细胞生物学：第十一章 细胞核与染色体

1、第十一章第十一章 细胞核与染色体细胞核与染色体 1781年 Trontana发现于鱼类细胞； 1831年，Brown发现于植物。 大小：植物14m，动物10m。正常细胞核质比NP0.5，分裂期细胞NP0.5，衰老细胞NP0.5。 NP =Vc-VnVn概概 述述 形状：圆形，胚乳 (网状）、蝶类丝腺 (分支状)。 位置：细胞中央 ，成熟植物细胞的边缘。 数目：通常一个，成熟的筛管和哺乳动物红细胞（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2）、破骨细胞(650）、骨骼肌细胞(数百）、植物毡绒层细胞(24)。3.是细胞生命活动的调控中心是细胞生命活动的调控中心细胞核最基本的功能细胞核最基本的功能1.贮存遗传信

2、息（贮存遗传信息（DNADNA）2.复制、转录遗传信息并指导蛋白复制、转录遗传信息并指导蛋白 质合成质合成细胞核最基本的基本结构细胞核最基本的基本结构核被膜核被膜（nuclear envelope)染色质染色质（chromatin)核核 仁仁（nucleolus)核基质核基质（nuclear matrix)或核骨架或核骨架（nuclear skeleton)间期核间期核第一节第一节 核被膜与核孔复合物核被膜与核孔复合物一、核被膜的结构一、核被膜的结构外核膜外核膜（outer nuclear membrane)内核膜内核膜（inner nuclear membrane)核周间隙核周间隙（peri

3、nuclear space)核核 孔孔（nuclear pores)核纤层核纤层（nuclear lamina)典型的细胞核横切图典型的细胞核横切图（一）内外层核膜（一）内外层核膜（二）核周间隙（二）核周间隙 一般来说，合成功能旺盛的细胞，核一般来说，合成功能旺盛的细胞，核孔数目较多（其数量主要是与细胞核的转孔数目较多（其数量主要是与细胞核的转录水平有关，密度大约录水平有关，密度大约35356565个个/m/m2 2）（三）核（三）核 孔孔核核 孔孔核孔复合体核孔复合体 核孔是由一组蛋白质颗粒和核孔是由一组蛋白质颗粒和纤维物质以特定方式排列形成的纤维物质以特定方式排列形成的复合结构，称为核孔复

4、合体。复合结构，称为核孔复合体。(nuclear pore complex)组成组成孔环颗粒：孔环颗粒：8 8对，位于核孔周围、对，位于核孔周围、 内外核膜的周缘，呈辐射状内外核膜的周缘，呈辐射状 排列排列周边颗粒：周边颗粒：8 8个，位于两层膜的个，位于两层膜的 交界处，通过纤丝与相对的交界处，通过纤丝与相对的 内外孔环颗粒相连内外孔环颗粒相连中央颗粒：中央颗粒：1个，在核孔的中央，个，在核孔的中央， 以细纤丝与孔环颗粒相连以细纤丝与孔环颗粒相连细细 纤纤 丝：连接各种颗粒并组成丝：连接各种颗粒并组成 网状结构网状结构核被膜中核孔复合体的排列模式图核被膜中核孔复合体的排列模式图核孔复合体模型

5、核孔复合体模型(四）核四）核 纤纤 层层1 1、组成、组成 核纤层是真核细胞中紧贴内层核纤层是真核细胞中紧贴内层核膜内表面、由核膜内表面、由1amin A1amin A、 laminlamin B B、 laminlamin C C三种多肽组成的纤维三种多肽组成的纤维网状结构；属于中间纤维蛋白，与网状结构；属于中间纤维蛋白，与中间纤维、核骨架相连。中间纤维、核骨架相连。（nuclear lamina)核纤层蛋白与核内膜及染色质的关系图解核纤层蛋白与核内膜及染色质的关系图解2、核纤层的功能：、核纤层的功能：1 1）支持和固定核膜，稳定核的形状支持和固定核膜，稳定核的形状2）对染色质的有序排列起一

