细胞核及蛋白质合成.ppt

MicrotubulesingreenandDNAinblueinXenopusMelanophore 透射电子显微镜下的细胞核 扫描电子显微镜下的细胞核 第四节细胞核 细胞核的结构 核膜 染色质与染色体 核仁 核基质与核骨架 细胞核的功能 一 细胞核的结构 一 核膜 1 核膜 nuclearmembrane envelope 外层核膜 outernuclearmembrane 膜厚约4 10nm 较核膜内层厚 附有核糖体颗粒 形似粗面内质网 并与其相通故为粗面内质网的一部分 膜可与胞质中的某些微管 微丝相连起固定核位置的作用 内层核膜 innernuclearmembrane 有特有的蛋白成份 如核纤层蛋白B受体 核周间隙 perinuclearspace 充满液态物质为各种蛋白质和酶 与内质网有临时通道 可进行核 质物质交换 2 核孔 nuclearpore 核膜上的圆形盘状小孔 是核 质的直接通道 孔径 70nm 不与核周隙相通 其数量主要是与细胞核的转录水平有关 密度大约35 65个 2 电镜下核孔复合体主要由蛋白质构成 其总相对分子质量约为1 25 108 推测可能含有100余种不同的多肽 共1000多个蛋白质分子 主要分为结构性跨膜蛋白和功能性的核孔复合体蛋白 冰冻蚀刻示扫描电镜下核孔复合体 抽提后核孔胞质面的结构 抽提后核孔核质面的结构 核孔隔膜 3 核纤层 nuclearlamina 由lamin lamin lamin 三种多肽组成的纤维网状结构 lamin 与核内膜上的镶嵌蛋白结合在一起 lamin 和lamin 又挂靠着lamin 并且染色质纤维一个或几个部位与lamin 和lamin 连接在一起 核纤层蛋白还可以与核基质中的蛋白质形成联结 与中间纤维 核骨架相连 一 细胞核的结构 二 染色质与染色体 1848年 Hofmeister发现于鸭跖草的小孢子母细胞 1879年 Flemming提出Chromatin 1888年 Waldyer提出Chromosome 染色质 Chromatin 真核细胞的间期核内由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 由染色质聚缩而成的短棒状结构 染色质与染色体的化学组成相同 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 1 常染色质和异染色质 常染色质 euchromatin 异染色质 heterochromatin 常染色质与异染色质的比较 常染色质 euchromatin 概念 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 DNA包装比约为1 2000 1 1000 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 异染色质 heterochromatin 概念 指间期细胞核中 折叠压缩程度高 处于聚缩状态的 碱性染料染色时着色较深的染色质组分 类型包括 结构 组成型异染色质 constitutivehe terochromatin 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 兼性异染色质 facultativeheterochro matin 常染色质和异染色质 结构异染色质的特征 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 由相对简单 高度重复的DNA序列构成 如卫星DNA 具有显著的遗传惰性 不转录也不编码蛋白质 在复制行为上与常染色质相比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 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 多形核白细胞中的 鼓槌 状结构 2 染色质的化学成分 1 DNA 2 组蛋白 3 非组蛋白 4 RNA 染色质的化学组成 染色质的化学组分分析 组蛋白 histone 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 抑制DNA的复制和转录 无种属及组织特异性 在进化上十分保守 核小体组蛋白 nucleosomalhistone H2B H2A H3和H4 帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构 H1组蛋白 在构成核小体时H1起连接作用 它赋予染色质以极性 在S期与DNA同步合成 非组蛋白 nonhistone 富含带负电荷的Asp和Glu等酸性氨基酸 属酸性蛋白质 有种属及组织特异性 在整个细胞周期中都能合成 具多样性和异质性 对DNA具有识别特异性 又称序列特异性DNA结合蛋白 sequencespecificDNAbindingproteins 