细胞生物学cellnuclear

细胞核,植物细胞结构模式图,动物细胞结构模式图,,1、掌握细胞核的基本结构、组成及各 结 构的特点 2、掌握细胞核物质运输的特点，核基 质及核仁的功能 3、掌握染色质的化学组成，染色体 DNA的特征性结构，组蛋白的结构 和功能，染色质包装的过程,教学要求,4、熟悉中期染色体的特征性结构，常 染色质和异染色质的区别5、了解特殊染色体的结构特征,教学要求,真核细胞内最大的、最重要的细胞器，是遗传物质存储、复制和转录的场所，是细胞生命活动的控制中心,细胞核(nucleus),细胞核的形状：圆、椭圆形，少数呈不规 则形细胞核的数目： 真核细胞：绝大部分有1个细胞核（植物成 熟的筛管细胞和哺乳动物成熟的红细胞无 细胞核） 肝细胞、肾小管细胞、软骨细胞、粒细胞等 有多核,细胞核一般特征,细胞核与细胞质的体积比 核质比=细胞核的体积/细胞质的体积 核质比表示细胞核的大小和细胞的成 熟程度,核质比,细胞核的结构,核膜（双层膜）：把核内物质与细胞质分开。,核孔：实现核质之间频繁的物质交换和信息交流。,染色质：由DNA（遗传信息的载体）和蛋白质组成；,核仁：与rRNA的合成及核糖体的形成有关,又称核被膜（nuclear envelope）位于间期细胞核的最外层，是细胞质与细胞核之间的界膜。将细胞分成两大结构与功能区域：DNA/RNA 复制转 录（核），蛋白质翻译（细胞质）由内、外两层平行膜构成。,第一节 核膜nuclear membrane,（一）蛋白质 约占65% 75%，包括组蛋白、基因调节蛋白、DNA和RNA聚合酶、RNA酶以及电子传递有关的酶。（二）脂类 卵磷脂、磷脂酰乙醇胺、胆固醇和甘 油三酯（后两者含量较高）。,一、核膜的化学组成,二、核膜的结构与区域化作用,（一）核膜由内外两层平行但不连续的非对称性单位膜构成。,外核膜（outer nuclear membrane）：可以看作内质网的特化区，外表面附有核糖体。胞质面附着中间纤维。内核膜（inner nuclear membrane）：靠向核质，表面光滑，含有一些特异性蛋白质，如核纤层蛋白B受体。核周间隙（perinuclear space）：宽2040nm，与内质网腔相通。核孔（nuclear pore）典型哺乳动物细胞核核膜分布3000-4000核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。,三、核孔复合体,核孔（nuclear pore）由至少100种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。核孔的直径约为80120nm，核孔复合体的直径约为120nm150nm。在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如同捕鱼笼。,抽提后核孔胞质面的结构,1、核孔复合体的捕鱼笼式结构模型,核孔复合体有4种结构组分：胞质环（cytoplasmic ring）： 位于核孔边缘胞质面的一侧，又称外环，环上有8条细长纤维对称分布伸向胞质；核质环（nuclear ring）： 位于核孔边缘核质面的一侧，又称内环，环上也对称连有8条细长纤维，在纤维末端形成一个直径60nm的小环，小环也由8个颗粒构成；,捕鱼笼式核孔复合体模型,辐（spoke）：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称，可进一步分为三个结构域： 柱状亚单位（连接胞质、核质环）、 腔内亚单位（核孔边缘向核周间质）、 环带亚单位（向核孔中心）。中央栓（central plug）：位于核孔中心，呈颗粒状或棒状，在物质交换中可能起一定作用，又称中央运输蛋白（central transporter）。,捕鱼笼式核孔复合体模型,2、核孔复合体功能：介导细胞核与细胞质间的物质交换,1、核孔复合体是核质与胞质之间进行物质交换的通道。经核孔复合体的运输具有双功能和双向选择性，因此可将它视为特殊的跨膜运输蛋白复合体。双功能表现为两种运输方式：被动扩散与主动运输； 对被运输的物质在大小上加以限制（10nm）； 主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP提供能量（26nm）；双向选择性表现在两个方面：介导蛋白质的入核转运；介导RNA、核糖体蛋白颗粒的出核转运。,四、核纤层的结构与功能,核纤层（nuclear lamina）是附着于内核膜下的纤维蛋白网，由核纤层蛋白构成，属于中间纤维。功能：,1、核膜为基因表达提供了时空隔 离屏障 2、核膜参与蛋白质的合成3、核孔复合体控制核-质间的物质 交换,核膜的功能,第二节 染色质与染色体,1879年，W. Flemming提出染色质（Chromatin）这一术语。 1888年，Waldeyer正式提出染色体（Chromosome）这一命名。染色质和染色体是细胞周期不同阶段可以互相转变的形态结构。,一、染色质的组成成分,染色质是间期细胞遗传物质的存在形式。最早是1879年Flemming提出的用以描述核中染色后强烈着色的物质。