白运送到特定位置；有三种不同的膜泡分别进行运送；只运送正确折叠和组装好的蛋白质；在转运过程中，被转运蛋白或脂类物质的方向不发生变化。

和膜泡运输有关的有被小泡：网格蛋白有被小泡：

负责蛋白质从高尔基体TGN向质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡的运输；受体介导的内吞途径

COPI有被小泡：

负责回收、转运内质网逃逸蛋白。

COPII有被小泡：

负责从内质网向高尔基体的物质运输。

膜泡运输特点：

(1)消耗能量（属于主动运输）

(2)可以同时转运≥1种的大分子和颗粒物质，也有称之为批量运输（bulktransport)膜泡转运有两种途经：胞吞途经（endocyticpathway）胞吐途经（exocyticpathway）胞吞作用胞饮作用可以连续摄入溶液和分子，是组成型过程；吞噬作用有被吞噬物和细胞表面受体的结合和激活过程，是一个信号触发过程。胞吞泡的形成机制不同，胞饮泡的形成需要网格蛋白、接合素蛋白等帮助，吞噬泡的形成需要微丝及其结合蛋白的帮助。受体介导的胞吞作用是大多数动物细胞通过网格蛋白有被小泡，从胞外摄取特定大分子的有效途径。吞噬作用网格蛋白(clathrin)、接合素(adaptin)在有被小泡形成中的关系接合素蛋白既可以结合网格蛋白，也能识别跨膜受体胞质面的尾部肽信号。dynamin蛋白在网格蛋白有被小泡形成中的作用

受体介导的胞吞过程中，不同受体的具有不同的胞内体分选途径：（1）循环到质膜再利用，如LDL受体（2）进入溶酶体被消化，如EGF受体（3）运输到质膜不同的结构域，也叫做跨细胞转运（transcytosis），是在有极性的细胞中，将胞吞和胞吐结合的物质跨膜运输。如母鼠的抗体经乳汁被乳鼠摄取。胞吐途径组成型胞吐途径质膜更新、胞外基质成分的运送、营养成分和信号分子的扩散调节型胞吐途径特化的分泌细胞的分泌物，包括激素、粘液或消化酶等。膜泡运输胞吞胞吐吞噬胞饮受体介导的内吞作用组成型胞吐调节型胞吐（3）门控运输（gatedtransport）指在细胞质基质中合成的蛋白质通过核孔复合体选择性地从细胞核进出。

通过核孔的运输；蛋白含有核定位信号；运送的是已经折叠或组装好的蛋白。（4）细胞质基质中的蛋白质转运

与细胞骨架关系密切，机理尚不清楚。三、细胞核细胞核的结构和功能染色质

DNA

蛋白质核仁细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的调控中心。

细胞核的组成：核被膜染色质核仁核骨架（一）核被膜●位于间期细胞核的最外层，是细胞核与细胞质之间的界膜。外核膜：附有核糖体颗粒内核膜:含特有的蛋白成份，如核纤层蛋白B受体核纤层：在内层核膜下，由纤维蛋白构成的网络结构，与胞质中间丝、核骨架有密切的联系。核孔复合体:是内外层核膜互相融合成的环状开口。核被膜构成核、质之间的天然选择性屏障。（1）避免生命活动的彼此干扰（2）保护DNA免受细胞骨架运动产生的机械力的损伤通过核孔复合体，调控核质之间的物质交换与信息交流。核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子的调节，调节作用可能与核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。末期前期（二）核孔复合体在真核细胞普遍存在的结构，其数量、分布密度和分布形式随细胞类型、细胞核功能状态有很大的差别。一般转录功能活跃的细胞，数量较多。

经典方法树脂包埋超薄切片技术负染色技术冷冻蚀刻技术

HR-FESEM技术快速冷冻－冷冻干燥制样技术胞质面核质面电镜相关技术是研究核孔复合体的经典方法胞质环；核质环；辐；中央栓核孔复合体的功能

特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性核质交换的亲水通道。双功能：被动扩散主动运输双向性：蛋白质的入核

RNA、RNP的出核

通过核孔的双向运输通过注射不同大小的胶体金颗粒，电镜观察。被动运输的条件：直径10nm以下；分子量小于60kd的球蛋白通过核孔复合体的主动运输的选择性表现在以下三个方面：

对运输颗粒大小的限制：有效功能直径大于被动运输，甚至可达26nm，如RNP颗粒出核。

主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗能量，并表现出饱和动力学特征.