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 RNA 包括 tRNA rRNA 不均一核RNA heterogenousnuclearRNA hnRNA 核内小分子RNA smallnuclearRNA snRNA 3 核小体 nucleosome 染色质的基本结构单位 铺展染色质的电镜观察 未经处理的染色质自然结构为30nm的纤丝 盐溶液处理解聚后的染色质呈现10nm串珠状结构 核小体颗粒是扁园柱体 具有二分对称性 核心组蛋白的构成是先形成2 H3 2 H4 四聚体 然后再与两个H2A H2B异二聚体结合形成八聚体 在低盐亲水介质中展开的染色质 示串珠状的核小体 JA Gall1981 DNase 超敏感区域 无核小体 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 a 通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒8个组蛋白分子的位置 b 垂直与中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构 c 半个核小体核心颗粒的示意模型 一圈DNA超螺旋 73bp 和4种核心组蛋白分子 每种组蛋白由3个 螺旋和一个伸展的N 端尾部组成 N 端尾部有序排列 参与核小体之间的相互作用 以形成螺线管等高级结构 球状组蛋白核心 DNA双螺旋 140 160bp 1 75圈 H2A H2A H2B H2B 连接DNA 50 60bp 核小体 核心部 连接部 DNA分子 140 160bp 1 75圈 组蛋白 2 H2A H2B H3 H4 八聚体 组蛋白 H1 DNA分子 50 60bp 核小体结构要点 核小体模型 fromC j Arers 1981 核小体 10nm 核心颗粒 连接部 核心颗粒 H2A H2B H3 H4 2 146bp 连接部 H1 54bp 组蛋白H1对核小体DNA的进出端进行锁定 4 染色体的组装 染色质的四级结构模型 一级结构 核小体 nucleosome 二级结构 螺线管 solenoid 三级结构 超螺线管 super solenoid 支架放射环结构模型 折叠 四级结构 染色单体 chromatid 内10nm H1组蛋白 螺线管 solenoid 每6个核小体形成一个螺旋 将串珠状小体长度压缩6倍 H1位于内部 对螺线管的形成和稳定起重要作用 螺线管 每6个核小体螺旋一圈 外 30 内 10 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 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 Loop 染色体支架与袢环结构A 电镜下中期染色体的染色体支架 B 支架周围密集的DNA环 C 袢环结构示意图 微带与染色体模式图 染色体的多级折叠 5 染色体的形态和类型 染色体的形态结构 着丝粒 centromere 随体 satellite 端粒 telomere 副缢痕 secodaryconstriction 染色体的类型 中期染色体的模式图 荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNA satellites TheTelomeresofHumanChromosomes 染色体的四种类型图解 人类染色体分类 一 细胞核的结构 三 核仁 1 核仁的化学组成2 核仁的结构3 核仁的功能 核酸 核仁的化学组成 核仁相随染色质 nucleolarassociatedchromatin 核仁周围染色质 perinucleolarchromatin 核仁内染色质 intranucleolarchromatin 根据核仁染色质空间位置的不同 1 纤维中心 纤维中心 fibrillarcenters FC 位于核仁中央 FCs是rRNA基因的储存位点 由rDNA襻环 核仁组织区 NOR 组成 2 致密纤维区 密集纤维组分 densefibrillarcomponent DFC 呈环状或半月状包围纤维中心 转录主要发生在FC与DFC的交界处 并加工初始转录本 核仁组织区 nucleolarorganizerregion NOR 位于人类的D组和G组的随体柄部 上面含rRNA基因 FC FibrillarcentersDFC DensefibrillarcomponentGC Granularcomponent 银粒显示rRNA的转录部位 核仁的结构示意图 3 颗粒区 颗粒组分 granularcomponent GC 是核糖体亚单位成熟和储存的位点 分布于DFC外围直到核仁边缘 由处于不同成熟阶段的核糖体亚单位前体颗粒组成 4 核仁基质 核仁基质为无定形的蛋白质液体物质 是上述三种有形结构组分的存在环境 光镜下 培养的人成纤维细胞核仁融合的不同阶段 rDNA为成簇串联重复基因 人体细胞中约有200个拷贝 