细胞生物学-第10章-细胞核与染色体

问题真核生物与原核生物的区别？

1.真核细胞具有生物膜系统，使内部结构与功能区域化与专一化2.细胞骨架，保证了细胞形态结构的合理排布与执行功能的有序性。3.遗传装置与基因表达的复杂化与多层次化最主要的区别？第十章细胞核与染色体教学目的要求一、细胞核的结构与功能1.细胞核组成2.核被膜的特征与功能3.核孔复合体结构与功能特点4.核仁的结构特点与功能、核仁周期特点教学目的要求二、染色体的结构和功能1.染色质的概念与化学组成2.核小体结构模型要点、染色质包装3.常染色质与异染色质的概念和区别4.染色体的形态结构特点、3种功能元件5.多线染色体与灯刷染色体本章内容提要第一节概述第二节核被膜与核孔复合体第三节染色质第四节染色体第五节核仁第一节概述一、细胞核的结构特点二、细胞核的功能一、细胞核的结构特点1.形状：圆形，胚乳细胞(网状)，蝶类丝腺细胞(分支状)。2.位置：细胞中央，成熟植物细胞的边缘。3.数目：通常一个，成熟的筛管（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2）、破骨细胞(6~50）、骨骼肌细胞(数百）、植物毡绒层细胞(2~4)。4.大小：植物1~20μm，动物5~10μm。常以核质比来估算核的大小。正常细胞NP≈0.5，分裂期细胞NP>0.5，衰老细胞NP<0.5。5.细胞核的主要结构组成核被膜核纤层染色质核仁核基质二、细胞核的功能1.遗传通过DNA染色体的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性。2.发育通过调节基因表达的时空顺序，控制细胞的分化，完成个体发育的使命。第二节核被膜与核孔复合体一、核被膜二、核孔复合体一、核被膜1.外核膜(Outernuclearmembrane)

附有核糖体颗粒，常与内质网相通2.内核膜(Innernuclearmembrane)

光滑，无核糖体颗粒，内表面有核纤层。并与染色质和核骨架相联3.核周间隙(Perinuclearspace)

两层核膜之间的空隙,宽20-40nm,其中充满无定形物质4.核纤层(lamina)：保持核的形态；参与染色质和核的组装5.核孔复合体(一)核被膜的结构组成LaminsCytoplasmicface

Nuclearface

basketinnercomplex返回前进(二)核被膜的功能基因表达的时空隔离核膜成为保护性屏障,使核处于一微环境染色体的定位和酶分子的支架物质运输与信息交流目录

退出一、核被膜(三)核被膜在细胞周期中的崩解与装配新核膜来自旧核膜核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性（domain-specific）。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。二、核孔复合体(一)概述核孔由至少50种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称为核孔复合体（nuclearporecomplex，NPC）。一般哺乳动物细胞平均有3000个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。如蛙卵细胞每个核可有3.77×107个核孔，但其成熟后细胞核仅150~300个核孔。用电镜超薄切片技术（A）和冷冻蚀刻技术

（B）显示的核孔复合体(二)核孔复合体的结构(二)核孔复合体的结构1.胞质环（cytoplasmicring）：位于核孔复合体胞质一侧，环上有8条纤维伸向胞质；2.核质环（nuclearring）：位于核孔复合体核质一侧，上面伸出8条纤维，纤维的末端形成一个直径为60nm的小环(8个颗粒结构)，构成笼子状的结构(二)核孔复合体的结构3.幅：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称。(1)柱状亚单位(columnsubunit)：位于核孔边缘，连接内外环(2)腔内亚单位(luminalsubunit)：接触核膜部分的区域(3)环带亚单位(annularsubunit)：在“柱状亚单位”内，靠近核孔复合体中心部分4.中央栓：核孔中央的一个栓状的中央颗粒，在核质交换中起一定的作用图8-3B：

