医学细胞生物学教学课件-2

1、第六章 细胞核第1页，共57页。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，核纤层的功能第2页，共57页。核 膜核 仁染色质核基质间期细胞核第3页，共57页。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。第4页，共57页。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、外核膜第5页，共57页。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

2、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、核周间隙第6页，共57页。 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（nuclear pore complex,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。 第7页，共57页。核孔复合体“捕鱼笼式结构”胞质环核质环辐中央栓核篮第8页，共57页。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

3、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”第9页，共57页。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-质交换的通道辐第10页，共57页。核质环（nuclear ring）：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（cytoplasmic ring）：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，

4、环上对称分布8条短纤维，并伸向细胞质 。第11页，共57页。 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、核纤层第12页，共57页。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

5、期不同阶段的不同存在形式。第13页，共57页。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第14页，共57页。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。第15页，共57页。单一序列（unique sequence ）：结构基因，在基因组中一般只有单一

6、拷贝或少数几个拷贝。 中度重复序列（middle repetitive sequence ）：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（highly repetitive sequence） ：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。 第16页，共57页。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、H4 H1：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。 H

7、2A、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）第17页，共57页。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、非组蛋白第18页，共57页。 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5

8、00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 氨基酸序列保守第19页，共57页。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。第20页，共57页。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。第21页，共57页。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。第22页，共57页。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

9、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。巴氏小体第23页，共57页。X染色质X染色质数目X染色体数1第24页，共57页。（二）常染色质与异染色质常染色质异染色质螺旋缠绕程度螺旋程度低，呈疏松的纤维状螺旋程度高，呈团块状间期染色深度染色浅染色深间期核中的分布主要分布于核中央主要分布于核周边转录活性转录活性高转录活性低复制时间S期的早、中期S晚期第25页，共57页。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 (10 nm)conden

10、sed form (30 nm)（三）染色质组装成染色体第26页，共57页。（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倍第27页，共57页。球状组蛋白核心H4DNA双螺旋(140-160bp、1.75圈）H3H4H3H2AH2AH2BH2BH4H3H3H4H2AH2AH2BH2B10nm连接DNA（50-60bp） H1 H1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：H1DNA分子：5060bp核小体染色体的

11、一级结构核小体第28页，共57页。29 30nm和11nm染色质纤维 第29页，共57页。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外30nm组蛋白第30页，共57页。DNAH1组蛋白八聚体螺线管顶面观（直径30nm）螺线管侧面观第31页，共57页。3、螺线管的进一步包装多级螺旋化模型（multiple coiling model） 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

12、 ；四级结构染色单体（chromatid）：超螺线管进一 步螺旋折叠形成。Cell Nucleus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。第32页，共57页。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。 压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 压缩5倍DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体3、螺线管的进一步包装第33页，共57页。染色质组装的多级螺旋化模型 Cell Nucleus第34页，共57页。2.染色体骨架-放射环模型（scaf

13、fold radial loop structure model）一级结构核小体；二级结构螺线管（30nm染色质纤维）。袢环结构染色单体高级结构Cell Nucleus(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。第35页，共57页。 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

14、袢环包含核小体315个） 袢环（由 30nm螺旋管构成）第36页，共57页。 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123456789101112131415161718微 带一条染色单体约有106个微带。第37页，共57页。(染色体纵轴或支架)示染色质袢环(染色体纵轴或支架)示染色质袢环第38页，共57页。DNA核小体螺线管伸展的袢环浓缩袢环染色体第39页，共57页。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

15、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。第40页，共57页。（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%。 第41页，共57页。 超微结构：海绵状 核仁染色质 纤维成分 颗粒成分 核仁基质Cell Nucleus（二）核仁的结构第42页，共57页。43核仁的结构（1）纤维成分 核仁中央。由蛋白和rRN

16、A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。第43页，共57页。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。第44页，共57页。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） nucleolar organizer region ，第45页，共57页。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，

17、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第46页，共57页。核仁组织者（区）Nuclear organizer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。第47页，共57页。NOR有丝分裂时核仁为什么会消失?染色质第48页，共57页。492. 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

18、体亚基装配的场所 问题：在细胞分裂时，核仁为何会消失？第49页，共57页。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。45S rRNA是核糖体所需RNA的前体，要经过剪切加工成28S、18S、5.8S rRNA。核糖体所需的5S rRNA的基因不在NOR。第50页，共57页。Cell Nucleus(1)核仁是rRNA基因转录和加工的场所第51页，共57页。（2）核仁是核糖体亚基装配的场所 核糖体大亚基 （60S）28S rRNA5.8S rRNA5S rRNA49种蛋白质来自核仁来自核仁以外区域来自核仁核糖体小亚基 （40S）18S rRNA33种蛋白质Cell Nucleus第52页，共57页。核糖体大、小亚基的组装第53页，共57页。四、核仁周期核仁周期（nucleolar cycle）：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。Cell Nucleus第54页，共57页。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