主动运输具有双向性亲核蛋白入核机制和核定位信号

亲核蛋白是在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。如：组蛋白、核纤层蛋白以及一些在核质之间穿梭的蛋白。NLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基。核定位信号

(NLS)

NLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列（T抗原），也可以分成两段，两段之间间隔约10个氨基酸残基（核质蛋白）。NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并不被切除。NLS只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件。Normalpyruvate

kinase:incytosolChimeric

pyruvate

kinasecontainingSV40NLS:innucleus核输出

转录后的RNA通常需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。参与该过程的特殊蛋白因子中含有出核信号－核输出信号。

RNA聚合酶I转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核，需要能量；

RNA聚合酶III转录的5srRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导；RNA聚合酶II转录的hnRNA，在核内进行5’端加帽和3’端附加多聚A序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核。（三）、染色质◆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。其中DNA、组蛋白是染色质的稳定成分。在有丝分裂或减数分裂过程中,由聚缩形成染色体。

染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构

染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同,

构象不同。1.染色质DNA

（1）基因组：在真核细胞中，每条未复制的染色体包含一条DNA分子，一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组，在遗传学上叫做C值。

基因组大小通常随物种的复杂性而增加，但是不绝对，如：C值矛盾。

物种 基因组大小平均基因长（bp）基因数目大肠杆菌4.2×106bp，1.2Kb 约2350酵母1.3×107bp1.4Kb约6100果蝇1.4×108bp11.3Kb约8750

人3×109bp16.3Kb约2-3万

C值与C值矛盾（2）染色质DNA的类型：按序列在基因组中的拷贝数划分：

非重复序列（单拷贝序列）：拷贝数1－5

中度重复序列：拷贝数102－105

高度重复序列：拷贝数105以上

按照序列的功能分：蛋白质编码序列可编码的中度重复序列重复序列DNA：不编码的中度重复序列高度重复序列间隔DNA蛋白质编码序列：所占比例随生物复杂程度的不同而异。主要是非重复的单一DNA序列。串联重复序列可编码的中度重复序列

编码产物包括tRNA，rRNA，snRNA和组蛋白。不编码的中度重复序列DNA：

DNA转座子假基因

LTR反转座子非LTR反转座子短散在元件长散在元件高度重复序列DNA卫星DNA：

重复单位5－100bp,主要分布在着丝粒部位小卫星DNA：

重复单位12－100bp,常用于DNA指纹分析

微卫星DNA

：

重复单位1－5bp,用于遗传图谱构建和个体鉴定2.染色质蛋白负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读分类：组蛋白：与DNA非特异性结合非组蛋白：与特定的DNA序列或组蛋白结合

（1）组蛋白：真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）。聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）可以区分出5种不同的组蛋白：H1，H2A，H2B，H3，H4。在功能上则分成两组。①核小体组蛋白：

H2B、H2A、H3和H4,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构。没有种属及组织特异性，在进化上十分保守；②H1组蛋白：在构成核小体时，起连接作用,它赋予染色质以极性。有一定的种属及组织特异性，保守性低于核小体组蛋白。（2）非组蛋白：

主要指和特异DNA序列结合的蛋白，又称序列特异性DNA结合蛋白，可以通过凝胶阻滞实验检测。非组蛋白具有多样性，代谢周转快，包括核酸代谢和修饰的酶类，骨架蛋白，基因表达的调控蛋白等。识别DNA具有特异性识别信息来自于DNA序列自身，识别位点在DNA双螺旋的大沟部分。具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。

