医学细胞生物学课件 细胞核

细胞核概述 真核细胞中最大 最重要的细胞器功能 1 遗传物质贮存 复制和转录的场所2 细胞生命活动的控制中心真核生物和原核生物的最大区别核进化意义 核物质区域化1 保护核内DNA免受损伤 保证遗传的稳定性2 使遗传信息的转录和翻译在时空上分离 数量 单核 多数细胞 双核 肝 肾 软骨细胞 多核 破骨细胞 骨骼肌细胞等 无核 成熟红细胞 大小 高等动物细胞核直径通常在5 10 m生长旺盛的细胞 核较大 如卵 肿瘤细胞分化成熟的细胞 核较小常用核质比来表示细胞核的相对大小 细胞核的数量 大小与形态 形态 间期才可以观察到细胞核的完整结构 多样 多为圆形或椭圆形 与细胞的形状 类型 发育时期等有关 核膜 染色质 核仁 核基质 间期核的结构主要由4部分构成 第一节核膜 核膜 nuclearmembrane 又称核被膜 nuclearenvelope 一 核膜的化学组成二 核膜的结构三 核膜的功能 一 核膜的化学组成 主要为蛋白质 65 75 和脂类 可能还有少量DNA和RNA所含的酶类和脂类都与ER相似 但含量有差异 二 核膜的结构 电镜下 核膜是由内核膜 外核膜 核周间隙 核孔复合体和核纤层等结构组成 一 外核膜 outermembrane 与糙面内质网膜相连续外表面有核糖体附着外表面附着有细胞骨架成分 起着固定细胞核并维持细胞核形态的作用 二 内核膜 innermembrane 表面无核糖体附着核质面附着有核纤层 对核膜其支持作用 三 核周间隙 perinuclearcisternae 内外两层核膜之间的腔隙与内质网腔相连 内含多种蛋白质和酶 四 核孔复合体核孔 内外核膜融合之处形成的环状开口数量 3000 4000个 哺乳类细胞蛋白质合成旺盛的细胞 核孔数目较多 电镜下 核孔是由多种蛋白质以特定方式排列而成的复合结构 称为核孔复合体 nuclearporecomplex NPC NPC由四种组分构成 胞质环 核质环 辐柱状亚单位环状亚单位腔内亚单位 中央栓 核孔复合体的结构 捕鱼笼式 fish trap 结构模型被普遍接受 核孔复合体模式图 侧面观 核孔复合体的化学组成 主要由蛋白质组成核孔蛋白 nucleoporin Nup 的特点进化上高度保守多含有一簇FG重复序列F 苯丙氨酸G 甘氨酸 五 核纤层 nuclearlamina 概念 核纤层是位于内核膜内侧与染色质之间的一层由高电子密度纤维蛋白质组成的网络片层结构 只存在于间期核中 分裂期解体 核纤层的化学成分 核纤层蛋白 属于中间纤维蛋白 哺乳类细胞的核纤层蛋白 lamin 有3类laminAlaminCLaminB 核纤层的功能 1 核纤层在细胞核中起支架作用 2 核纤层与核膜的崩解和重建密切相关 laminA C分散到胞质中laminB与核膜小泡结合 3 核纤层与染色质凝集成染色体相关分裂间期 染色质与核纤层结合紧密 不能螺旋化成染色体 分裂前期 核纤层解聚 染色质与核纤层的结合丧失 染色质凝集成染色体 4 核纤层参与DNA的复制 利用爪蟾卵母细胞核重建体系的研究发现 重建的缺乏核纤层的细胞核不能进行DNA的复制 提示核纤层参与了DNA复制 三 核膜的功能 核膜为基因表达提供了时空隔离屏障使DNA复制 RNA转录与蛋白质翻译在时空上分离 建立了遗传物质稳定的活动环境 保证了RNA转录后先进行加工 修饰 才能输入细胞质中 进而指导蛋白质的合成 使遗传信息的表达调控过程更加精确 高效 2 核膜参与蛋白质的合成 3 核孔复合体控制着核 质间的物质交换核孔复合体是介导核 质间物质交换的双向亲水通道具有两种运输方式被动运输主动运输 通过核孔复合体的被动运输静止状态下 核孔中央有直径9 10nm的亲水通道 水 无机离子 小分子及直径小于10nm的物质原则上可自由通过 通过核孔复合体的主动运输绝大多数生物大分子的核 质分配需要借助核孔复合体的主动运输方式来实现 具有高度选择性 表现在以下三方面 核孔复合体的孔径可调 主动运输的功能直径比被动运输大 为10 20nm 可调节达26nm 核孔复合体的主动运输是信号识别与载体介导的过程 需消耗能量 具有双向性 兼有核输入与核输出两种功能核输入 DNA复制与RNA转录所需的各种酶 组蛋白 核糖体蛋白等核输出 mRNA tRNA 核糖体大小亚基等 