细胞生物学-第八章-细胞核

第八章细胞核(Nucleus)•细胞核是是细胞遗传（细胞内DNA复制的RNA转录的中心）与代谢的调控信息中心。•细胞核的大小、位置和数量常因细胞的类型不同而有很大差异。核质比=细胞核的体积/细胞质的体积•真核细胞通常只有一个细胞核，但肝细胞、软骨细胞、破骨细胞等可有几个到多个核。细胞核的结构组成•核膜•染色质•核仁•核基质四核仁一核膜和核孔复合体二核基质三染色质及染色体五细胞核的功能第一节核膜•核膜（nuclearmembrane）又称核被膜（nuclearenvelope），为双层膜结构。一、核膜的化学组成以蛋白质与脂质为主，含少量核酸。与内质网具相似成分。二、核膜的亚微结构不对称双层膜、核周间隙、核孔、核纤层。核周间隙异染色质核纤层核孔复合体细胞质外核膜内核膜核糖体膜整合蛋白•外核膜（outernuclearmembrane）与粗面内质网相连，外表面附着核糖体。•内核膜（innernuclearmembrane）无核糖体附着，内侧有一层致密的纤维蛋白网络，称为核纤层，有支持核膜的作用。（一）核膜的双层膜结构核周间隙指内外核膜之间的腔隙，宽约20-40nm，与内质网腔相通。（二）核周间隙（perinuclearspace）（三）核孔（nuclearpore）核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC）•胞质环（cytoplasmicring），外环•核质环（nuclearring），内环，“核蓝”结构•中央栓（centralplug）•轮辐（spokes）核孔复合体结构模型—捕鱼笼式“核蓝”（四）核膜的主要功能1.区域化作用将细胞质与细胞核物质限定在特定区域，避免生命活动的彼此干扰（使RNA的转录及蛋白质的翻译在时间和空间上得以分开）。2.控制核质之间的物质转换与信息交流•无机离子及小分子物质—以自由扩散，被动转运方式通过核孔复合体中央水性通道；•RNA、酶类等大分子--由核孔复合体选择性主动转运。核转运受体与核定位信号•核转运受体(nucleartransportreceptor)：存在于核孔复合体上，介导选择性主动转运。•核定位信号(nuclearlocalizationsignal，NLS)：存在于被转运核蛋白上的一些短的氨基酸序列片段，为核转运受体识别的位点，引导蛋白质进入细胞核。主动转运过程中，核孔复合体上的酶水解ATP提供能量。•核孔复合体上还存在识别RNA或RNA结合蛋白的受体，将转录产物RNA由细胞核转运到细胞质。细胞质细胞核DNA复制、RNA转录相关的酶类RNA、RNA结合蛋白等•核孔复合体的选择性转运具有双向性—核输入与核输出：4.合成生物大分子外核膜上附着核糖体，参与蛋白质合成。3.在细胞分裂中参与染色体的定位与分离第二节核纤层与核骨架一、核纤层（nuclearlamina）紧贴内核膜的一层高密度纤维蛋白网，核内与核骨架相连，核外与中间纤维相连。•核纤层由核纤层蛋白（lamin）构成。•核纤层的作用：1.支持核膜,固定核孔位置;2.为染色质提供附着点;3.参与细胞分裂中染色质凝集的调节;4.与核膜的裂解和重建有关.二、核骨架（nuclearscaffold）又称核基质（nulcearmatrix），为间期核内除染色质、核膜、核仁外的由非组蛋白组成的纤维网架结构，形态类似细胞骨架。•核骨架与核纤层以及细胞质中的中间纤维形成“核骨架-核纤层-中间纤维”体系，贯穿细胞核与细胞质之间。•核骨架的主要化学成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白,并含有少量RNA。核骨架的功能：1.与DNA复制有关。2.与基因表达有关。3.与RNA的转录后修饰及定向运输有关。4.与细胞分裂有关。5.与细胞分化有关。第三节染色质和染色体•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。•染色体（chromosome）:指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质盘绕压缩而成的棒状结构，也是分裂期遗传物质的存在形式。