非组蛋白的结构模式

α螺旋-转角-α螺旋模式

锌指模式

亮氨酸拉链模式

螺旋-环-螺旋结构模式

HMG-盒结构模式

3.核小体核小体是染色质包装的基本结构单位间期细胞核分离的30nm染色质丝串珠结构①铺展染色质的电镜观察主要实验证据②用非特异性微球菌核酸酶消化染色质,部分酶解片段检测结果由X-射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，1997）③应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究染色质结晶颗粒

④SV40微小染色体分析与电镜观察

核小体结构要点（1）每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1。（2）组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。（3）146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构又称染色质小体。（4）两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp。

。(5)组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装的性质。(6)核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达。核小体的性质及结构要点示意图（引自B.Alberts等）在用微球菌核酸酶降解染色质时，反应早期可得到166bp的片段，但不稳定；进一步降解则得到146bp片段，比较稳定。推测可能原因是失去H1后，DNA两端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。4.染色质组装的模型（1）染色质包装的多级螺旋模型

一级结构：核小体(nucleosome)

二级结构：螺线管(solenoid)

三级结构：超螺线管(supersolenoid)

四级结构：染色单体（chromatid）

（2）染色体的骨架－放射环结构模型非组蛋白构成的染色体骨架和由骨架伸出的无数的DNA侧环构成。30nm的染色线折叠成环,沿染色体纵轴,由中央向四周伸出,构成放射环。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,大约106个微带沿纵轴构建成子染色体。骨架-放射环模型的证据5.常染色质和异染色质(1)常染色质

指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态（典型包装率750倍）,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。主要是单一序列DNA

和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因)

常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件。

(2)异染色质：指间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态的染色质组分。

①结构异染色质（或组成型异染色质）除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心。多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕等处；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；与常染色质相比，复制上表现为晚复制早聚缩；在功能上参与染色质高级结构的形成，导致染色质区间性，作为核DNA的转座元件，引起遗传变异。②兼性异染色质在某些细胞类型或一定的发育阶段,原来的常染色质聚缩,并丧失基因转录活性,变为异染色质，如X染色体随机失活。

异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。6.活性染色质和非活性染色质活性染色质具有DNaseI超敏感位点。DNaseI超敏感位点的是染色质上无核小体的DNA区段，通常位于5‘-启动子区，长度几百bp。DNaseI超敏感位点与启动子功能有关，可能为RNA聚合酶、转录因子、蛋白调控因子提供结合位点。脑红细胞珠蛋白基因卵清蛋白基因活性染色质很少有组蛋白H1与其结合；活性染色质的组蛋白乙酰化程度高；活性染色质的核小体组蛋白H2B很少被磷酸化；活性染色质中核小体组蛋白H2A在许多物种很少有变异形式；组蛋白H3的变种H3.3只在活跃转录的染色质中出现；HMG14和HMG17只存在于活性染色质中。活性染色质在生化上具有特殊性活性染色质在组蛋白修饰上的

特异性组蛋白的修饰，包括甲基化、乙酰化和磷酸化直接影响染色质的活性。乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在两类染色质中都存在。不同组蛋白或同一个组蛋白在不同氨基酸残基上的修饰决定了染色质所处的状态。例如：H3的第四位和第九位Lys的甲基化分别是活性和非活性染色质的标志。

H3K4:该位点甲基化激活基因转录

H3K9:该位点甲基化调节染色质结构，是异染色质的标志。组蛋白的修饰的意义：组蛋白的修饰可以改变染色质的结构，影响转录活性。组蛋白修饰使核小体的表面发生改变，使其他的调控蛋白易于和染色质相互接触，间接影响转录活性。7.染色体及其功能元件染色体的结构染色体的功能元件以及应用特殊染色体染色体的主要结构着丝粒与着丝点（动粒）

次缢痕

核仁组织区

随体端粒（1）着丝粒与着丝点(动粒)着丝粒区也叫主缢痕，是一个高度有序的整合结构，在结构和组成上非均一，至少包括三个结构域。它们的整合功能，确保分裂中染色体和纺锤体整合，发生有序的染色体分离。动粒结构域：在着丝粒的外表面中央结构域：

