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第八章细胞核 THECELLNUCLEUS 细胞核是真核细胞内最大的细胞器 包含了几乎全部的遗传物质 其功能是围绕着核内遗传物质的活动而展开的 细胞核是真核细胞最重要的标志 是细胞进化史上的一个飞跃 有无及数目位置和形状大小主要结构 细胞核简介 有无及数目 通常一个细胞一个核 1个 成熟的植物筛管和哺乳类红细胞没有细胞核 0个 肝细胞和心肌细胞可有双核 2个 破骨细胞可有6 50个细胞核 6 50个 骨骼肌细胞可有数百个核 数百个 高等植物的毡绒层可有2 4个核 2 4个 位置 正在生长的细胞中 核位于细胞中央 在分化成熟的细胞中 常因细胞内含物或特殊结构的存在 核被挤到边缘 形状 在原核细胞中 DNA集中 但无核膜包围 故称拟核 nucleiod 核一般呈圆形 但因生物的种类而异 在旺盛分裂的组织中 核呈圆形 在长形细胞中多呈椭圆形 在扁平细胞中多为扁圆形 在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状 在胚乳细胞中呈网状 大小 大小差异较大 苏铁科的卵细胞核500 600nm 最小的细胞核1nm左右 一般植物1 4 m 动物10 m 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 核质比大表示核大 核质比小则表示核小 核质比与细胞类型 发育时期 生理状态及染色体倍数等有关 一般来说 细胞核占据细胞体积的10 左右 淋巴细胞 胚胎细胞和肿瘤细胞的核质比较大 而表面角质化细胞 衰老细胞的核质比较小 细胞核的主要结构包括 核被膜 nuclearenvelope 核仁 nucleolus 核基质 nuclearmatrix 染色质 chromatin 核纤层 nuclearlamina 只有处在间期的细胞中 才能观察到细胞核的完整结构 细胞核的结构 n为核仁 N为常染色质 第一节核被膜第二节染色质与染色体第三节核仁第四节细胞核骨架第五节基因表达的调控 略 第一节核被膜 nuclearenvelope 一 核被膜的结构组成 核被膜的主要化学成分 蛋白质 约占65 75 脂类次之 核被膜结构组成 一 外核膜 二 内核膜 三 核周间隙 四 核孔复合体 五 核纤层 核被膜是双层膜结构 一 外核膜和内核膜核被膜 nuclearenvelope 是整个内膜系统的一部分 为不对称的双层膜 外核膜与粗面内质网膜彼此相连 其表面附有大量的核糖体颗粒 内核膜面向核质 表面没有核糖体颗粒 其内侧面附有核纤层 通过活性核纤层与凝集的染色质紧密接触 二 核周间隙宽约20 40nm 与内质网腔相通 核被膜的TEM照片 三 核孔复合体核孔是物质运输的通道 核孔复合体对细胞核与细胞质之间大分子物质的交流具有选择性运输作用核孔由至少50种不同的蛋白质 nucleoporin 构成 称为核孔复合体 nuclearporecomplex NPC 核孔在核膜上的密度与细胞类型和细胞生理状态有关 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 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fish trap 核孔在核膜上的分布排列 随生物种类和细胞类型不同而异 抽提后核孔胞质面的结构 抽提后核孔核质面的结构 四 核纤层核纤层 位于内核膜的内表面的纤维网络 可支持核膜 并与染色质及核骨架相连 结构 外表面与核被膜的特殊结构结合 内表面与染色质的特殊位点结合 分子组成 核纤层由核纤肽 lamin 构成 核纤肽一类中间纤维 分为A B C三型 作用 1 保持核的形态 2 参与染色质和核的组装 核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变化 在间期核中核纤层提供了染色质 异染色质 在核周边锚定的位点 在前期结束时 核纤层被磷酸化 核膜解体 其中B型核纤肽与核膜残余小泡结合 A型溶于胞质中 在分裂末期 核纤肽去磷酸化重新组装 介导了核膜的重建 Lamins 二 核被膜的主要功能 核被膜的主要功能 一方面可以作为细胞核和细胞质的界膜 稳定细胞核的形态和成分 另一方面它还控制着细胞核和细胞质之间的物质交换 一 区域化作用 二 控制细胞核与细胞质之间的物质交接一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的 通过核孔定向输入细胞核 另一方面细胞核中合成的各类RNA 核糖体亚单位需要通过核孔运到细胞质 通过核孔的物质运输与信号序列有关核定位信号 nuclearlocalizationsignal NLS 引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列 受体为importin 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原 序列为 pro pro lys lys lys Arg Lys val NLS对连接的蛋白质无特殊要求 完成输入后不被切除 核输出信号 nuclearexportsignal NES 引导RNP输出细胞核 受体为exportin Ran蛋白 一类G蛋白 调节货物复合体的解体或形成 RNP 细胞核内的RNA是与蛋白质形成RNP复合物转运出细胞核的 RNP的蛋白质上具有核输出信号 nuclearexportsignal NES 可与细胞内的受体exportin结合 形成RNP exportin Ran