1 亲核蛋白的核输入 亲核蛋白 karyophilicprotein 指在细胞质中游离核糖体上合成 经核孔转运入细胞核发挥作用的蛋白质 游离核糖体 亲核蛋白一般都有一段特殊的氨基酸信号序列 起着定向和定位的作用 保证蛋白质通过核孔复合体向核内输入 这一特殊的信号序列称为核定位序列 nuclearlocalizationsequence NLS NLS特点 含4 8个氨基酸的短肽序列不同亲核蛋白上的NLS不同 但都富含碱性氨基酸 Lys Arg 通常还有脯氨酸NLS可以位于亲核蛋白的任何部位 并且在指导亲核蛋白完成核输入以后不被切除 Pro Pro Lys Lys Lys Arg Lys Val 具有正常NLS的T 抗原聚集于细胞核内 NLS发生突变的T 抗原分布于胞质中 病毒SV40的T 抗原在宿主细胞中的分布 亲核蛋白入核转运的条件 核定位序列 NLS NLS受体 核输入蛋白 核输入受体 核输入受体 Ran 一种GTP结合蛋白 亲核蛋白的核输入过程 2 RNA及核糖体亚基的核输出 第二节染色质与染色体 染色质 chromatin 是间期细胞遗传物质的存在形式 是由DNA 组蛋白 非组蛋白及少量RNA组成的细丝状复合结构 染色体 chromosome 是指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中 染色质经复制后反复缠绕凝聚而成的条状或棒状结构 染色质和染色体是遗传物质在细胞周期不同时相的不同表现形态 细丝状 弥散分布于核内有利于遗传信息的复制和表达 间期染色质 中期染色体 条状或棒状结构有利于遗传物质的平均分配 从裂解的核中溢出的染色质 中期染色体 染色质和染色体的组成成分 DNA组蛋白非组蛋白RNA 少量 含量随细胞生理状态的不同而变化 染色质的稳定成分 占染色质总量的98 二者比例约1 1 一 染色质与染色体的组成成分 1 DNA序列的类型真核细胞DNA序列分为3类 单一序列 单拷贝序列 在基因组中一般只有单一拷贝或少数几个拷贝绝大多数编码蛋白质 酶 的结构基因均属于单一序列 一 DNA 遗传信息的载体 中度重复序列 重复次数在10 105之间 序列长度从几百到几千个bp不等多数是不编码序列 构成基因内或基因间的间隔序列 在基因表达调控中起重要作用 少数是有编码功能的基因 如rRNA基因 tRNA基因 组蛋白基因 核糖体蛋白的基因等 高度重复序列 重复次数超过105 分布在染色体的着丝粒区和端粒区 长度一般为几个至几十个bp 高度重复序列有些散在分布 另一些则串联重复 均不能转录主要是构成结构基因的间隔 维系染色体结构 还可能与减数分裂过程中同源染色体联会有关 2 一条功能性染色质DNA必须具备3类功能序列 人 GGGTTA 二 组蛋白 histone 1 组蛋白的特点真核生物染色质的基本结构蛋白碱性蛋白 富含的Arg和Lys等碱性氨基酸带有正电荷 可与带负电荷的DNA紧密结合 非特异性结合 2 组蛋白的分类 组蛋白共有5种 按功能可分两大类 核小体组蛋白 nucleosomalhistone H2A H2B H3 H4 组成八聚体 协助DNA卷曲成核小体结构无种属及组织特异性 进化上高度保守 H1组蛋白稳定核小体并与核小体的进一步包装有关有一定的种属及组织特异性 3 组蛋白的功能 协助折叠及包装DNA形成染色体保护DNA不被酶消化组蛋白与DNA的结合可抑制DNA的复制与转录组蛋白乙酰化 磷酸化等化学修饰可改变组蛋白的电荷性质 使组蛋白与DNA结合力减弱 有利于DNA的复制和转录 甲基化则可增强组蛋白和DNA的相互作用 抑制DNA的复制和转录 三 非组蛋白 non histone 概念 除组蛋白之外的染色质结合蛋白的总称特点 含量少 种类多在不同组织细胞中的种类和数量均不相同与特异的DNA序列结合 功能 协助DNA折叠 启动和推进DNA的复制 调控基因转录 二 常染色质与异染色质 按间期核中染色质螺旋化程度 功能状态的不同 可分为 常染色质异染色质 常染色质与异染色质的异同 相同点 化学本质相同 只是不同功能状态下染色质的不同构型而已 一定条件下可互相转化 异染色质可分两类 组成性异染色质 指在各种类型细胞的细胞周期中 除复制期外 均呈凝缩状态的异染色质 