着丝粒区的主体，由串联重复的卫星DNA组成。如：有CENP-B盒可与动粒蛋白结合。配对结构域：

代表中期姐妹染色单体相互作用的位点，如：内部着丝粒蛋白INCENP、染色单体连接蛋白和染色体配对有关。

染色体的复制和稳定遗传，至少应具备以下关键序列（功能元件）:①确保自我复制的DNA复制起点(ARS)②使复制后的染色体能够平均分配到子细胞中去的着丝粒(CEN)

③保持染色体独立性和稳定性的端粒(TEL)

（2）染色体DNA的三种功能元件ARS序列可以有效启动DNA的复制由于引物的切除，新合成的DNA分子中的一条链末端不完整端粒酶在线性DNA复制末端完整性维持中的作用

端粒酶（telomerase）：具有逆转录酶的功能，以RNA为模板，将合成的端粒序列加到染色体的３‘端。在生殖细胞和部分干细胞中有端粒酶活性，端粒重复序列的长度与细胞分裂次数和细胞衰老有关。人工染色体的构建和应用（3）巨大染色体在某些生物的细胞中，特别是在发育的某些阶段，可以观察到一些特殊的、体积很大的染色体，叫做巨大染色体（giantchromosome）。多线染色体（polytenechromosome）灯刷染色体（lampbrushchromosome）

多线染色体

存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞(如：唾液腺、气管、肠和马氏管)、某些植物细胞（如：胚珠细胞）来源于核内有丝分裂(endomitosis)，即核内DNA多次复制而细胞不分裂，产生的子染色体并行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密的结合在一起，从而阻止染色质纤维进一步的聚缩，从而形成了体积巨大的多线染色体。管家基因位于多线染色体间带,奢侈基因位于多线染色体带上

灯刷染色体◆灯刷染色体普遍存在于动物界的卵母细胞，以两栖类卵母细胞最为典型；在植物中也有灯刷染色体的报道。灯刷染色体是卵母细胞进行减数分裂的第一次分裂时，停留在双线期的染色体，包含４条染色单体。该状态在卵母细胞中可以维持数月或数年。两栖类卵母细胞中的一个灯刷染色体灯刷染色体的形态和卵子发生过程中的营养物质储备密切相关。转录的RNA３’端借助RNA聚合酶固定在侧环的染色质轴丝上，游离的５’端捕获大量的蛋白质形成RNP，组成了环周围的基质。灯刷染色体合成的RNA主要是hnRNA，一些类型的mRNA可以翻译成蛋白，有些mRNA和蛋白结合，存储在卵母细胞中，暂时不翻译。（四）、核仁是真核细胞间期核中最显著的结构，在有丝分裂中表现出周期性的消失和重建。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而变化。是rRNA合成、加工和核糖体亚单位的装配场所。1.核仁的超微结构

核仁没有被膜包裹，通过超薄切片的观察，可以区分３种基本的核仁结构组分：纤维中心(FC)

致密纤维组分(DFC)

颗粒组分(GC)

纤维中心：存在着rDNA,RNA聚合酶和结合的转录因子,纤维中心是rRNA基因的储存位点。转录主要发生在致密纤维组分和纤维中心的交界处，并加工初始转录本。此处有特异性结合的蛋白。

颗粒组分区是核仁的主要结构，由RNP颗粒构成，是正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒。颗粒组分区是核糖体亚单位成熟和储存的位点。2.核仁的功能

核仁的主要功能涉及核糖体的生物发生，是一个向量过程：即从核仁纤维组分开始,再向颗粒组分延续。这一过程包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配。含有rRNA基因的10个染色体袢环延伸进入并簇集在核仁