GTP复合体 输出细胞核后 Ran GTP水解 释放出结合的RNA Ran GDP exportin和RNP蛋白返回细胞核 核孔复合体的主动运输通过一些和特异性的NLS结合的蛋白质 NLS bindingproteins NBPs 作为载体而完成 ColloidalgoldlabeledNucleoplasminweretransportedintonucleus 第二节染色质与染色体 染色质和染色体是真核细胞的遗传物质在细胞周期不同时相的不同表现形态 真核细胞中的DNA与蛋白质等成分结合形成复合体 而原核生物的DNA是裸露的 没有与蛋白质结合 染色质 体 核酸 DNA RNA 蛋白质 组蛋白 非组蛋白 一 常染色质与异染色质 间期核中染色质可分为异染色质 heterochromatin 和常染色质 enchromatin 异染色质常染色质碱性染料染色深染色浅形态浓缩程度高浓缩程度低卷曲成粗大颗粒解旋的细纤维丝功能转录不活跃转录活跃部位核被膜内表面核中央 异染色质的特点 在间期核中处于凝缩状态 无转录活性 是遗传惰性区 在细胞周期中表现为晚复制 早凝缩 异固缩现象 分为两类 结构 恒定 异染色质 constitutiveheterochromatin 兼性 功能 异染色质 facultativeheterochromatin 巴氏小体 barrbody 雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的X染色体 人的胚胎发育到16天以后 出现巴氏小体 barrbody 二 染色质的化学组成 组成 DNA 组蛋白 非组蛋白 少量RNA比例 1 1 1 1 5 0 05 一 染色质DNA 3种序列 单一序列 中度重复序列 101 5 高度重复序列 105 3种构像 B DNA Z DNA A DNA 3种基本元素 自主复制序列 ARS 是DNA复制的起点 着丝粒序列 CEN 含 卫星DNA 端粒序列 TEL 酵母人工染色体 YAC 含上述3种成分 用于转基因 ThreeDNAconformations 其中B DNA双螺旋二级结构较稳定 二 染色质蛋白质 组蛋白DNA结合蛋白 非组蛋白DNA染色体 带正电荷 含Arg Lys 属碱性蛋白 共5种 分为 核心组蛋白 corehistone H2A H2B H3 H4 连接组蛋白 linkerhistone H1 结构 高度保守 尤其是H4 核心组蛋白由球形部和尾部构成 球形部借Arg与磷酸二脂骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上 形成核小体 尾部含有大量Arg和Lys 为组蛋白转译后进行修饰的部位 H1多样性 具有属 genus 和组织特异性 组蛋白 序列特异性DNA结合蛋白 特性 酸性蛋白质有种和属的组织特异性作为结构蛋白参与基因表达调控功能 帮助DNA折叠 协助DNA复制 调节基因表达 非组蛋白 三 染色质和染色体的组装 从DNA到染色体 核小体 nucleosome 一种串珠状结构 由核心颗粒和连结线DNA两部分组成 通过酶消化实验建立 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 通过核小体 DNA长度压缩7倍 形成11nm的纤维 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 由核小体螺旋化形成 每6个核小体绕一圈 长度压缩6倍 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 solenoid ChromatinPacking ChromatinPacking 染色体的四级组装 是真核细胞间期核中最明显的结构 光镜下为均质 无包膜的球形小体 第三节核仁 Nucleolus nucleoluscycle 核仁的化学组成 ultramicrostructureofnucleolus 核仁的超微结构 nucleolarfunction 核仁的功能 一 核仁的化学组成 核仁的化学成分以蛋白质为主 约占核仁干重的80 有核糖体蛋白 组蛋白 非组蛋白及RNA聚合酶等多种酶系 RNA约占核仁干重的10 多与蛋白质结合 以核蛋白的形式存在 DNA占核仁干重的8 脂类含量极少 二 Ultramicrostructure 超微结构 fibrillarcenters FC 纤维中心 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RNA聚合酶和rDNA 这些rDNA是裸露的分子 densefibrillarcomponent DFC 致密纤维组分 呈环形或半月形包围FC 由致密的纤维构成 是新合成的RNP 转录主要发生在FC与DFC的交界处 granularcomponent GC 颗粒组分 由直径15 20nm的颗粒构成 是不同加工阶段的RNP nucleolarassociatedchromatin 核仁相随染色质 一是核仁周围染色质 NAC 二是核仁内染色质 载有rRNA基因 nucleolarmatrix 核仁基质 为无定形的蛋白质液体物质 电子密度低 其中悬浮着纤维成分 颗粒成分 酶和蛋白质 核仁Nucleolus超微结构 A 结构 纤维中心 Fibrillarcenters 致密纤维组分 Densefibrillarcomponent 颗粒组分 Granularcomponent Nucleolus B Functionsofnucleolus RibosomalBiogenesis RibosomalBiogenesis pre