rDNA没有组蛋白核心 是裸露的DNA节段 相邻基因之间为非转录的间隔DNA 1 45SrRNA的转录 2 前体rRNA的加工 3 核糖体亚单位的组装 rRNA基因在染色质轴丝上呈串联重复排列 沿转录方向 新生的rRNA链逐渐增长 形成 圣诞树 样结构 转录产物的纤维游离端 5 端 首先形成RNP颗粒 这些形态特征是最直观的rRNA基因转录的证据 rDNA rRNA 转录的起点 转录的终点 RNA聚合酶 蛋白质颗粒 rRNA前体分子的加工 纤维部新合成的45SrRNA 与蛋白质形成RNP复合体 45SrRNA甲基化以后经RNA酶裂解形成18S 28S 5 8SrRNA 加工成熟的rRNA仅为45SrRNA的一半 丢失的大部分是非甲基化和GC含量较高的区域 rRNA前体分子的修饰 甲基化的rRNA 去掉非甲基化和GC含量高的区域 此过程需小分子核仁RNA snoRNA 和小分子核仁核糖核蛋白 snRNP 的催化 5SrDNA的转录在非核仁区 5Spre rRNA加工后被转运至核仁区参与大亚基的装配 rRNA前体的加工过程是以核蛋白而不是游离rRNA的方式进行的 首先成熟的核糖体小亚单位 含有18SrRNA 在核仁产生并很快出现在细胞质 一 细胞核的结构 四 核基质与核骨架 核基质 nuclearmatrix 指细胞核内除了核膜 核纤层 染色质与核仁外 将DNA 组蛋白和RNA抽提后 核内存在的一个以纤维蛋白成分为主 并含有少量RNA的网架结构 核基质又称为核骨架 nuclearskeleton 1 核骨架的形态结构与成分 2 核骨架的功能 支撑和维系间期核内DNA的空间构型 为DNA的复制提供支架 结合有DNA复制所需要的酶 DNA转录 RNA的落脚点在核基质上 有RNA聚合酶的结合位点 参与DNA包装和染色体的构建 核骨架与染色体骨架为同一类物质 病毒DNA在核内复制与装配也与核基质有关 核骨架的核心纤维L 核纤层 M 核仁 Cy 细胞质 染色质结合在核骨架 染色体骨架 上 第五节细胞内蛋白质的生物合成 DNA复制 遗传信息的转录 遗传信息的翻译 遗传信息的传递 一 DNA复制 一 半保留复制 B DNA复制的特点 半保留性 一 DNA复制 二 复制的基本过程 1 DNA复制的过程特点 多起点 双向复制 半不连续性 不同步复制 常染色质区 富含G C 的DNA在S期的早期开始复制 异染色质区 富含A T 的DNA在S期的晚期开始复制 2 Kornberg DNA复制的基本点 P90 3 端粒和端粒酶 端粒 telomere 由端粒DNA和端粒结构蛋白构成 由高度重复的短序列组成 DNA每复制一次端粒减少50 100bp 功能 维持染色体结构稳定 保证染色体DNA的完全复制 参与染色体在核内定位 端粒酶 telomerase 由蛋白质和与端粒DNA互补的RNA组成 它能以自身的RNA为模板合成端粒DNA 补充端粒 DNA复制的特点 半不连续性 真核细胞染色体端粒的重复序列不是染色体DNA复制时连续合成的 而是由端粒酶合成后添加到染色体末端 端粒酶是一种核糖核蛋白复合物 具有逆转录酶的性质 以物种专一的内在RNA作模板 把合成的端粒重复序列再加到染色体的3 端 RNAtemplate Telomerase F4端粒复制 DNApolymerase 二 遗传信息的转录 转录 transcription 遗传信息从DNA传递到RNA的过程 转录的特点 转录的部位 细胞核中 反编码链 模板链 hnRNA 携带编码链的信息 转录的不对称性 DNA的两条链均可作为模板链 转录的方向性 5 端 3 端 编码链 模板链与转录产物的比较 基因的不对称转录A B C D代表不同的基因 RNA转录过程中磷酸二酯键的形成 虚线示新加入的核糖核苷酸结合在RNA链的游离3 端 二 遗传信息的转录 二 真核细胞RNA的转录 1 mRNA的转录和加工 1 5 端 戴帽 capping 在5 端连接上一个7甲基鸟苷酸 m7G 的 帽子 结构 2 3 端 加尾 tailing 在3 端连接上一个约100 200bp的polyA 尾巴 结构 3 剪切 splicing 按照 GT AG 法则 剪切去内含子 拼接上外显子 2 tRNA的转录和加工3 rRNA的转录和加工 mRNA前体的加帽 mRNA前体的加尾 真核细胞hnRNA的转录和加工过程示意图Gppp 帽子 polyA 尾 tRNA前体的加工 加工的部位 细胞质中 5 端去掉先导序列 3 端的UU由CCA取代 剪除内含子 碱基的修饰等 三 遗传信息的翻译 翻译 translation 遗传信息从RNA传递到蛋白质的过程 classicalcentraldogma 三 遗传信息的翻译 一 遗传密码 MarshallWarrenNirenberg April10 1927 USANationalInstitutesofHealthBethesda MD USA RobertW Holley January28 1922 1993 USACornellUniversityIthaca