6、定作用对染色质的有序排列起一定作用在细胞有丝分裂前期，核纤层蛋白在细胞有丝分裂前期，核纤层蛋白磷酸化，核纤层蛋白解聚成单体，磷酸化，核纤层蛋白解聚成单体，导致核膜崩解、破裂；末期：核纤导致核膜崩解、破裂；末期：核纤层蛋白去磷酸化，使核膜重建层蛋白去磷酸化，使核膜重建3）参与核膜的解体和重建参与核膜的解体和重建lamin 磷酸化磷酸化lamin解聚解聚核膜崩解核膜崩解 1amin 去磷酸化去磷酸化lamin聚合聚合核膜重建核膜重建二、核膜的功能二、核膜的功能（一）（一）区域化作用区域化作用维持内环境相对稳定；维持内环境相对稳定；DNADNA复制、复制、转录与蛋白合成有时空间隔，对真转录与蛋白合成

7、有时空间隔，对真核细胞的进一步演化具有重要意义核细胞的进一步演化具有重要意义。（二）（二）维持核的形态维持核的形态（三）（三） 某些生物合成功能某些生物合成功能（四）（四） 核质之间的物质运输核质之间的物质运输1、被动扩散：无机离子和小分子物质被动扩散：无机离子和小分子物质 可以自由通过核膜可以自由通过核膜2、大分子物质通过核孔复合体的主动大分子物质通过核孔复合体的主动 运输运输1) 亲核蛋白质的核输入亲核蛋白质的核输入亲核蛋白质亲核蛋白质（karyophilic protein) ) 在细胞质中合成，运到核内执行功在细胞质中合成，运到核内执行功能的蛋白质。如能的蛋白质。如DNADNA聚合酶、

8、聚合酶、RNARNA聚合聚合酶、组蛋白、核糖体蛋白等。酶、组蛋白、核糖体蛋白等。通过核孔摄取蛋白示意图通过核孔摄取蛋白示意图核孔复合体有效通道的大小是可被调节的，蛋白质的核孔复合体有效通道的大小是可被调节的，蛋白质的核输入具有选择性，核定位信号在核蛋白尾部结构域核输入具有选择性，核定位信号在核蛋白尾部结构域. .核定位信号(nuclear localization signal,NLS)由4-8个AA构成的短肽,富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸、脯氨酸.可在蛋白质的任何部分,不同的亲核蛋白质有差异. 核孔复合体的主动运输是一种核孔复合体的主动运输是一种载体介导的过程，是通过一些能和载体介导的过程，

9、是通过一些能和NLSNLS特异性结合的蛋白特异性结合的蛋白(NLS-binding protein, NBP)来完成的。来完成的。NBP在被在被转运的亲核蛋白质与核孔复合体运转运的亲核蛋白质与核孔复合体运输装置之间作为一种接头分子而起输装置之间作为一种接头分子而起作用。作用。NBP的作用方式的作用方式 NBP本身是核孔复合体的组分之一本身是核孔复合体的组分之一 结合亲核蛋白质直接转运到核内；结合亲核蛋白质直接转运到核内；NBP作为一种停泊受体作为一种停泊受体, ,在细胞质内与在细胞质内与 NLS结合，然后把亲核蛋白质运输到核结合，然后把亲核蛋白质运输到核 孔复合体再向核内转运；孔复合体再向核内

10、转运；NBP作为一种穿梭受体，在细胞质内与作为一种穿梭受体，在细胞质内与 亲核蛋白质结合，一起穿过核孔复合体，亲核蛋白质结合，一起穿过核孔复合体， 在核内解离，然后再返回细胞质。在核内解离，然后再返回细胞质。2 2）RNARNA及核糖体亚基的核输出及核糖体亚基的核输出胶体金颗粒胶体金颗粒tRNA或或5SrRNA注入注入蛙卵核内蛙卵核内细胞质细胞质第二节第二节 染色质染色质Chromatin 由由DNA、组蛋白、非组蛋白、组蛋白、非组蛋白及及RNA等组成的核蛋白复合体，等组成的核蛋白复合体，是遗传信息的载体。是同一种物质是遗传信息的载体。是同一种物质在细胞周期的不同时期中所表现的在细胞周期的不同