组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNADNA : 组蛋白 : 非组蛋白 : 少量RNA = 1 : 1 : 0.6 : 0.01DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白与RNA的含量则随细胞生理状态的不同而变化。组蛋白和非组蛋白都可被磷酸化，进而发挥它们在细胞核内信息的传递及转录调控方面的重要作用。,（一）染色质中的DNA是遗传信息的载体,一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息称为一个基因组。真核细胞中每条未复制的染色体均含有一条线型DNA分子。DNA分子3种基本元素：复制源序列（replication origin），是DNA复制的起点。着丝点序列（centromere sequence），姐妹染色单体的连接部位，与染色体的分离有关。端粒序列（telomere sequence），保证染色体的独立性和遗传稳定性。,染色体DNA的三种基本序列,端粒序列,着丝点序列,复制源序列,组蛋白（histone）是构成真核生物染色体的基本结构蛋白。带正电荷，富含精氨酸，赖氨酸，属碱性蛋白。可与酸性DNA分子紧密结合。根据聚丙烯酰胺凝胶电泳将组蛋白分为5种： H1，H2A, H2B, H3, H4,（二）组蛋白,组蛋白在细胞周期的S期与DNA同时合成，然后转移至核内，与DNA结合，形成核小体。 组蛋白与DNA结合可抑制DNA的复制与 RNA转录，组蛋白的修饰（乙酰化、磷 酸化和甲基化）可影 响染色质的活性。,：核小体组蛋白（nucleosomal histone）：H2A、H2B、H3、H4。无种属及组织特异性，进化上高度保守；协助DNA卷曲成核小体的稳定结构。连接组蛋白（linker histone）：H1。有一定的种属特异性和组织特异性；与核小体的进一步包装有关。,根据在核小体中的作用分为两类,非组蛋白（non-histone）是指细胞核中组蛋白以外的染色体结合蛋白，是序列特异性DNA结合蛋白。非组蛋白包括染色体骨架蛋白、调节蛋白以及核酸代谢和染色质化学修饰的相关酶类。,（三）非组蛋白,特性：含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质。具多样性和异质性。非组蛋白在整个细胞周期都进行合成(组蛋白只在S期合成)。能识别特异的DNA序列，识别与结合借助氢键和离子键。功能： 参与染色体构建；启动DNA复制；调控基因表达。,非组蛋白的特性和功能,二、常染色质和异染色质,间期核中染色质可分为常染色质（enchromatin）和异染色质（heterochromatin）。常染色质是在有丝分裂完成之后，能够转变成间期松散状态的染色质部分。常染色质在分裂期染色深，但在间期染色浅。一般而言，常染色质是具有转录活性区，是基因区。大约有百分之十的染色质在整个间期仍然保持压缩状态，将这种染色质称为异染色质。异染色质在分裂期和间期的着色力相同。无转录活性，是遗传惰性区。,图中的N和n分别表示细胞核和核仁, 核仁外染色深的区域是异染色质。,骨髓干细胞,异染色质分类：,巴氏小体（barr body）： 雌性哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机发生异染色质化失活。雄性哺乳类细胞的单个X染色体呈常染色质状态。,barr body,三、染色质组装成染色体,（一）核小体（nucleosome）是染色体的基本单位核小体：一种串珠状结构，由核心颗粒和连接DNA两部分组成每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个核心组蛋白和一个H1；由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心组蛋白；DNA分子以左手螺旋缠绕在核心组蛋白表面，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；,（二）核小体进一步螺旋形成螺线管核小体通过自身形成螺旋的方式形成致密的、外径为30nm的管状结构,称为螺线管（solenoid）又称30nm染色质纤维。在螺线管中, 每一螺旋由6个核小体组成, 并呈规则排列。H1组蛋白位于螺线管内侧，起稳定作用。从核小体到螺线管压缩了6倍。,（三）螺线管进一步包装成染色体DNA从螺线管到超螺线管（0.2-0.4m）大约压缩了40倍。超螺线管进一步螺旋折叠，形成直径为12m、长度为210m的染色单体，约压缩5倍。由此看来, DNA经核小体到染色体，DNA总共压缩了8400倍。,1号染色体中的DNA包装倍数,四、染色体的形态结构,染色体形态结构一般是指中期染色体。 着丝粒与动粒次缢痕端粒随体核仁组织区,（一）着丝粒位于两条姐妹染色单体的连接处 着丝粒（centromere）是染色体中连接两个染色单体的染色质, 并将染色单体分为短臂(p)和长臂(q)。根据着丝粒在染色体上的位置, 分为中着丝粒、近中着丝、近端部着丝和端部着丝四种类型。 主缢痕指姐妹染色单体连接处，向内凹陷，着色较浅的缢痕。,动粒（kinetochore）是存在于主缢痕两侧的特化的圆盘状结构，由蛋白质构成，细胞分裂时纺锤体微管连接的部位。,着丝粒-动粒区域是一种高度有序的、在结构上和组成上非均一的整合结构。