•染色质与染色体是细胞核内同一种成分在细胞周期不同时相的不同表现形式。染色质：间期，不规则细线状，网状弥散于核内。染色体：分裂期，由染色质盘绕压缩而成的棒状结构。一、染色质和染色体的化学组成•DNA•组蛋白•非组蛋白•少量RNA为主（1:1）（一）DNA脱氧核糖核酸，双螺旋链，遗传信息的物质载体。•每条染色体含一条线形的DNA分子。其序列分为：单一序列：单拷贝、不重复，占60%-65%。重复序列：多拷贝。中度重复序列：占20%-30%。高度重复序列：拷贝数大于105，占10%。多分布于着丝粒及端粒。3种特殊的DNA序列：•复制起点序列：多个、成串激活，同时复制，保持遗传连续性。•着丝粒序列：连接姐妹染色单体，确保遗传稳定性。•端粒序列：位于染色体端部，保持染色体独立及稳定。染色体DNA的三种功能元件端粒复制起点着丝粒间期有丝分裂期间期复制眼动粒（二）组蛋白（histone）•核小体组蛋白(nucleosomalhistone)：H2A、H2B、H3和H4，帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构。•H1组蛋白：H1，在构成核小体时H1起连接作用,赋予染色质以极性。•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）；•没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。•可以进行化学修饰:乙酰化、磷酸化和甲基化。•在细胞周期的Ｓ期与ＤＮＡ同时合成。组蛋白的特点：（三）非组蛋白（non-histone）•染色体中除组蛋白外的其它蛋白。•对DNA的识别具有特异性，从而调控基因的表达（与其磷酸化修饰关系密切）、促进染色质高级结构的形成等。•种类多，有种属和组织特异性二、染色质的种类•常染色质（euchromatin）：间期核内处于分散状态，具有活跃DNA复制及转录功能的染色质组分，用碱性染料染色时着色浅。•异染色质（heterochromatin）：间期核内处于凝集状态，转录功能缺乏或不活跃的染色质组分，碱性染料染色时着色较深。异染色质的类型：•结构异染色质(constitutive-heterochromatin)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、次缢痕。•兼性异染色质(facultative-heterochromatin)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。如雌性哺乳动物体细胞在发育过程中一条X染色体随机异染色质化失活，形成巴尔小体。异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。为主异染色质常染色质常染色质异染色质间期染色程度浅深分布核中央，染色体臂核膜附近螺旋化程度低，疏松状态高，凝集状态DNA序列单一序列和中度重复序列（如组蛋白基因和tRNA基因）高度重复序列功能状态转录和翻译活跃转录和翻译不活跃常染色质与异染色质的比较三、染色质的结构与装配•染色质的基本结构单位—核小体(nucleosome)（一）染色质的一级结构--11nm染色质纤维由核小体串联组成，呈念珠状。核小体结构要点：•每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白八聚体核心和一个H1组蛋白；•八聚体由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成，构成核小体的核心；•DNA分子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。核小体核心颗粒核心DNA连接部DNA连接部DNA连接部核小体与核小体连接形成串珠状的染色质纤维（二）染色质的二级结构--30nm染色质纤维螺线管（solenoid）：由6个核小体螺旋围成一圈形成，H1组蛋白位于内部，调节其组装与稳定。