核孔复合体结构模型图8-4(b)核孔复合体侧面观

(c)顶面观R：代表环；S：代表辐；C：代表中央栓(三)核孔复合体成分的研究核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为125×106，推测可能含有30余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。

gp210：结构性跨膜蛋白

p62：功能性蛋白二、核孔复合体(四)核孔复合体的功能：双功能、双向性的亲水性核质交换通道。双功能：被动扩散与主动运输双向性：介导蛋白质的入核转运，介导RNA、核糖核蛋白颗粒的出核转运二、核孔复合体(四)核孔复合体的功能：1.核孔运输特点被动运输主动运输信号引导双向性二、核孔复合体(四)核孔复合体的功能2.被动扩散核孔复合体的有效直径为9~10nm，离子、小分子以及直径在10nm以下的物质原则上可以自由通过。注意：有些小分子蛋白因具有信号序列，是通过主动运输进入；小分子物质在核被膜两侧不一定均匀分布。二、核孔复合体(四)核孔复合体的功能2.主动运输：完成生物大分子的核质分配，具有高度的选择性，双向性。对运输颗粒大小的限制。是一个信号识别与载体介导的过程，需消耗ATP，表现出饱和动力学特征具有双向性。爪蟾卵母细胞核质蛋白质注射实验二、核孔复合体2.主动运输(1)亲核蛋白运输机制基本概念亲核蛋白：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核定位信号(nuclearlocalizationsignals,NLS)：存在于亲核蛋白内，具有定向、定位作用的特殊氨基酸序列。输入蛋白(importin)：仅有核定位信号的蛋白质自身不能通过核孔复合体，它必须与水溶性的NLS受体结合才可穿过NPC，这种受体称为输入蛋白。核定位信号的特点：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，如Lys、Arg，此外还常含有Pro。NLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列，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二、核孔复合体2.主动运输(1)亲核蛋白运输机制运输过程：结合与转移蛋白与NLS受体，即imporin

α/β二聚体结合；物质与受体的复合物与NPC胞质环上的纤维结合；纤维向核弯曲，核孔复合体构象发生改变，形成亲水通道，物质通过；物质受体复合体与Ran-GTP结合，复合体解散，释放出物质；受体的亚基与GTP-Ran返回胞质，在细胞质中Ran结合的GTP水解，并与importinβ解离，Ran-GDP返回细胞核重新转换为Ran-GTP。2.主动运输(2)RNA及核糖体亚单位的输出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，在核内加工形成成熟的mRNA出核核输出信号(NuclearExportSignal，NES)：RNA分子的出核转运需要蛋白分子的帮助，这些蛋白因子本身含有出核信号。第三节染色质一、染色质的概念及化学组成二、染色质的基本结构单位——核小体三、染色质包装的结构模型四、常染色质与异染色质五、活性染色质一、染色质的概念及化学组成(一)染色质的概念1.染色质(Chromatin)：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2.染色体(chromosome)：指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构3.染色体与染色质比较：在化学本质上没有差异；在构型上不同；是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同表现形式。一、染色质的概念及化学组成(二)染色质的化学组成1.DNA2.组蛋白3.非组蛋白4.少量RNA2.组蛋白(1)组成：是真核生物染色体的基本结构蛋白,是一类小分子碱性蛋白质,富含带正电荷的碱性氨基酸有5种,分为两大类：高度保守的核心组蛋白（corehistone）包括H2A、H2B、H3、H4四种。可变的连接组蛋白（linkerhistone）即H1。

H1是多样性，具有属(genus)和组织特异性染色质中的组蛋白与DNA的含量之比为：1∶1。2.组蛋白(2)功能核小体组蛋白作用是与DNA组装成核小体H1不参加核小体的组建,在构成核小体时起连接作用,并赋予染色质以极性。3.非组蛋白(1)概念：是指细胞核中除组蛋白以外，能与特异DNA序列相结合的蛋白质，又称序列特异性DNA结合蛋白。(2)特性:

非组蛋白具多样性和异质性对DNA具有识别特异性具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成。3.非组蛋白(3)功能除了一些酶的特殊功能外，非组蛋白还具有以下功能∶参与染色体的构建;启动DNA的复制;调控基因的表达。二、染色质的基本结构单位——核小体核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成。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80bp，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。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核小体沿DNA的定位受不同因素的影响三、染色质包装的结构模型（一）染色质包装的多级螺旋模型(multiplecoilingmodel)但是在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，这种纤维的形成有两种解释：①由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍；②由核小体纤维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域。（二）染色体的骨架-放射环结构模型(scaffoldradialloopstructuremodel)