包含3个结构域：1、动粒结构域（kinetochore domain） 位于着丝粒的表面，电镜下呈三层 板状结构。2、中心结构域（central domain）位于着丝粒结构域的内表面。其中含有高度重复序列DNA。3、配对结构域（pairing domain）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。,（二）次缢痕（secondary constriction）是染色体上的一个缢缩部位，它的数量、位置和大小是某些染色体的重要形态特征。（三）核仁组织区（nucleolar orgnizing regions NORs）是染色体上rRNA基因所在部位，位于染色体的次缢痕区，与核仁形成有关。（四）随体（satellite）是位于近端着丝粒染色体末端的、圆形或圆柱形的染色体片段，通过次缢痕与染色体主要部分相连。随体由异染色质组成，含高度重复DNA序列，是识别染色体的主要特征之一。,（五）端粒（telomere）： 是染色体两个端部的特化区，由高度重复的短序列组成，富含鸟苷酸G，高度保守。,原位杂交实验显示位于人染色体末端的端粒,1 保证染色体末端的完全复制，端粒DNA提供了复制线性DNA末端的模板；2在染色体两端形成保护性帽结构，使DNA免受核酸酶或其他不稳定因素的破坏和影响，使染色体末端不会与其他染色体末端融合，保证染色体的结构完整3 在细胞 的寿命、衰老和死亡以及肿瘤的发生和治疗中起作用,端粒的主要功能,1. 多线染色体（Polytene chromosome）：,（六）特殊染色体,2、灯刷染色体（lampbrush chromosome）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，染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。侧环是DNA活跃转录的区域。,鱼类卵母细胞灯刷染色体,核型（karyotype）：是指某一个体细胞的全部染色体在有丝分裂中期的表型，包括染色体的数目、大小和形态特征等方面。 人类正常男性体细胞核型为：46，XY； 正常女性体细胞核型为：46，XX带型（banding patterns）：染色体经显带染色技术处理后，使其沿长轴呈现特定的深浅不同、宽窄不等的带纹（band）的方法。,五、核型与染色体带型,G带（Giemsa-banding）：将染色体制片经盐溶液、胰酶或碱处理，再用Giemsa染料染色，在光镜下进行检查, 见到特征性的带。一般富含AT碱基的DNA区段表现为暗带。此法可制成永久性的标本。,Q带（Q-banding）：又叫荧光分带法。用喹吖因(quinacrine)荧光染料染色，在紫外光激发下,显现明暗不同的带区,可在荧光显微镜下观察。一般富含AT碱基的DNA区段表现为亮带，富含GC碱基的区段表现为暗带。此法的优点是分类简便，可显示独特的带型。缺点是标本易褪色，不能做成永久性标本片。,核仁（nucleolus）见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般12个，有时多达35个。主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位。一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺失。核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。,第三节 核仁,一、核仁的形态结构和化学组成,主要化学组成（依细胞类型和生理状态而异）： 蛋白质：80%（核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白等） 酶：与核仁生理功能有关 RNA：11%，主要为rRNA基因转录产物 DNA：8%，主要为rRNA基因,核仁结构组分：（一）纤维中心（fibrillar centers，FC）：是被致密纤维包围的一个或几个低电子密度的圆形结构，主要成分为rDNA和RNA聚合酶，这些 rDNA是从染色体上伸出的袢环。（二）致密纤维组分（dense fibrillar component，DFC）：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是正在转录的rRNA和核糖体蛋白。（三）颗粒组分（granular component，GC）：由直径15-20nm的颗粒构成，是正在加工和成熟的核糖体亚单位。 核仁的三种基本结构结合在一起，共同完成核仁的功能。,人成纤维细胞中核仁的电子显微镜照片,（A）是完整的核；（B）局部观察的照片，主要是致密区,二、核仁的功能核仁是细胞合成核糖体的工厂，涉及rRNA的转录、加工和核糖体大、小亚基的装配。,装配成的核糖体颗粒经核孔进入细胞质，在胞质中进一步装配成成熟的功能性核糖体。,45S rRNA,三、核仁周期核仁是一种动态结构，随细胞周期的变化而变化，即形成消失形成,这种变化称为核仁周期。核仁形成的分子机理尚不清楚，目前仅知道需要rRNA基因的激活。,第四节 核基质（核骨架）,1974年Ronald Berezney和Donald Coffey首次用