螺线管侧面观螺线管顶面观（三）染色质的高级结构•多级螺旋模型(multiplecoilingmodel)•放射环模型(radialloopmodel)多级螺旋模型•一级结构：核小体•二级结构：螺线管•三级结构：超螺线管（supersolenoid）•四级结构：染色单体（chromatid）DNA核小体螺线管超螺线管染色单体压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍DNA总长度可被压缩8000-10000倍。•非组蛋白构成染色体骨架(chromosomalscaffold)，由骨架伸出的无数的DNA侧环；放射环模型•30nm的染色质纤维折叠成环,沿染色体纵轴,由中央向四周伸出,构成放射环。袢环染色体支架四、染色体的结构•分裂中期染色体形态及结构较稳定，可作为标准。1.染色单体（chromatid）中期染色体含两条染色单体，又称姐妹染色单体，以着丝粒相连，由间期复制后组装形成。2.着丝粒及动粒着丝粒（centromere）：中期染色单体相互联系在一起的特殊部位，染色体主缢痕处，由高度重复异染色质组成。动粒（kinetochore）：主缢痕两侧的特化圆盘状结构，与纺锤体微管相连，由蛋白构成。着丝粒--动粒复合体（包含3个结构域）•动粒结构域(kinetochoredomain)•中央结构域(centraldomain)•配对结构域(pairingdomain)内板(innerplate)中间间隙(middlespace)外板(outerplate)纤维冠(fibrouscorona)位于有些染色体短臂末端的球形或棒形结构，通过次缢痕与短臂相连，异染色质组成，稳定。3.次缢痕染色体上除主缢痕外的缢缩部位。4.随体5.端粒（telomere）染色体末端的特化部位，由高度重复的短序列组成，高度保守。1.维持染色体的稳定性，防止染色体末端粘连。2.起细胞分裂计时器的作用。染色体每复制一次，端粒核苷酸减少50~100bp，使端粒长度逐渐减少，导致衰老发生。端粒的作用：•多数肿瘤细胞中存在端粒酶活性，可不断复制合成端粒，从而无限增殖而不衰老。正常细胞中一般无端粒酶活性。染色体各部分的名称随体次缢痕主缢痕端粒长臂短臂•核型：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。•染色体显带技术：染色体沿纵轴方向显示宽窄深浅不一的条带。根据染料及显色方法不同，有Q带、G带、R带和C带等。五、核型与带型ABCDEFG第四节核仁•核仁（nucleolus）细胞核中均质、无包膜的球形小体，一个或多个，多位于核的一侧。•核仁是细胞中形成核糖体的结构。一、核仁的化学组成•蛋白质•RNA•DNA•微量的脂类占80%，包括核糖体蛋白、染色质组蛋白和非组蛋白、酶类。二、核仁的结构•核仁相随染色质•纤维结构•颗粒成分•核仁基质1.核仁相随染色质•核仁周围染色质：异染色质。•核仁内染色质：常染色质，占主要部分。含rDNA，为核仁组织者。核仁组织者（区）Nuclearorganizer核仁内染色质上含有成串的rRNA基因，这个染色体区段称为核仁组织者。它们在间期时相互融合形成核仁，构成的区域称为核仁组织者区(NOR)；在分裂中期时存在于特定染色体的次缢痕处。•人类的rRNA基因位于13、14、15、21、22号5对染色体的端部。NOR有丝分裂时核仁为什么会消失?染色质也称核仁骨架，与核骨架相通。2.纤维结构由致密的纤维构成，主要成分是正在转录的rRNA，以及核糖体蛋白和RNA结合蛋白等。3.颗粒成分直径15-20nm的颗粒，是rRNA进一步加工成熟的区域，是不同加工阶段的核糖体亚单位前体。4.核仁基质三、核仁周期•核仁的动态变化：核仁随细胞周期的进行而呈现周期性变化（形成和消失）。染色体含rDNA的核仁组织区解旋和伸展，重新开始形成核仁。间期分裂期染色质浓缩，核仁组织者区缩回染色体，纤维成分和颗粒成分分散在核质中，整个核仁缩小继而消失。四、核仁的功能•合成rRNA•装配核糖体1.rRNA的合成•5SrRNA•5.8SrRNA•18SrRNA•28SrRNA在核仁外染色体上合成在核仁内合成•位于NOR的rDNA是rRNA的信息来源。•形态特征：“圣诞树”样结构。编码3种rRNA的基因紧密连锁为一个转录单位多个转