13第十三章细胞核

第十三章细胞核第十三章细胞核概述细胞核载有全部基因组，是细胞内DNA复制和RNA转录的中心，也是细胞代谢、生长、分化和繁殖的控制枢纽。、细胞核的出现是生物进化史上重要的发展阶段。2、细胞核是细胞内最大的细胞器。3、细胞核的形状多种多样，细胞核的大小、位置和数量常因细胞类型不同而有差异。间期细胞核核被膜染色质和染色体核基质核仁第一节：核被膜第二节：染色质和染色体第三节：核纤层和核骨架第四节：核仁第五节：细胞核的功能第一节：核被膜一、核被膜的主要化学成分蛋白质脂类二、核被膜的亚微结构〔一〕由两层单位膜组成的核被膜〔二〕位于内外核膜之间的核周间隙〔三〕由核孔、隔膜和环孔物质构成的核孔复合体核孔由内外膜融合而成核孔复合体由外环、内环、辐和中央栓构成三、核被膜的主要功能〔一〕核被膜使及RNA转录和蛋白质合成在时间和空间上分开〔二〕核被膜可合成生物大分子〔三〕核孔复合体是细胞核和细胞质进行物质流和信息流的主要通道（1）核被膜允许水分子和一些离子如K+、Ca++、Mg++、Cl++等，以及一些小分子如单糖、双糖、氨基酸、核苷酸等自由通过核被膜。（2）分子量较大的物质，则要通过核孔复合体进行运输。例如DNA与RNA聚合酶在细胞质合成后，就是通过核孔复合体进入细胞核的。而细胞核内新合成的核糖体亚单位和mRNA的输出，也是通过核孔复合体实现的。（3）核蛋白质的运转核质蛋白的尾部具有核定位信号nuclearlocalizationsignal，而只有具有核定位信号的核蛋白才具备进入核内的条件。（4）核定位信号nuclearlocalizationsignal是一小段含有4-8个氨基酸序列。信号序列被大约10个氨基酸序列分隔成两个区段，每个区段含2或4个氨基酸。这些信号被认为在蛋白表面形成环状结构。四〕在细胞分裂中参与染色体的定位与分离第二节、染色质和染色体一、染色质和染色体的主要化学组成〔一〕DNA是染色体中蕴藏遗传信息的大分子〔二〕RNA是染色质含量很少的生物分子RNA染色质中含有少量RNA，其含量有较大变化，是一个有争论的组分。〔三〕蛋白质是参与染色体组织结构、DNA复制与转录调控的生物大分子(1)组蛋白Histone1、组蛋白是真核细胞特有的蛋白质，是构成染色质的主要蛋白质成分。（富含赖氨酸和精氨酸）呈碱性。2、组蛋白属单纯蛋白，溶于水、稀酸和稀碱，呈碱性，是保守的碱性蛋白。可分为H1、H2A、H2B、H3和H4五类。1、H1进化保守性最小，有种属和组织特异性。其功能与染色质高级结构形成有关;2、H2A、H2B、H3和H4进化上保守。3、H2A、H2B、H3和H4氨基端含较多碱性氨基酸，竣基端则含较多非极性氨基酸，具疏水性。这些组蛋白的碱性氨基端以静电引力和DNA相互作用，而组蛋白之间的聚合和相互作用，则发生在非极性的竣基端。乙酰化和磷酸化组蛋白降低组蛋白与DNA的结合，从而有利于转录的进行。甲基化则可增强组蛋白和DNA的相互作用，降低DNA的转录活性。组蛋白在细胞周期的DNA合成期与DNA同时合成。组蛋白在胞质中合成后即转移到核内，与DNA紧密结合形成DNA-组蛋白复合体(2)非组蛋白non-histone非组蛋白是一类酸性蛋白质，含有天门冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸，带负电荷。非组蛋白数量少而种类多，用双向凝胶电泳可得到500多种不同组分。有种属和组织特异性，在整个细胞周期都能合成。一般功能活跃组织的染色质中非组蛋白含量比不活跃组织的高。非组蛋白是真核细胞转录活动的调控因子，与基因的选择性表达有关。非组蛋白也可以被磷酸化，并被认为是基因表达的调控的重要环节。构建成染色质的高级结构时起组织作用二、染色体的亚微结构1、染色单体每个中期染色体由两条染色单体组成，它们仅在着丝粒处相连。这两条染色单体互称为姐妹染色体。