11、时期中所表现的两种不同的存在方式。两种不同的存在方式。 概概 念念一、染色质的类型一、染色质的类型 常染色质常染色质 （euchromatin) 异染色质异染色质（herterchromatin) 结构异染色质结构异染色质（constitutive heterochromatin) 兼性异染色质兼性异染色质（facultative heterochromatin)常、异染色质的区别常、异染色质的区别 常染色质常染色质 异染色质异染色质螺旋化程度螺旋化程度低低高高染染 色色 较浅较浅较深较深间间 期期核中央核中央核边缘核边缘分裂期分裂期染色体臂染色体臂着丝粒区和端粒区着丝粒区和端粒区活活 性性常

12、转录常转录很少转录很少转录复制时间复制时间S 早期早期S 晚期晚期二、染色质的化学组成二、染色质的化学组成核核 酸酸蛋白质蛋白质成成 分分DNADNARNARNA组蛋白组蛋白 非组蛋白非组蛋白所占比例所占比例1 10.05-0.10.05-0.11 10.5-1.50.5-1.5( (一一) DNA) DNA结构类型结构类型单一序列单一序列（unique seq.) (60%-65%)中度重复序列中度重复序列（middle repetitive seq.) (15%-20%)高度重复序列高度重复序列（highly repetitive seq.) (10%-25%) 注：每一条染色体中一般只含

13、注：每一条染色体中一般只含1 1个个DNADNA 分子，分子，DNADNA分子带负电。分子带负电。（二）（二） 组蛋白组蛋白 组蛋白是真核细胞染色质的主要组蛋白是真核细胞染色质的主要结构蛋白，富含带正电荷的精氨酸结构蛋白，富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸，属碱性蛋白质。和赖氨酸，属碱性蛋白质。组蛋白的化学修饰组蛋白的化学修饰 乙酰化：可改变赖氨酸所带的电荷，降乙酰化：可改变赖氨酸所带的电荷，降 低组蛋白与低组蛋白与DNADNA的结合，的结合，有利有利 于转录于转录的进行。的进行。 磷酸化：同乙酰化磷酸化：同乙酰化 甲基化：可增强组蛋白和甲基化：可增强组蛋白和DNADNA的相互作的相互作 用，用，降

14、低降低DNADNA的转录活性的转录活性组蛋白的分类及特性组蛋白的分类及特性 种类种类赖氨酸赖氨酸/ /精氨酸精氨酸残基数残基数分子量分子量 (kD(kD) )保守性保守性存在部位存在部位及结构作用及结构作用H1存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体存在于核心颗粒，形成核小体29.0021523.0低低高高高高极高极高极高极高H2AH2BH3H41.2212914.02.6612513.60.7713515.30.7910211.3存在于连接线上，锁定核

15、小体存在于连接线上，锁定核小体及参与高一层次的包装及参与高一层次的包装 （三）非组蛋白（三）非组蛋白 酸性蛋白质，带负电荷酸性蛋白质，带负电荷, ,富含富含 天门冬天门冬AAAA，谷，谷AAAA等酸性等酸性AAAA 数量少，种类多数量少，种类多 具有种属和组织特异性具有种属和组织特异性 整个周期都能合成整个周期都能合成 特性特性非组蛋白的功能非组蛋白的功能 参与构建染色体参与构建染色体 启动基因的复制启动基因的复制 调控基因的转录调控基因的转录 组蛋白与非组蛋白的比较 非组蛋白 组蛋白 有种属和组织细胞特异性 无特异性 活动的染色质中 含量最高 含量恒定 整个细胞周期中都可以合成 在 S 期合

