医学细胞生物学

.,第六章细胞核,.,教学目的和要求,1.掌握核膜、核孔复合体的结构模型2.掌握染色质与染色体的化学组成、构建过程3.掌握核仁的形态结构和功能，核纤层的功能,.,核膜,核仁,染色质,核基质,间期细胞核,.,外核膜,内核膜,核孔,核周间隙,一、核膜,在电镜下，核膜由内外层核膜、核周隙、核孔复合体和核纤层等结构组成。,.,与粗面内质网相连，表面有核糖体附着，被认为是粗面内质网的特化区域。胞质面附着有中间纤维和微管等细胞骨架成分，与细胞核定位有关。,1、外核膜,.,核质面附着有致密的核纤层纤维网络结构,2、内核膜,位于内外膜之间；隙宽：20-40nm；充满液态物质，为各种蛋白质和酶。此间隙与内质网有临时通道，可进行核质物质交换。,3、核周间隙,.,内外核膜的融合之处形成环状开口，称为核孔。核孔并非简单孔洞，而是由核孔复合体（nuclearporecomplex,NPC）构成。,4、核孔复合体,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。,.,核孔复合体“捕鱼笼式结构”,胞质环,核质环,辐,中央栓,核篮,.,胞质环：核质环：辐：包括柱状亚单位（连接胞质、核质环）、腔内亚单位（核孔边缘向核周质）、环带亚单位（向核孔中心）。中央颗粒（塞子）：,中央栓,胞质环,辐,核孔复合体“捕鱼笼式结构”,.,柱状亚单位：位于核孔边缘，连接胞质环与核质环，起到支撑核孔的作用；腔内亚单位：穿过核膜伸入核周间隙，起锚定作用；环状亚单位：在柱状亚单位内侧靠近核孔中央，是核-质交换的通道,辐,.,核质环（nuclearring）：位于核孔复合体结构边缘核质面一侧的孔环状结构,与柱状亚单位相连，在环上也对称分布8条纤维伸向核内，纤维末端形成一个由8个颗粒组成的小环,构成捕鱼笼似的结构，称“核篮”。,胞质环（cytoplasmicring）：位于核孔复合体结构边缘胞质面一侧的环状结构,与柱状亚单位相连，环上对称分布8条短纤维，并伸向细胞质。,.,核纤层广泛分布于高等真核细胞中，在细胞核中编织成纤维网络状，衬于内层核膜下面，在细胞核外与中间纤维相连，构成贯穿于细胞核与细胞质的网架结构体系，整体观呈球形网络，切面观呈片层结构。,5、核纤层,.,二、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，由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA等构成的细丝状复合结构。形态不规则，弥散分布于细胞核内。,染色体（chromosome）：是细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，染色质复制后反复缠绕凝聚而成的条状或棒状结构。,染色质与染色体是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同存在形式。,.,由：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量的RNA组成的无定型复合物。比例：1:1:(1-1.5):0.05。,（一）染色质和染色体的化学组成成分,.,1、DNA,染色质中的DNA是遗传信息的载体。真核细胞每条未复制的染色体均由一条线性DNA分子构成。一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息，叫做基因组（genome）。单一序列和重复序列真核细胞中染色质DNA序列可分为单一序列和重复序列两大类型，重复序列又分为中度重复序列和高度重复序列。,.,单一序列（uniquesequence）：结构基因，在基因组中一般只有单一拷贝或少数几个拷贝。中度重复序列（middlerepetitivesequence）：多数不编码，少数有编码功能，如：组蛋白基因。重复次数在101105之间，序列长度由几百到几千个碱基对（bp）不等。高度重复序列（highlyrepetitivesequence）：长度较短，一般为几个至几十个bp，但重复拷贝数超过105，分布在染色体的端粒、着丝粒区。,.,与染色体形成有关。染色体的基本结构蛋白保守的碱性蛋白五类：H1、H2A、H2B、H3、H4H1：富含赖氨酸，21.5kD。有种属和组织特异性，保守性最小。位于核小体连接部，功能与染色体构建有关。H2A、H2B：含较多赖氨酸，较保守H3、H4：含大量精氨酸，非常保守在细胞合成周期的“S期”与DNA同时合成,2、组蛋白（histone）,.,染色质中除组蛋白以外所有蛋白质的统称。特性：（1）酸性蛋白：含Asn（天冬）、Glu（谷）等，带负电;数量少、种类多，有种属和组织特异性。在整个细胞周期内合成。（2）真核转录调控因子，与基因选择性表达有关；对DNA的结构域起组织作用。,3、非组蛋白,.,组蛋白与非组蛋白的比较,组蛋白非组蛋白碱性蛋白质酸性蛋白质(Asp,Glu)带正电荷带负电荷有五种类型种类繁多（H1、H3、H4、H2A、H2B）（有500多种）在S期合成在整个周期中均能合成抑制DNA的转录促进DNA复制和转录氨基酸序列保守,.,常染色质,异染色质,（二）常染色质与异染色质,间期染色质按其染色特性和形态特征分两类：常染色质和异染色质。,.,常染色质enchromatin（伸展染色质、功能性染色质）：无明显螺旋和盘曲、染色浅、功能上活跃。多在S期的早、中期复制。,.,异染色质是间期核中处于功能惰性呈凝缩状态染色质纤维无转录活性，用碱性染料染色时着色较深的染色质组分。多位于核周近核膜处。,.,结构异染色质：在所有细胞类型及各发育阶段中均处于凝集状态。兼性异染色质：是在某些细胞类型或一定的发育阶段，原有的常染色质凝聚并丧失转录活性后转变而成的异染色质，可转化为常染色质。,.,X染色质,X染色质数目X染色体数1,.,（二）常染色质与异染色质,.,人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.72.0m。