NY USA HarGobindKhorana January9 1922 USAUniversityofWisconsinMadison WI USA TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968tothem fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis Khorana的实验 AminoAcidswithsixcodons 三 遗传信息的翻译 二 氨基酸激活 氨基酸的活化 核内合成的前体tRNA穿过核孔进入细胞质 经加工后游离于细胞质中 细胞质中的各个氨基酸在氨基酸激活酶和ATP的作用下活化 活化的氨基酸在氨基酸tRNA连接酶和ATP的作用下 形成tRNA与相应氨基酸的络合物 即氨酰 tRNA 氨酰tRNA再转移到 结合于核糖体上的 mRNA的相应密码子上 三 遗传信息的翻译 三 多肽链的合成 肽链合成的开始 肽链的增长 肽链的终止 IF3 IF3 IF3 mRNA 30S三元复合物 IF2 30S mRNA fMet tRNAf IF2 IF3 IF2 A位 1 起始 fMet UAC CGG 2 肽链的延长 UGA UGA 3 肽链合成的终止与释放 四 遗传信息的传递 classicalcentraldogma 遗传信息由RNA RNA的传递 病毒的遗传物质为RNA 没有DNA 典型例子 脊髓灰质炎病毒 遗传信息由RNA DNA的传递 病毒RNA逆转录DNA 例如 劳斯肉瘤病毒 Roussarcomavirus RSV HIV SARS 遗传信息由蛋白质 蛋白质的传递 脊髓灰质炎病毒 poliomyelitisvirus 引起脊髓灰质炎 常侵犯中枢神经系统 损害脊髓前角运动神经细胞 导致肢体松弛性麻痹 多见于儿童 故又名小儿麻痹症 JohnFranklinEnders February10 1897 September8 1985 USAHarvardMedicalSchool ResearchDivisionofInfectiousDiseases Children sMedicalCenterBoston MA USA ThomasHuckleWeller June15 1915 USAResearchDivisionofInfectiousDiseases Children sMedicalCenterBoston MA USA FrederickChapmanRobbins August25 1916 August4 2003 USAWesternReserveUniversityCleveland OH USA TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1954tothem fortheirdiscoveryoftheabilityofpoliomyelitisvirusestogrowinculturesofvarioustypesoftissue 1911 FrancisPeytonRous发现 将鸡肉瘤的无细胞滤液注射给另外同种健康鸡后 后者长出同样的肿瘤 首次证实鸡肿瘤的致病因子是过滤性病毒 提出 病毒致癌假说 这种病毒后来被命名为 劳斯肉瘤病毒 RousSarcomavirus RSV PeytonRous 1879 February16 1970 USARockefellerUniversityNewYork NY USA TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1966tohim forhisdiscoveryoftumour inducingviruses 1964 HowardMartinTemin提出 原病毒假说 protovirushypothesis 并于1970年发现了反转录酶 reversetranscriptase 数周之后 DavidBaltimore发现了依赖RNA的DNA聚合酶 RNA dependentDNApolymer ase 即反转录酶 DavidBaltimore March7 1938 USAMassachusettsInstituteofTechnology MIT Cambridge MA RenatoDulbecco 1914 USAImperialCancerResearchFundLaboratoryLondon UnitedKingdom HowardMartinTemin December10 1934 February9 1994 USAUniversityofWisconsinMadison WI USA TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1975tothem fortheirdiscoveriescon cerningtheinteractionbe tweentumourvi