由高度重复的DNA序列构成不转录也不编码蛋白质多分布于染色体的着丝粒区 端粒 次缢痕等部位兼性异染色质 只在某些细胞类型或一定的发育阶段 处于凝缩失活状态 而在其他时期松展为常染色质 总量变化与细胞类型有关 胚胎细胞中含量少 高度分化的细胞中含量多 雌性哺乳动物体细胞核中的X染色质 巴氏小体 即为一种兼性异染色质 Barrbody 三 染色质组装成染色体 伸展的染色质纤维 一 核小体 染色质的基本结构单位核小体 nucleosome 是染色体组装的一级结构 为直径约10nm的圆盘状颗粒 核小体的组成 DNA 约200bp左右146bp 盘绕组蛋白八聚体1 75圈 称核心DNA60bp 连接相邻的核小体 称连接DNA 长度变异大 组蛋白八聚体 一个 1组蛋白 一个 核小体串珠的形成使DNA分子长度压缩了约7倍 二 核小体进一步螺旋形成螺线管 螺线管 solenoid 是染色质的二级结构 是在组蛋白H1的协助下 由核小体串珠结构盘旋而成的中空结构每圈6个核小体 外径30nm 螺距11nm螺线管的形成使核小体串珠结构压缩了约6倍 组蛋白H1位于螺线管的内部 是螺线管形成和稳定的关键因素 30nm染色质纤维核小体串珠 电镜下 间期核中的染色质大多以一种30nm染色质纤维 螺线管 的形式存在 三 螺线管进一步包装成染色体 关于螺线管如何进一步包装成染色体 目前有两种模型 多级螺旋模型 multiplecoilingmodel 染色体骨架 放射环模型 scaffold radialloopstructuremodel 1 多级螺旋模型 一级结构 核小体 直径10nm二级结构 螺线管 直径30nm三级结构 超螺线管 直径0 2 0 4um四级结构 染色单体 最早是Laemmli等 1977 根据大量的实验结果提出的 他们用2mol L的NaCl加肝素处理HeLa细胞的中期染色体 除去组蛋白和大部分非组蛋白后 在电镜下看到了由非组蛋白构成的染色体骨架和由骨架伸出的无数的DNA袢环 2 染色体骨架 放射环模型 染色体骨架 放射环模型 一级结构 核小体二级结构 螺线管 30nm纤维 高级结构 袢环结构和染色单体高级结构的组装过程 螺线管进一步折叠成一系列袢环结构 袢环的基部连于中央的染色体骨架上 每18个袢环呈放射状平面排列 形成微带 约106个微带沿纵轴排列 形成染色单体 染色体骨架 放射环模型 四 染色体的形态结构 在有丝分裂中期 染色体高度凝集 形态 结构特征明显 可作为染色体一般形态和结构的标准 中期染色体由着丝粒相连的两条姐妹染色单体构成主要结构 着丝粒 主缢痕 次缢痕 端粒 随体等 一 着丝粒 centromere 主缢痕 中期染色体的两条姐妹染色单体的连接处向内凹陷 着色较浅的缢痕 着丝粒 指主缢痕处的染色质部分 由高度重复的异染色质组成 着丝粒将染色体分为两个臂 依据着丝粒的位置 中期染色体分为4种类型 动粒 kinetochore 位于着丝粒两侧的圆盘状结构由蛋白质构成是细胞分裂时纺锤丝动粒微管的附着部位 参与染色体的运动与分离 二 着丝粒 动粒复合体 中期染色体 着丝粒 动粒复合体 由着丝粒和动粒共同组成的一种复合结构介导纺锤丝与染色体的结合包括三个结构域 动粒域中心域配对域 动粒域 圆盘状结构 由蛋白质构成 是纺锤体动粒微管的附着部位 中心域 位于动粒域的内侧 是复合体的主体 由富含高度重复序列的异染色质构成 配对域 在中心域内表面 是两条染色单体相互连接的区域 动粒在电镜下呈三层板状结构 动粒与着丝粒的比较 三 次缢痕 secondaryconstriction 指某些染色体上除主缢痕之外的浅染缢缩部位其数量 位置和大小可用作鉴别染色体的标记 位于某些染色体末端的球形或棒状结构主要由异染色质构成通过次缢痕区与染色体主体部分相连随体也是识别染色体的重要特征之一 四 随体 satellite 人类有随体的染色体 13 15 21 22号全部为近端着丝粒染色体有随体染色体的次缢痕部位含有多拷贝的rRNA基因 5SrRNA除外 是具有组织形成核仁能力的染色质区 与核仁形成有关 此区称为核仁组织区 nucleolusorganizingregion NOR 五 端粒 telomeres 染色体末端的特化部位 由端粒DNA和蛋白质构成 端粒DNA不含基因 由富含G的短串联重复序列构成 