,nucleosomes(10nm),condensedform(30nm),（三）染色质组装成染色体,.,（三）染色质组装成染色体,1、核小体是染色体的基本结构单位核小体：染色体组装的一级结构200bpDNA+组蛋白八聚体将DNA分子长度压缩了约7倍,.,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：5060bp,染色体的一级结构核小体,.,29,30nm和11nm染色质纤维,.,2、核小体进一步螺旋形成螺线管,螺旋管是在组蛋白H1协助下，6个核小体缠绕一圈形成的中空性管.外30nm;内10nm,组蛋白H1位于螺旋管内侧。将串珠状小体长度压缩了约6倍；,内10nm,组蛋白,.,DNA,H1,组蛋白八聚体,螺线管顶面观（直径30nm）,螺线管侧面观,.,3、螺线管的进一步包装,多级螺旋化模型（multiplecoilingmodel）一级结构核小体；二级结构螺线管；三级结构超螺线管（supersolenoid）：由螺线管进一步螺旋化形成的圆筒状结构；四级结构染色单体（chromatid）：超螺线管进一步螺旋折叠形成。,CellNucleus,关于螺线管如何进一步包装成染色体，目前有两种模型：多级螺旋化模型和染色体骨架-放射环模型。,.,多级螺旋化模型超螺旋管为染色质的三级结构，它是由螺旋管进一步盘曲而形成。将螺旋管长度压缩了40倍。四级结构：染色单体,超螺旋管进一步折叠又被压缩了5倍。,3、螺线管的进一步包装,.,染色质组装的多级螺旋化模型,CellNucleus,.,CellNucleus,(三)螺线管的进一步包装,螺线管以后的高级结构由30nm染色质纤维折叠成的袢环构成。袢环沿染色体纵轴由中央向周围伸出，形成放射环；每18个袢环呈放射状排列形成微带（miniband），微带是染色质高级结构的组成单位；约106个徽带沿纵轴排列形成染色单体。,.,在染色体中有一个由非组蛋白构成的纤维网架称为染色体支架直径30nm的螺线管一端与支架结合，另一端向周围呈环状迂回后再回到结合处，形成的环状结构称为袢环(每个袢环包含核小体315个）,袢环（由30nm螺旋管构成）,18个袢环沿染色体的纵轴由中央向四周伸出，形成放射环，称为微带。,染色体支架（非组蛋白）,袢环,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,微带,一条染色单体约有106个微带。,.,(染色体纵轴或支架),示染色质袢环,(染色体纵轴或支架),示染色质袢环,.,伸展的袢环,.,三、核仁（nucleolus）,核仁：真核细胞间期细胞核中最明显的结构，光镜下为均匀、海绵状的球体。数目：一般12个，有时多达35个。位置与大小：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，常趋向核的边缘。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。,.,（一）核仁的化学组成,核仁的化学成分主要为蛋白质，RNA和DNA。蛋白质为核仁的主要成分，占核仁干重的80%，如核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白、DNA蛋白酶、RNA蛋白酶、ATP酶等多种酶系。RNA，约占干重的10%，多与蛋白质结合以核蛋白形式存在。DNA占核仁干重的8%。,.,超微结构：海绵状核仁染色质纤维成分颗粒成分核仁基质,CellNucleus,（二）核仁的结构,.,43,核仁的结构,（1）纤维成分核仁中央。由蛋白和rRNA所构成，交织成海绵状。（2）颗粒成分核仁外围。由纤维转变而来。是核糖体亚基的前体。,.,44,（3）核仁染色质,核仁周围染色质（异染质为主）核仁内染色质（常染质为主）含rDNA，为核仁组织者。,.,45,核仁内染色质含rDNA,*rDNA载有多个rRNA基因。*多拷贝基因、串连排列，重复序列*转录rRNA，核仁形成的关键。*称核仁组织区（NOR）nucleolarorganizerregion，,.,核膜,核仁,含有rDNA的10个伸展的间期染色体袢环进入核仁中,机械剪切,分离的含有不完整染色体袢环的核仁,rDNA是染色体上伸展出的DNA袢环，每一个袢环称为一个核仁组织者。人类rRNA基因位于5条染色体上，即13、14、15、21、22号染色体。,核仁内染色质含rDNA,.,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，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,.,49,2.核仁的功能,*（1）核仁是rRNA基因转录和加工的场所*（2）核仁是核糖体亚基装配的场所问题：在细胞分裂时，核仁为何会消失？,.,50,（1）核仁是rRNA基因转录和加工的场所,当细胞需要时，NOR可利用多拷贝的rRNA基因大量转录45S的rRNA分子。45SrRNA是核糖体所需RNA的前体，要经过剪切加工成28S、18S、5.8SrRNA。核糖体所需的5SrRNA的基因不在NOR。,.,CellNucleus,(1)核仁是rRNA基因转录和加工的场所,.,（2）核仁是核糖体亚基装配的场所,CellNucleus,.,核糖体大、小亚基的组装,.,四、核仁周期,核仁周期（nucleolarcycle）：在进行有丝分裂的细胞中，核仁出现一系列结构与功能的周期性变化。核仁的周期性变化：前期：核仁变小，染色质凝集，RNA合成停止；中期和后期：核仁消失；末期：rRNA重新开始合成，形成小核仁；极小的核仁进一步合并最终形成核仁。,CellNucleus,.,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