编码rRNA的DNA定位在一个或多个核仁形成的位点利用染色质铺展技术，观察到rDNA转录为rRNA的形态学特征：①rDNA基因在染色质轴丝上串联重复排列；②沿着转录的方向，新生的rRNA链逐渐增长，形成”圣诞树”样结构；③转录产物的５‘端首先形成RNP颗粒。rRNA基因的转录rRNA基因的转录采取受控的级联放大机制①rDNA的组织方式是以5.8SrRNA,18SrRNA,28SrRNA的基因组成一个转录单位。②在真核细胞中，随物种不同，100-5000个rDNA拷贝串联成为重复序列，且成簇分布在少数染色体的NORs上。③rDNA的转录是由专一性的RNA聚合酶I进行转录的。（2）rRNA前体的加工：rDNA转录单位经转录后产生相同的初始转录产物前体，由于真核生物的rRNA加工过程较为缓慢，通过同位素标记，可以分离到前体和多种的加工产物。5SrDNA同样形成串联重复序列，成簇排列，由RNA聚合酶III转录，经加工后参与核糖体的装配。rRNA前体的修饰和加工，涉及一系列的核酸降解切割及碱基修饰。小分子核仁RNA(snoRNAs)作为引导RNA参与了RNA的编辑加工过程。（3）核糖体亚单位的组装

rRNA前体的加工过程是以RNP的方式进行的。45SrRNA前体首先和蛋白质结合，包装成为80S的RNP复合物，80S的RNP逐渐失去一些RNA和蛋白质，然后剪切形成２种大小不同的核糖体亚单位前体。

加工下来的蛋白质和小的RNA存留在核仁中,可能起着催化核糖体构建的作用。与GFP融合的核糖体蛋白基因转染的人HeLa细胞的荧光显微镜照片，核糖体蛋白在胞质中合成，在核仁中装配成核糖体。

核糖体的成熟作用只发生在转移到细胞质以后,从而阻止有功能的核糖体与核内加工不完全的hnRNA分子接近。3.核仁周期在细胞周期中，核仁是一个高度动态的结构，在形态和功能上都发生很大的变化。核仁的动态变化是rDNA转录和细胞周期依赖的。在有丝分裂的中期和后期，核仁消失；在末期，核仁重建。核仁周期四、细胞骨架指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系。细胞质骨架：微丝（microfilament,MF）微管（microtubule,MT）中间丝（intermediatefilament,IF）膜骨架：核骨架：MicrotubulesMicrofilamemtsIntermediatefilaments细胞骨架是高度动态的细胞结构体系，不仅是重要的机械支撑、决定了细胞器和大分子空间定位，而且参与了几乎所有形式的细胞运动。（一）微丝与细胞运动1.微丝的组成及其组装

结构：肌动蛋白（actin）单体G-actin组装而成直径7nm的骨架纤维，微丝在结构上具有极性。肌动蛋白在进化上高度保守，分成α，β，γ三种类型。微丝的组装肌动蛋白单体具有极性,装配MF时呈头尾相接,故微丝具有极性。体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快，表现为踏车行为（treadmilling）。肌动蛋白在体外的装配肌动蛋白单体和多聚体之间的动态平衡受ATP水解和单体浓度的调控微丝特异性药物◆细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,从而破坏微丝的网络结构。◆鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合,防止MF解聚，使微丝保持稳定。Figure

16-52

Theeffectofcytochalasinontheleadingedgeofthegrowthconeofanervecellinculture.

AlivinggrowthconeisviewedbyNomarskidifferential-interference-contrastmicroscopybothbefore(A)andafter(B)treatmentwithcytochalasin.Thecellin(B)hasthenbeenstainedwithrhodamine

phalloidintorevealtheactinfilaments(C).Notehowtheregionbehindtheleadingedgeofthecytochalasin-treatedgrowthconeisdevoidofactinfilaments.细胞松弛素的作用2微丝网络动态结构的调节与细胞运动肌动蛋白纤维的不同存在形式和微丝结合蛋白的种类有关。微丝结合蛋白对肌动蛋白纤维的动态装配有调节作用，以行使特定的功能。