16、成 与 DNA 结合对基因表达有正调控作用 与 DNA 结合有抑制 基因表达的作用 三、染色质的结构与包装三、染色质的结构与包装是构成染色质的基本结构单是构成染色质的基本结构单位。位。核小体模型（核小体模型（10-12nm）：）： 核心颗粒：核心颗粒：组蛋白八聚体及 周围缠绕的1.75圈DNA（约146bp)。H1：锁住DNA进出口，稳定核小体的结构。Linker DNA： 连结DNA(约60bp）。 （一）（一）核小体核小体（nucleosome） 一级结构一级结构 核小体模型图解核小体模型图解（二）染色质的四级结构模型（二）染色质的四级结构模型1. 螺线管模型（螺线管模型（30 nm)（二

17、级结构）（二级结构） 由核小体构成的染色质细丝再螺旋由核小体构成的染色质细丝再螺旋化，形成中空的螺线管，每个螺旋内化，形成中空的螺线管，每个螺旋内含含6个核小体。个核小体。螺线管模型螺线管模型顶面观顶面观侧面观侧面观2. 2. 超螺线管超螺线管（三级结构）（三级结构）3. 3. 染色单体染色单体（四级结构）（四级结构） 以上即染色体以上即染色体的组装过程，均的组装过程，均以螺旋方式实现以螺旋方式实现，总称为多级螺，总称为多级螺旋模型。旋模型。染色质的袢环结构模型染色质的袢环结构模型 (loop model)染色体包装的染色体包装的“袢袢环环”结构模型示意图结构模型示意图第三节、染色体第三节、染

18、色体人染色体图谱人染色体图谱（一）中期染色体的形态和结构（一）中期染色体的形态和结构 （metaphase chromosome）中期染色体模式图中期染色体模式图着丝粒与动粒的模式图着丝粒与动粒的模式图 染色体端部特化部位，由端粒染色体端部特化部位，由端粒DNADNA和端粒蛋白构成。和端粒蛋白构成。 功能：功能： 1. 1. 维持染色体结构稳定维持染色体结构稳定 2. 2. 保证染色体保证染色体DNADNA的完全复制的完全复制 3. 3. 参与染色体在核内定位参与染色体在核内定位端粒端粒（telomere）随随 体体随体柄部凹陷随体柄部凹陷缩窄的次级缢缩窄的次级缢痕与核仁的形痕与核仁的形成有关

19、，称为成有关，称为核仁组织区核仁组织区/形形成区（成区（NOR)染色体染色体DNADNA的的3 3种功能性元件种功能性元件 自主复制自主复制DNA序列序列 确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性。 着丝粒着丝粒DNA序列序列 使细胞分裂时已完成复制的染色体能平均分配到子细胞中。 端粒端粒DNA序列序列 两个端粒序列，保持染色体的独立性和完整性,由端粒酶（具有逆转录酶活性）参与合成。 （二）染色体的类型（二）染色体的类型中着丝粒染色体中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体端着丝粒染色体端着丝粒染色体近端着丝粒染色体近端着丝粒染色体人类染色体的三种类型人类染

20、色体的三种类型染色体的四种类型图解染色体的四种类型图解 染色体经过一定处理，并用特定染染色体经过一定处理，并用特定染料染色后，其长轴显现出明暗或深浅相料染色后，其长轴显现出明暗或深浅相间的横行带纹。间的横行带纹。 （三）（三）核型核型（karyotype） 指体细胞中的全部染色体组成，包指体细胞中的全部染色体组成，包括染色体的数目、大小、结构等特点。括染色体的数目、大小、结构等特点。显带技术：显带技术：显带显带技术技术整条显带整条显带局部显带局部显带Q带：喹吖因或荧光染料带：喹吖因或荧光染料G带：带：G染色染色R带：带：Q、G反带反带高分辨带高分辨带C带：着丝粒等区的异带：着丝粒等区的异 染色

