细胞核讲课用

1、第八章 细胞核,Cell nucleus,教学目的和要求,1.掌握核被摸、核孔复合体的化学组成、结构模型及功能 2.掌握染色质与染色体的概念、化学组成、构建过程及染色体的形态结构 3.掌握核仁的形态结构和功能，核纤层的结构与功能，核骨架的化学构成及功能 4.了解细胞的核型与染色体带型，细胞核与疾病的关系,本章内容包括,第一节 核膜 第二节 染色质与染色体 第三节 核仁 第四节 核骨架 第五节 细胞核的功能 第六节 细胞核与疾病,细胞核的一般特征,细胞核是真核细胞最重要的细胞器，是细胞生命活动的控制中心，是真核细胞与原核细胞最大的区别 1.数量：绝大多数种类细胞1个，肝细胞、心肌细胞可有2个，破

2、骨细胞650个，骨骼肌几百个。 2.大小：高等动物细胞核的直径常在510m，大小随细胞的类型及生理状态而异。 3.形态：细胞核的形状与细胞的形状及发育时期有关，多为圆形或椭圆形，粒细胞分叶核，单核细胞马蹄形核。 4.结构：间期核的结构包括核膜、核仁、染色质及核基质。 5.动态变化：细胞核的结构随细胞周期进程发生周期性变化,第一节 核膜,一、核膜的化学成分 二、核膜的结构与区域化作用 三、核孔复合体与核-质间的物质运输 四、核纤层的结构与功能,一、核膜的化学组成,核膜的化学成分主要为蛋白质和脂类，所含的酶类和脂类与内质网相似。 （一）蛋白质 1.含量：约占65%75% 2.种类：20多种蛋白质，

3、包括组蛋白、基因表达调节蛋白、DNA和RNA聚合酶、RNA酶以及电子传递有关的酶类等。 （二）脂类 卵磷脂（磷脂酰胆碱）和脑磷脂（磷脂酰乙醇胺）含量低；胆固醇和甘油三酯含量高,二、核膜的结构与区域化作用,一）核膜的结构 1.外核膜：与粗面内质网相延续，胞质面附着核糖体以及与核定位有关的微管和中间纤维。 2.内核膜：与外核膜在核孔位置相延续，核质面有核纤层。 3.核间隙：内外膜之间的腔隙，与内质网腔相通；充满液态不定形物，含多种蛋白质和酶。 4.核孔：内外膜融合处的孔（复合体），一个哺乳动物细胞有30004000个核孔,细胞核的超微立体模式图,Return to page 8,The nucle

4、ar envelope,超微结构，切面图,冷冻断裂法制备的核被膜，显示核孔复合体,三、核孔复合体与核-质间的物质运输,一）核孔复合体的结构 1.胞质环 (cytoplasmic ring) ：胞质面环状结构，相连8条蛋白纤维伸向胞质。 2.核质环 (nuclear ring)：核质面环状结构，相连8条蛋白纤维伸向核质，末端形成核蓝。 3.辐(spoke)：包括柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位。 4.中央拴 (central plug)：可能是被运输的物质,核孔复合体,1)胞质环 (cytoplasmic ring) (2)核质环 (nuclear ring) (3)辐(spoke) (4)中

5、央拴 (central plug,其它成分被抽提后核孔复合体胞质面（A）与核质面（B）的结构,A,B,二）核孔复合体的物质运输功能 核孔复合体是核内外物质交换的主要通道。不同物质可通过被动运输和主动运输出入核膜。 1.被动运输：无机离子（如K+、Cl-、Ca2+、Mg2+）和小分子物质（如单糖、氨基酸等） 2.主动运输：大分子物质（如RNA、蛋白质），是一个信号识别与载体介导的耗能过程,3.亲核蛋白入核转运 亲核蛋白（karyophilic protein）：在细胞质内合成、在细胞核内发挥功能的一类蛋白质。 转运条件： 胞质中有核转运受体（入核素），它可以与亲核蛋白及核孔复合体结合。 核内有R

6、anGTP酶，它是G-蛋白，能水解GTP提供能量，核转运受体，使其释放亲核蛋白至核内。 亲核蛋白有核定位信号（nuclear localization signal, NLS），对亲核蛋白的转运起引导作用,二）核膜的功能 1.区域化作用：使遗传物质处于更稳定的环境，得到更有效的保护。 2.合成生物大分子：核外膜上的核糖体是合成蛋白质的场所。 3.控制核内外物质和信息交流： （1）对不能自由出入核内的物质起到屏障作用； （2）核孔复合体可选择性的运输核糖体蛋白、RAN等大分子物质； （3）核膜受体有调控基因表达的作用,四、核纤层的结构与功能,一）核纤层的结构 衬于内核膜的核蛋白纤维网，属中间纤维