2、着丝粒和动粒CentromereandKinetochore初级缢痕或主缢痕primaryconstriction3、次缢痕Secondaryconstriction是主缢痕之外近端着丝粒染色体短臂上的一个凹陷次缢痕两端有异染色质，是与控制间期核仁形成有关的染色质部分，次缢痕称核仁组织区NucleolarOrganizingRegion随体satellite在有些染色体的短臂上存在的一个棒状或球状的结构。一根染色质丝和染色体的短臂相连，随体与短臂之间往往有一个次缢痕相隔。具有随体的染色体称为SAT染色体。4、端粒telomere是染色体末端的特化部位。有极性:可以防止染色体的末端彼此粘连。染色体丢失端粒后，容易和无端粒的其它染色体末端或同一染色体的另一末端连接。在减数分裂前期，同源染色体配对时，端粒可粘到核被膜或核膜孔，以便把染色体排列在细胞核的一定位置。〔一〕着丝粒是中期染色体的主要功能结构域着丝粒是在初缢痕处两条染色单体相连处的中心部位，即主维痕的内部结构。动粒则是指在初缢痕处两条染色单体的外侧表层部位的特殊结构。它与纺锤丝微管接触，是微管蛋白的聚合中心之一。〔二〕可作为签别特定染色体标志的次缢痕〔三〕对染色体结构的稳定性起重要作用的端粒〔四〕随体是由染色质细丝和染色体短臂相连的球形小体〔五〕位于有随体染色体次缢痕上的核仁组织区三、染色体的构建〔一〕核小体是由组蛋白八聚体和DNA组成的复合体1、核小体nucleosome核小体是染色质的基本结构单位，由含200个左右碱基对的DNA片段和五种组蛋白相结合而成〔二〕螺线管是染色体的二级结构2、二级结构—螺线管核小体--------直径10nm串珠链--------螺线管solenoid即染色质的二级结构。〔三〕超螺线管是染色体的三级结构3、三级结构—超螺线管，超螺线管直径为300nm，长约11一60um。〔四〕染色体骨架一放射环结构模型4、四级结构－染色单体从超螺线管到染色单体，DNA又压缩了5倍。染色体的构建－－襻环模型1979年，laemmli等提出襻环模型，认为30nm染色质纤维折叠成襻环,沿染色体纵轴由中央向四周放射状伸展，环的基部联结在染色单体中央的非组织蛋白支架上。一个襻环的DNA的长度可在30000～100000个碱基对之间，平均63000碱基对左右，包含315个核小体，含30内膜纤维盘绕数25~83圈，长度约21um。直径为30nm染色体纤维所形成的襻环结构是间期染色质的基本存在形式，也是分裂期染色体的基本构建组合。微带和染色单体微带和染色单体J.Painta（1984）提出每18个襻环以染色单体支架为轴心呈放射状平面排列形成微带，大约106个微带沿轴心支架纵向排列，便构成染色单体从DNA丝到染色体的形成染色质的分子结构四、染色体的数目、核型和带型（一）同种生物体的染色体数目是恒定的（二）核型（karyotype）是指一个细胞中的全部染色体，按其大小、形态特征顺序排列所构成的图像。核型分析（karyotypeanalysis）对这些图像进行染色体数目、形态结构特征的分析常染色体（autosome）性染色体（sexchromosome）染色体的数目和染色体组型在每种生物的细胞中，染色体数目是相对恒定的。在体细胞中染色体成对存在，称为二倍体，用2n表示。在生殖细胞中，染色体数目为体细胞的一半，称为单倍体，用n表示。人体细胞的染色体数为46条，单倍体为23条。染色体数目在一定条件下，会发生改变，如癌细胞的染色体数目和形态常会发生变化。（三）带型染色体分带技术Q带G带R带C带带型短臂（p）长臂（q）分带原理：认为与GC、AT的含量有关五、常染色质与异染色质〔一〕间期核中活跃的染色质常染色质常染色质是转录活跃的DNA部分，在间期细胞核中为解旋的细纤维丝.常染色质在电镜下呈浅亮区，一般位于细胞核的中央。常染色质一部分介于异染色质之间.常染色质纤维直径约10nm，折叠盘曲度小，分散度大，代表在间期核中处于伸展状态的DNA分子部分,是正常情况下经常处于功能活跃状态的染色质二〕间期核中的不活跃的异染色质异染色质heterochromatin间期或分裂前期核内染色很深的块状结构。