21、质染色质T带：端粒带：端粒N带：带：NOR区酸性蛋白区酸性蛋白第四节第四节 核核 仁仁（nucleolus) 真核细胞才有的结构，为非膜性结真核细胞才有的结构，为非膜性结构。核仁的形状、大小、数目依生物构。核仁的形状、大小、数目依生物的种类、细胞的形状和生理状态而异的种类、细胞的形状和生理状态而异. .光镜下：核仁呈均质海绵状结构，其光镜下：核仁呈均质海绵状结构，其数目、大小与细胞的蛋白质代谢活跃数目、大小与细胞的蛋白质代谢活跃程度有关。常有核仁边集现象。程度有关。常有核仁边集现象。 概概 述述一、核仁的化学组成一、核仁的化学组成蛋白质：蛋白质：约占干重的约占干重的80%，如核糖体蛋，如核糖体

22、蛋白白 组蛋白、非组蛋白及多种酶类组蛋白、非组蛋白及多种酶类RNA : 约占干重的约占干重的10%，蛋白质合成，蛋白质合成 旺盛的细胞，旺盛的细胞，RNA含量高含量高DNA : 占占8%，主要存在于核仁细胞相，主要存在于核仁细胞相 随染色质中随染色质中二、核仁的结构二、核仁的结构光镜：核仁通常是匀质的球体，具较光镜：核仁通常是匀质的球体，具较 强的折光性，易被酸性或碱性强的折光性，易被酸性或碱性 染料着色染料着色电镜：核仁裸露无膜、由纤维丝构成，电镜：核仁裸露无膜、由纤维丝构成， 组分：纤维成分、颗粒成分、组分：纤维成分、颗粒成分、 核仁相随染色质和核仁基质核仁相随染色质和核仁基质核仁的结构及

23、其与染色体的关系模式图核仁的结构及其与染色体的关系模式图核仁结构核仁结构纤维成分纤维成分颗粒成分颗粒成分核仁相随染色质核仁相随染色质核仁周围染色质核仁周围染色质核仁内染色质核仁内染色质（或核仁组织区）（或核仁组织区）核仁基质核仁基质 核仁形态核仁形态 纤维中心纤维中心(fibrillar(fibrillar centers centers，FC)FC)：是被致密纤维包围的一个或几个低电子密度的圆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形结构主要成分为RNARNA聚合酶和聚合酶和rDNArDNA，这些，这些rDNArDNA是裸露的分子。是裸露的分子。 致密纤维组分致密纤维组分(

24、 (dense fibrillardense fibrillar component component DFC) DFC)：呈环形或半月形包围呈环形或半月形包围FCFC，由致密的纤维构成，是，由致密的纤维构成，是新合成的新合成的RNPRNP，转录主要发生在转录主要发生在FCFC与与DFCDFC的交界处的交界处 颗粒组分颗粒组分(granular component(granular component，GC)GC)：由直径由直径15-20 nm15-20 nm的颗粒构成，是不同加工阶段的的颗粒构成，是不同加工阶段的RNPRNP。三、核仁的形成三、核仁的形成 核仁随细胞的周期性变化而变化，核仁

25、随细胞的周期性变化而变化， 而而核仁染色体的凝集（前期核仁染色体的凝集（前期- -中期）与中期）与解凝集（末期），决定核仁的消失和解凝集（末期），决定核仁的消失和重现。重现。 细胞内特定染色体次缢痕处，含细胞内特定染色体次缢痕处，含有主要有主要rRNA(18SrRNA(18S、28S28S、8S rRNA8S rRNA) )基因基因的染色体区段，存在于有随体的的染色体区段，存在于有随体的染色体上。染色体上。核仁组织区核仁组织区 在人类则是第在人类则是第1313、1414、1515、2121、2222号号5对染色体，对染色体，这这5 5对染色体属于核对染色体属于核仁染色体。仁染色体。包含有包含有