7、。 脊椎动物细胞中有核纤层蛋白A、B、C三类，哺乳动物和鸟类细胞中有核纤层蛋白A、B 核纤层蛋白A：仅见于分化细胞 核纤层蛋白B：存在于所有体细胞,二）核纤层的功能 1.在细胞核中起支架作用，维持核的轮廓； 2.连接细胞质骨架和核骨架，是细胞骨架系统的一部分； 3.细胞周期中参与核膜解体与重建（通过磷酸化与去磷酸化）； 4.为染色质提供锚定位点，与DNA解旋和染色质凝集有关,第二节 染色质和染色体,一 、染色质与染色体的主要化学成分 二、常染色质与异染色质 三、染色质组装成染色体 四、染色体的形态特征 五、染色体的核型和带型,概述,染色质（chromatin）：是间期细胞遗传物质的存在形式，由

8、DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA构成的细丝状结构，弥散分布于细胞核内。 染色体（chromosome）：是细胞分裂过程中遗传物质的存在形式，是染色质反复缠绕凝集而成的棒状或粒状结构。 染色质和染色体是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同存在形式,一 、染色质的组成成分,一）DNA 1.遗传信息的携带者，永久性成分，含量稳定。一条复制后的染色体含有2个DNA分子。 2.染色质DNA有三个重要功能序列 （1）端粒DNA序列：保持染色体结构稳定 （2）着丝粒DNA序列：确保细胞分裂中染色体能平均分配到子细胞中去。 （3）自主复制DNA(复制源）序列：是DNA复制起始点，确保染色体在细胞周期中能够自我

9、复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性,Three key regions of a chromosome,二）组蛋白（histone） 1.特性 （1）基本结构成分，含量稳定； （2）富含Arg和Lys的碱性蛋白质，带正电荷； （3）与DNA非特异性结合，有降低DNA转录活性的作用。 2.类别 （1） H1：有种属和组织特异性，位于核小体连接部，功能与染色体构建有关。 （2）H2A，H2B，H3和H4：构成核小体核心，进化上高度保守，无种属及组织特异性,三）非组蛋白 1.概念：除组蛋白之外的染色质蛋白的总称。 2.特性： （1）为酸性蛋白质，数量少，种类多（500多种），具有种属特异性和组

10、织特异性。 （2）与DNA特定序列特异性结合，调控基因转录与表达，基因表达活跃的组织非组蛋白含量高。 （四）RNA 是否为固定组份尚有争论,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(euchromatin)和异染色质(heterochromatin,常染色质,异染色质,异染色质的类型： 1.结构异染色质(constitutive heterochromatin) ：在所有类型细胞和各个发育阶段均呈异染色质状态凝集状态，是异染色质的主要类型。 2.兼性异染色质(facultative heterochromatin)：只在某些类型细胞和一定发育阶段呈现异染色质状态

11、，可转化为常染色质,三、染色质组装成染色体,多级螺旋结构模型： 1.染色体的一级结构核小体(nucleosome) 成分与结构,核小体,核心部 连接部,H2A、H2B、H3、H4 (各2分子) 146 bp DNA H1（1分子） 60 bp DNA,2. 染色质的二级结构螺线管(solenoid) : 核小体串绕成的管状结构，每圈有6个核小体，螺距11nm，外径30 nm，内径10 nm。 3.染色质的三级结构超螺线管(supersolenoid): 螺线管进一步螺旋化成外径400 nm的超螺线管。 4.染色质的四级结构染色单体(chromatid): 超螺线管经复杂折叠成染色单体,染色体形

12、成过程图解,由核小体装配成螺线管的装配过程,染色体结构的多级螺旋结构模型,四、染色体的形态结构,染色单体(chromatid)与姐妹染色单体 主缢痕(primary constriction) 染色体臂(arm) 着丝粒(centromere)与染色体的分类 动粒(kinetochore)与染色体移动 次缢痕(secondary constriction) 随体(satellite) 端粒(telomere,一）染色单体(chromatid)与染色体臂(arm) （二）着丝粒区的相关形态结构 1.主缢痕(primary constriction)：每条染色体的着丝粒部位的狭窄缢痕。 2.着丝粒

13、(centromere)：位于染色体主缢痕中心部位，由高度重复的异染色质构成，其位置是染色体分类的重要依据： （1）中着丝粒染色体 （2）亚中着丝粒染色体 （3）近端着丝粒染色体 （4）端着丝粒染色体,3.动粒(kinetochore)：位于着丝粒两侧的特化的圆盘状结构，由蛋白质构成，是纺锤丝微管的附着部位，参与细胞分裂后期染色体向两极的迁移。 4.着丝粒-动粒复合体：是位于着丝粒-动粒区域的高度有序的整合结构，有三个结构与功能结构域。 （1）动粒结构域(kinetochore domain)：位于着丝粒表面，是纺锤丝附着的结构 （2）中央结构域(central domain)：是着丝粒区的主