在进化上高度保守 人 GGGTTA n 端粒的功能 保证染色体末端的完全复制在染色体的两端形成保护性的帽结构 使DNA免受核酸酶和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的末端融合 保持染色体的结构完整 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 端粒是细胞分裂的 计数器 细胞每分裂一次 端粒减少50 100核苷酸 五 核型与带型 人类G带核型 核型 指一个体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 将待测细胞的核型进行染色体数目 形态特征的分析 称为核型分析 人类G带核型 带型 染色体标本经过一定程序处理 并用特定染料染色后 染色体沿其长轴可显现出明暗或深浅相间 宽窄不等的带纹 构成了每条染色体的带型 染色体显带技术可准确识别每条染色体 检测染色体的微小变化 第三节核仁 nucleolus 光镜下的核仁 核仁是真核细胞间期核中最明显的结构光镜下 均质 折光性很强的圆球状小体电镜下 裸露无膜的纤维网状结构 电镜下的核仁 数目 每个细胞中一般有核仁1 2个 也有多个的大小 蛋白质合成旺盛的细胞 核仁大 蛋白质合成不活跃的细胞 核仁不明显 一 核仁的主要成分 核仁含有3种主要成分 蛋白质 占核仁干重的80 包括核糖体蛋白 组蛋白 多种酶类等RNA 10 主要是rRNA基因的转录产物DNA 8 主要是rRNA基因 即rDNA核仁内还含有微量脂类 二 核仁的形态结构 纤维中心致密纤维组分颗粒成分 电镜下 核仁为裸露无膜的纤维网状结构 具有三个特征性区域 一 纤维中心包埋于颗粒组分内部的浅染低电子密度区 圆斑状主要成分 rRNA基因 rDNA 铺展的核仁染色质标本 局部 间期 分裂期 13 14 15 21 22号染色体 铺展的核仁染色质标本 概念 间期 rDNA是从染色体上伸出的DNA袢环 袢环上的rRNA基因成串排列 通过转录产生rRNA 组织形成核仁 因此称为核仁组织者 功能 组织核仁的形成 核仁组织者 nucleolusorganizer 二 致密纤维组分核仁内电子密度最高的区域 呈环形或半月形包围浅染的纤维中心 主要成分 正在转录的rRNA分子核糖体蛋白某些特异性的RNA结合蛋白 三 颗粒成分呈致密的颗粒 密布于纤维骨架之间 或围绕在纤维组分的周围主要成分 处于不同加工 成熟阶段的核糖体亚基前体 上述三种组分存在于核仁基质 nucleolarmatrix 中核仁区一些无定型的蛋白质性液体物质 电子密度低与核基质互相连通 所以有人认为二者是同一物质 rRNA合成与加工场所真核细胞有4种rRNA 核糖体大 小亚基的装配场所 三 核仁的功能 生产核糖体的工厂 一 核仁是rRNA基因转录和加工的场所 核仁中串联重复排列的rRNA基因 其初始转录产物为45SrRNA 45SrRNA 二 核仁是核糖体亚基装配的场所 rRNA与核糖体蛋白在核仁内组装成核糖体的亚基 核糖体大 小亚基的组装 四 核仁周期 概念 核仁随细胞的周期性变化而变化 在细胞分裂前期消失 分裂末期又重新出现 核仁的周期性变化称为核仁周期 核仁在有丝分裂末期逐渐形成的图解 先形成数个小核仁 小核仁长大 融合 最后形成一个大核仁 第四节核基质 nuclearmatrix 核基质的概念 核基质又称核骨架 nuclearscaffold 是真核细胞间期核中除核膜 染色质和核仁以外的部分 是一个以非组蛋白为主的纤维网架结构 核基质分布在整个细胞核内 核基质是由粗细不均的纤维构成的网架结构纤维直径 3 30nm纤维单体的直径为3 4nm 较粗的纤维是单体纤维的聚合体 核基质的主要成分蛋白质 90 以上 核基质蛋白 各类细胞共有核基质结合蛋白 与细胞类型 分化程度 生理及病理状态有关少量的RNA 维持核基质三维网络结构完整性 一 核基质的组成成分与形态结构 二 核基质的功能 一 核基质参与DNA复制1 核基质上锚泊DNA复制复合体DNA袢环与DNA复制有关的酶和因子在核基质上形成DNA复制复合体DNA聚合酶在核基质上可能具有特定结合位点DNA复制的起始点结合在核基质上2 核基质上结合新合成的DNA3 核基质上DNA的复制效率提高 二