rRNAsynthesis Process Assembly FC DFC DFC GC Cytosol Directionalprocess 三 nucleolarfunction 核仁的功能 核糖体的生物发生 ribosomebiogenesis 是一个向量过程 vetoricalprocess 从核仁纤维组分开始 再向颗粒组分延续 这一过程包括rRNA的合成 剪接 加工和核糖体亚单位的装配 45SrRNA的转录 rRNA前体的加工 核糖体亚单位的组装 CharacteristicsofRNAtranscription Codefor ineukaryotes 18s 28s 5 8srRNA Functionsofnucleolus RibosomalBiogenesis pre rRNAsynthesis Process Assembly FC DFC DFC GC Cytosol Directionalprocess SynthesisandprocessingofrRNAprecursor Generalstructureofeukaryoticpre rRNAtranscriptionunits pre rRNAtranscriptionunits Synthesisandprocessingof5srRNA 5srRNAsareencodedbyalargenumbergenes Human 2000 5srRNAgenearelocatedoutsidethenucleolus 5srRNAsaretranscibedbyRNApolyIII The3 endof5srRNAisremovedduringprocessing Theassemblyofribosomes Thenucleolusdisappearsduringmitosis Nucleolarfusionofhumanfibroblastincultrue 第四节核骨架nucleoskeleton 核基质 nuclearmatrix 或称核骨架 为真核细胞核内的网络结构 是指除核被膜 染色质 核纤层及核仁以外的核内网架体系 非组蛋白性纤维蛋白 10多种次要蛋白质 包括肌动蛋白和波形蛋白 后者构成核骨架的外罩 核骨架碎片中还存在三种支架蛋白 scaffoldproteins SC SC SC SC 则是DNA拓朴异构酶 少量RNA 占0 5 和DNA 占0 8 即 MAR 少量磷脂 1 6 和糖类 0 9 一 核基质的组成 1 为DNA的复制提供支架结合有DNA复制所需要的酶 2 是基因转录加工的场所有RNA聚合酶的结合位点 RNA的合成在核骨架上进行 3 与染色体构建有关一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质 30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上 形成放射环状的结构 在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体 二 核骨架的功能 第五节基因表达的调控 略 第九章核糖体 Theribosome 第一节核糖体类型与结构 1 形态结构2 类型3 化学组成4 生物发生和装配 77 核糖体 ribosome 是细胞内一种核糖核蛋白颗粒 ribonucleo proteinpartical 是细胞内合成蛋白质的细胞器 核糖体的主要成分是核糖体RNA rRNA 占60 蛋白质 r蛋白质 占40 1 核糖体的形态结构 78 大小亚基平时各自游离在细胞质中 进行蛋白质合成时才结合在一起 镁离子浓度对大小亚基的聚合和分离有影响 79 细胞有两种主要类型的核糖体 2 核糖体的类型 原核细胞的核糖体 沉降系数为70S 分子量为2 5x106 由50S和30S两个亚基组成 真核细胞的核糖体 沉降系数是80S 分子量为2 5x106 由60S和40S两个亚基组成 80 原核生物真核生物 r蛋白 rRNA 3 核糖体的化学组成 82 4 核糖体的生物发生 Biogenesis 核糖体的生物发生包括1 蛋白质和rRNA的合成2 核糖体亚基的装配 83 2 核糖体亚基的装配 组成核糖体的蛋白质和rRNA在大小亚基中均有一定的空间排布 核糖体在组装过程中 蛋白组装表现出先后层次 在细胞内 核糖体是自我装配的 地点真核细胞核糖体的亚基在核仁中装配原核细胞核糖体的亚基在细胞质中装配 第二节核糖体的功能 蛋白质合成 1 多聚核糖体2 蛋白质合成3 RNA在生命起源中的地位及其生命活动中的作用 85 同一条mRNA被多个核糖体同时翻译成蛋白质 大大提高了蛋白质合成速率 也减轻了细胞核进行基因转录和加工的压力 不需要合成加工大量的mRNA 1 多聚核糖体 一 多聚核糖体 polyribosome或polysome 概念核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能 而是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高效地进行肽链的合成 这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体 多聚核糖体的生物学意义 细胞内各种多肽的合成 不论其分子量的大小或是mRNA的长短如何 单位时间内所合成的多肽分子数目都大体相等 以多聚核糖体的形式进行多肽合成 对mRNA的利用及对其浓度的调控更为经济和有效 多聚核糖体 同一条mRNA分子能够结合多个甚至几十个核糖体串连起来高效而同步的合成蛋白质肽链 多聚核糖体电镜图 核糖体蛋白质翻译合成过