14、题，对复合体结构与功能有重要作用 （3）配对结构域(pairing domain)：姐妹染色单体连接部位，与姐妹染色单体分离有关,Three domains of centromere region,三）次缢痕 次缢痕(secondary constriction)是染色体上除主缢痕之外的缢缩部位，其位置和数量可作鉴别染色体的标记。并非所有染色体都有次缢痕。 （四）随体 随体(satellite)是位于染色体末端与次缢痕连接的球形或棒状结构，主要由异染色质构成,五）端粒 1.端粒(telomere)是染色体两端的特化部位； 2.DNA为富含鸟嘌呤核苷酸的重复序列； 3.维持染色体的完整性和稳定

15、性，与细胞增殖能力相关；参与染色体在核内的空间排布及同源染色体配对,用含TTAGGG序列的DNA探针进行荧光原位杂交显示人染色体端粒,六）核仁组织区 核仁组织区(nucleolar organizer region, NOR)是染色体上参与核仁形成的区域，是含有rRNA基因的染色体区域。 人染色体中13，14，15和21，22号染色体有核仁组织区，表现为恒定的次缢痕,How a nucleolus is organized,五、染色体核型与带型,1. 核型(karyotype) ：一个物种所特有的染色体数目和每条染色体所特有的形态（包括染色体长度、着丝粒位置、次缢痕的数目及位置、常染色质和异染

16、色质的分布等）特征叫做核型。 人的正常核型是46，XX和46，XY 2.带型(band pattern)：染色体经显带处理和染色后显示出的带纹特征（带的数量和分布格局）称为带型。 用不同的显带技术显示不同的带纹和带型,非显带核型与显带核型,第三节 核仁,一、光镜下的一般特性与化学组成 二、核仁的超微结构 三、核仁的功能 四、核仁周期,一、光镜下的一般特性与化学组成 1.无包膜的球形小体，染色较深，形态、大小及数目在细胞周期的不同时期变化很大。 2.含蛋白质(80%), RNA, DNA, 脂类。 二、核仁的超微结构 1.核仁染色质：rDNA(rRNA基因)，核仁组织区(NOR) 2.纤维成分：

17、由蛋白质和RNA构成的纤维交织成海绵状网架。 3.颗粒成分：由蛋白质和RNA构成的颗粒分布于网架之间； 4.核仁基质：无定形的蛋白基质,How a nucleolus is organized,三、核仁的功能 1.合成、加工rRNArRNA的初始转录产物是45S的rRNA，经过加工修饰，最终形成5.8S、18S、28SrRNA,2.装配核糖体亚单位 rRNA与核糖体蛋白在核仁内组装成核糖体的大小亚基,大亚基(60S,28S rRNA 5.8S rRNA 5S rRNA来自核仁外DNA 49种蛋白质,来自核仁,小亚基(40S,18S rRNA来自核仁 33种蛋白质,四、核仁周期 核仁是一种动态结

18、构, 细胞周期中核仁形态结构的周期性变化称为核仁周期。 核仁的周期性变化： 前期：核仁解体，RNA合成停止 中期和后期：无核仁 末期：rRNA重新开始合成，核仁逐渐形成,第四节 核骨架,一、核骨架的定义、成分与结构 1.定义：核骨架(nuclear scafflod)也称核基质(nuclear matrix)，是指细胞核中除核被膜、染色质和核仁以外的物质与结构。 2.成分：核基质蛋白，核基质结合蛋白，少量RNA 3.结构：直径34 nm的纤维或核糖核蛋白复合体，与核纤层、核孔复合体及胞质骨架相联系,二、核骨架的功能,1.作为DNA复制的支撑结构，DNA复制过程中酶（DNA聚合酶，拓扑异构酶等）与模板均需附着在核骨架上； 2.基因复制与转录的场所； 3.参与染色体和核的构建,第五节 细胞核的功能,一、遗传信息的贮存 真核细胞遗传信息的贮存状态有两个特点： 1.与蛋白质结合成染色体； 2.由核膜包裹在核内。 二、遗传信息的复制 1.在核膜内复制 2.一个分子有多个复制起始点 3.复制过程有解旋酶、拓扑异构酶、引物酶、聚合酶、连接酶、端粒酶等多种酶和多种蛋白因子参与,三、遗传信息的转录,1.转录是RNA分子的合成方式和遗传信息的传递方式。 2.转录出mRN