直径约25nm。异染色质是低活性的、与组蛋白紧密结合的DNA部分。是低活性的染色质。异染色质在分裂期位于着丝粒、端粒或在染色体臂的常染色质之间。常染色质在一定条件下可以转变为异染色质，称为兼性异染色质。如雌性哺乳动物细胞的X染色质。常染色质：间期染色浅，电镜下密度小的区域，染色质松散，转录活跃或易于转录异染色质：间期染色深，电镜下密度大的区域，染色质排列紧密，无转录活性结构异染色质兼性异染色质巴氏小体间期染色体既有浓缩的又有更为舒展的染色质形式异染质，间期中深染，转录不活跃。着丝点周围，染色体端部女性的一个X染色体异染化——巴氏小体常染质，转录活跃或容易转录的染色质，可能处于一种松散的30nM状态其余的间期染色质，介于异染质和常染质之间，转录困难。〔三〕增殖快的细胞常染色质比例大，而专一程度高的细胞以异染色质为主常、异染色质在细胞核内的位置、螺旋化程度、含DNA序列与功能等都有不同。它们复制的时间也有差异，如常染色质在S期早期复制，而异染色质在S期晚期复制。第三节核纤层和核骨架一、核纤层〔一〕由一类特殊中间丝组成的核纤层中性核纤层蛋白LaminA、LaminC、LaminLⅡ、LaminL、ⅢLaminLⅣ偏酸性核纤层蛋白LaminBLaminLⅠ中间丝蛋白波形蛋白结蛋白角蛋白〔二〕核纤层的组装靠近细胞核的细胞质分选，翻译之后迅速运入核内并在核膜下定位组装。〔三〕核纤层的功能1、核纤层参与核被膜的崩解与重建2、核纤层与染色质凝集密切相关3、核纤层参与细胞核的构建4、核纤层参与DNA的夏制和基因表达二、核骨架（一）核骨架为核内的纤维网络体系（一）核骨架为核内的纤维网络体系1、用去垢剂、核酸酶、高低盐缓冲液抽提细胞核，去除脂类、核酸和部分蛋白后，在电镜下可以看到一个纤维的网络，称之为核基质。2、核基质的成分十分复杂，除了对核纤层了解得比较清楚外，对其他的蛋白如何组织起来、它们与染色质的关系都不十分清楚。3、有证据表明，核基质与RNA的转录加工、DNA的复制、细胞分裂过程中核结构的离析和重建有密切关系。70年代，coffey等人用核酸酶和高盐溶液处理细胞核，将染色质抽提后发现核内仍残留纤维蛋白成分，遂称之为核基质，后又称核骨架。（二）主要由纤维蛋白组成的核骨架核基质蛋白核基质结合蛋白、核基质结合的酶、细胞调控蛋白、RNP、病毒蛋白等〔三）核骨架的主要功能1、核骨架与核内DNA复制（1）DNA复制复合体锚定在核骨架上1、核骨架与核内DNA复制（续）〔2〕DNA复制起始点结合在核骨架上〔3〕新合成的DNA结合在核骨架上〔4〕在核骨架上DNA的复制效率高2、核骨架与基因转录活性和RNA加工修饰以及定向运输有关（1）核骨架与基因转录活性密切相关（2）核骨架与RNA加工修饰和定向运输的关系3、核骨架与细胞分裂过程中染色体的构建有关4、核骨架结构的功能改变导致细胞分化〔四〕癌基因的表达是在核骨架上进行第四节核仁nucleolus光镜下为均质、无包膜的球形小体。核仁一般位于细胞核的一侧，有时移到核被膜边缘。这种现象叫核仁边集nucleolarmargination电镜下，核仁是裸露无膜的、由纤维丝构成的海绵状结构。根据电镜观察结合各种酶消化实验，一般认为核仁结构由原纤维成分、颗粒成分、核仁相随染色质和核仁基质4部分组成有丝分裂时，核仁首先缩小，随着染色体的浓缩，rRNA合成停止，核仁也就消失了。所以在分裂中期的细胞中看不见核仁。到了分裂末期，rRNA合成又重新开始，核仁又重新出现。一、核仁的亚微结构（一）被致密纤维包围的纤维中心（二）由致密细纤维构成的致密纤维组分（三）由核糖核蛋白组成的颗粒组分核仁组织区nucleolarorganizingregion，NOR是存在于细胞内特定染色体次维痕处，含有主要rRNA(l8S和28SrRNA)基因的一个染色体区段。人类的rRNA基因家族位于5对染色体(13、14、15、21和22号染色体)的端部。分裂末期，