认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域。◆非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomalscaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环。◆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(miniband)。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。四、常染色质与异染色质(一)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，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。特征：DNA包装比约为1000～2000分之一；单一序列DNA和中度重复序列DNA(如组蛋白基因和tRNA基因)；并非所有基因都具有转录活性,常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件四、常染色质与异染色质(二)异染色质1.概念：指在整个间期,仍然保持折叠压缩,处于聚缩状态,碱性染料染色时着色较深的染色质组分。2.类型结构异染色质（或组成性异染色质）(constitutiveheterochromatin)

兼性异染色质(facultativeheterochromatin)结构异染色质除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心结构异染色质的特征：①在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段,呈现C带染色；②由相对简单、高度重复的DNA序列构成,如卫星DNA；③具有显著的遗传惰性,不转录也不编码蛋白质；④在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩；⑤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。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XX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五、活性染色质1.活性染色质是具有转录活性的染色质2.非活性染色质是没有转录活性的染色质第四节染色体一、中期染色体的形态结构二、染色体DNA的三种功能元件（functionalelements）三、核型与染色体显带四、巨大染色体（giantchromosome）一、中期染色体的形态结构(一)中期染色体的典型形态中期染色体由两条染色单体组成，两者在着丝粒的部位相互结合，每一条染色单体是由一条DNA双链经过螺旋和折叠而形成的，到后期，着丝粒分裂，两条染色单体分离。一、中期染色体的形态结构(二)类型可根据着丝粒的位置将染色体分为4类：中着丝粒染色体（metacentricchromosome）亚中着丝粒染色体（submetacentricchromosome）亚端着丝粒染色体（subtelocentricchromosome）端着丝粒染色体（telocentricchromosome）。一、中期染色体的形态结构(三)染色体的主要结构1.主缢痕（primaryconstriction）：中期染色体上一个染色较浅而缢缩的部位，主缢痕处有着丝粒，所以亦称着丝粒区.2.着丝粒(centromere)与动粒(kinetochore)是两个不同的概念，前者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位，后者指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与仿锤丝微管相接触。着丝粒含3个结构域：着丝点结构域：位于着丝粒的表面，由外板（outerplate）、内板（innerplate）、中间区（interzone）和围绕外层的纤维冠(fibrouscorona)。中央结构域：位于着丝点结构域的下方。其中含有高度重复的卫星DNA。配对结构域：位于着丝粒结构的内层，中期两条染色单体在此处相互连结。主缢痕与次缢痕3.次缢痕（secondaryconstriction）：除主缢痕外，染色体上第二个呈浅染缢缩的部分称次缢痕4.核仁组织区（nucleolarorganizingregions,NORs）：是核糖体RNA基因所在的区域，其精细结构呈灯刷状。核仁组织区位于染色体的次缢痕区。随体（satellite）：指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。位于染色体末端的随体称为端随体，位于两个次缢痕中间的称中间随体。端粒（telomere）：是染色体端部的特化部分，其生物学作用在于维持染色体的稳定性。二、染色体DNA的三种功能元件（functionalelements）1.自主复制DNA序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)

2.着丝粒DNA序列(centromereDNA

sequence,CEN)。3.端粒DNA序列(telomereDNAsequence,TEL)：端粒序列的复制端粒酶，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。三、核型与染色体显带1.核型(karyotypekaryotype)

是指染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形态特征的总和。2.核型模式图(idiogramidiogram)

将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征绘制下来,再按长短、形态等特征排列起来的图象称为核型模式图，它代表一个物种的核型模式。三、核型与染色体显带3.染色体显带技术

染色体经物理、化学因素处理后，再进行分化染色，使其呈现特定的深浅不同带纹（band）的方法。分带技术可分为两大类：产生的染色带分布在整条染色体的长度上如：G、Q和R带局部性的显带，它只能使少数特定的区域显带，如C、Cd、T和N带。四、巨大染色体（giantchromosome）1.多线染色体存在于双翅目昆虫的幼虫组织细胞、某些植物细胞多线染色体的来源：核内有丝分裂多线染色体的带及间带：带和间带都含有基因，可能“管家”基因(housekeepinggene)位于间带,“奢侈”基因(luxurygene)位于带上。多线染色体与基因活性：胀泡是基因活跃转录的形态学标志四、巨大染色体（giantchromosome）2.灯刷染色体这种染色体最早发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期。由于染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。由两条同