26、rRNA基因的人细胞中基因的人细胞中10个核仁染色体上的个核仁染色体上的袢环延伸入核仁，形成核仁中的袢环延伸入核仁，形成核仁中的DNA袢环示意图袢环示意图四、核仁的功能四、核仁的功能 核仁是合成、加工核仁是合成、加工rRNA和装配核和装配核糖体亚基的重要场所糖体亚基的重要场所（一）（一）rRNArRNA合成和加工合成和加工1.1.定位在核仁组织区（定位在核仁组织区（NORNOR）的）的rDNArDNA呈串状呈串状 重复排列（中度重复顺序）重复排列（中度重复顺序）18SrRNA28SrRNA5.8SrRNA2.rDNA转录转录45S RNA加工加工45S rRNA前体加工过程示意图前体加工过程示

27、意图rDNA转录转录rRNA电镜照片图解电镜照片图解在核仁中合成核糖体的大小在核仁中合成核糖体的大小亚基前体，通过核孔转运至细胞质中亚基前体，通过核孔转运至细胞质中通过活化在胞质中成熟，形成有功能通过活化在胞质中成熟，形成有功能的大小亚基。的大小亚基。（二）核糖体亚基的组装（二）核糖体亚基的组装核仁在核糖体核仁在核糖体合成和组装中的作用合成和组装中的作用rDNArDNA45SrRNA45SrRNA蛋白质蛋白质RNPRNP18SrRNA18SrRNA28SrRNA28SrRNA小亚单位小亚单位5.8SrRNA5.8SrRNA5SrRNA5SrRNA核仁外核仁外DNADNA大亚单位大亚单位3333

28、种种Pr.Pr.4949种种Pr.Pr.第五节第五节 染色质结构与基因转录染色质结构与基因转录 贮存、传递遗传信息贮存、传递遗传信息遗传信息遗传信息（genetic information)遗传信息是指遗传信息是指DNADNA或（或（RNARNA）上碱基）上碱基对（碱基）的排列顺序，以基因对（碱基）的排列顺序，以基因( (500500 6000bp6000bp) )的形式存在。的形式存在。 指导蛋白质合成，控制细胞的指导蛋白质合成，控制细胞的 生长、分化和繁殖生长、分化和繁殖DNARNA聚合酶聚合酶IIIIIIhnRNA45SrRNA5SrRNAtRNA剪接、戴帽剪接、戴帽加尾加尾18SrRN

29、A28SrRNA5.8SrRNA小亚基小亚基大亚基大亚基mRNAPro.合成信息合成信息核糖体核糖体Pro.合成合成 场所场所AA-tRNA复合物复合物Pro.合成中的转运合成中的转运蛋白质蛋白质转录转录反转录反转录翻译翻译RNA复制复制DNARNA复制复制分分 子子 生生 物物 学学 中中 心心 法法 则则翻译翻译: :包含在包含在mRNA中以核苷酸顺序形式中以核苷酸顺序形式 排列的遗传密码，转变成蛋白质多肽链排列的遗传密码，转变成蛋白质多肽链中氨基酸顺序的生化过程，也即蛋白质合成中氨基酸顺序的生化过程，也即蛋白质合成. .mRNA蛋白质蛋白质翻译翻译 各种信息各种信息 各种蛋白质各种蛋白质

30、（核苷酸排列顺序）（氨基酸排列顺序）（核苷酸排列顺序）（氨基酸排列顺序） 核基质又称核骨架核基质又称核骨架 （nuclear skeleton）真核细胞核内除去核膜、核纤层、染真核细胞核内除去核膜、核纤层、染色质与核仁以外的一个以纤维蛋白成色质与核仁以外的一个以纤维蛋白成分为主的精密网架体系。核基质充满分为主的精密网架体系。核基质充满整个核内空间。整个核内空间。核基质核基质( (inner nulear matrix) )狭义：核基质狭义：核基质(nuclear skeleton)核骨架核骨架广义广义：包括核基质包括核基质、核纤层核纤层 核孔复合体结构体系核孔复合体结构体系 染色体骨架染色体骨架一、形态结构和基本组分一、形态结构和基本组分 核基质是一个以纤维蛋白成分核基质是一个以纤维蛋白成分为主的纤维网架结构，且