MF-bindingproteins微丝的存在方式永久性结构肌肉中的细肌丝、微绒毛中的轴心微丝暂时性结构胞质分裂环中的微丝细胞中的微丝A微绒毛；B细胞质中的张力纤维；C伪足；D胞质分裂环微丝组装的特点：肌动蛋白单体在体外组装的结构，在复杂性和有序性上有欠缺。在大多数的非肌肉细胞中，微丝是一种动态结构，持续地进行组装和去组装。体内肌动蛋白的组装受到微丝结合蛋白的调节：游离肌动蛋白的存在状态微丝结合蛋白的种类及其存在状态微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式平行束:MF同向平行排列，如微绒毛与丝状伪足。收缩束:MF反向平行排列，如应力纤维和有丝分裂收缩环。凝胶状网络:细胞皮层中微丝排列形式，MF相互交错排列。荧光标记的抗actin的抗体显示成纤维细胞中应力纤维的分布伪足的形成胞质分裂环3分子马达（molecularmotor）分子马达包括：依赖于微管的驱动蛋白（kinesin）、动力蛋白（dynein）依赖于微丝的肌球蛋白（myosin）分子马达的功能：结合微管或微丝、一些细胞器或膜性小泡，利用ATP水解产生的能量驱动运输。肌球蛋白分类：传统的肌球蛋白（II型肌球蛋白）非传统的肌球蛋白（除II型之外的I－XV型）

ATPaseBindingsitesMyosinII--DimerMainlyinmusclecellsThickfilamemtsThickandthinfilamentsslidingmodel（二）

微管及其功能微管几乎存在于所有的真核细胞内，是由微管蛋白（tubulin）装配而成的中空的管状结构。微管由微管蛋白亚基组装而成，每个亚基是由α微管蛋白和β微管蛋白结合而成的二聚体，是微管装配的基本单位。微管的形态：

微管是微管蛋白二聚体装配成的长管状结构，平均外径24nm。可装配成单管,二联管(纤毛和鞭毛),三联管(中心粒和基体)。大部分微管在细胞质中形成暂时性结构，一些形成相对稳定的“永久性”结构。1微管的形态和组装间期的细胞质微管纺锤体微管纤毛细胞基体和纤毛

α-微管蛋白和β-微管蛋白形成αβ二聚体,αβ二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament)，至13根原纤维时,即合拢形成一段微管。微管中αβ二聚体亚单位的排列构成了微管的极性。微管的装配微管蛋白加上或者释放主要发生在（＋）极，微管的延长主要依靠在（＋）极装配GTP微管蛋白，然后GTP水解成GDP或GTP与微管蛋白分离。微管的装配具有踏车现象。

CharacteristicsofMTassemblyDynamicinstabilityduetothestructuraldifferencesbetweenagrowingandashrinkingmicrotubuleend.GTPcap;Catastrophe:accidentallossofGTPcap;Rescue:regainofGTPcap在体内：微管蛋白的合成是自我调节的，多余的微管蛋白单体结合于合成微管蛋白的核糖体上，导致微管蛋白mRNA降解(负反馈)。微管特异性药物◆秋水仙素(colchicine)阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。◆紫杉酚(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。温度与微管的组装和去组装也有关。微管组织中心（MTOC）具有起始微管的组装和延伸的细胞结构叫做微管组织中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC）。间期和G0期微管、纺锤体微管起源于中心体（centrosome），由一对互相垂直的中心粒（centrioles）组成。纤毛和鞭毛内部的微管起源于基体（basalbody）。

WhythecentrosomecanactasMTOCStructureNocentriolesinPlantandfungiMTarenucleatedbyaproteincomplexcontaining-tubulinThecentrosomeisthemajorMTOCofanimalcells所有的MTOC在细胞内的功能是相似的，控制微管的数量、极性、原纤维的量、以及组装的时间和位置。所有的MTOC都有一种共同的蛋白组分γ

－tubulin，是微管聚集的关键成分。γ

－tubulin位于中心体周围的基质中，环形结构，结构稳定，为αβ微管蛋白二聚体提供起始装配位点。中心体和基体是同源结构，在某些时候可以相互转变。中心体和基体都有自我复制的性质，一般在S期复制。微管结合蛋白（microtubule-associatedproteins,MAPs）MAPs通常由单基因编码，目前的研究发现MAP大多在神经细胞中表达。研究的较为清楚的是MAP2和tau。在结构上，具有微管结合域（稳定微管的作用），其他部分则突出于微管表面。

OrganizationofMTbundlesbyMAPs.Spaci