細(xì)胞核講課用

1、第八章 細(xì)胞核,Cell nucleus,教學(xué)目的和要求,1.掌握核被摸、核孔復(fù)合體的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)模型及功能 2.掌握染色質(zhì)與染色體的概念、化學(xué)組成、構(gòu)建過(guò)程及染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 3.掌握核仁的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能，核纖層的結(jié)構(gòu)與功能，核骨架的化學(xué)構(gòu)成及功能 4.了解細(xì)胞的核型與染色體帶型，細(xì)胞核與疾病的關(guān)系,本章內(nèi)容包括,第一節(jié) 核膜 第二節(jié) 染色質(zhì)與染色體 第三節(jié) 核仁 第四節(jié) 核骨架 第五節(jié) 細(xì)胞核的功能 第六節(jié) 細(xì)胞核與疾病,細(xì)胞核的一般特征,細(xì)胞核是真核細(xì)胞最重要的細(xì)胞器，是細(xì)胞生命活動(dòng)的控制中心，是真核細(xì)胞與原核細(xì)胞最大的區(qū)別 1.數(shù)量：絕大多數(shù)種類細(xì)胞1個(gè)，肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞可有2個(gè)，破

2、骨細(xì)胞650個(gè)，骨骼肌幾百個(gè)。 2.大?。焊叩葎?dòng)物細(xì)胞核的直徑常在510m，大小隨細(xì)胞的類型及生理狀態(tài)而異。 3.形態(tài)：細(xì)胞核的形狀與細(xì)胞的形狀及發(fā)育時(shí)期有關(guān)，多為圓形或橢圓形，粒細(xì)胞分葉核，單核細(xì)胞馬蹄形核。 4.結(jié)構(gòu)：間期核的結(jié)構(gòu)包括核膜、核仁、染色質(zhì)及核基質(zhì)。 5.動(dòng)態(tài)變化：細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)隨細(xì)胞周期進(jìn)程發(fā)生周期性變化,第一節(jié) 核膜,一、核膜的化學(xué)成分 二、核膜的結(jié)構(gòu)與區(qū)域化作用 三、核孔復(fù)合體與核-質(zhì)間的物質(zhì)運(yùn)輸 四、核纖層的結(jié)構(gòu)與功能,一、核膜的化學(xué)組成,核膜的化學(xué)成分主要為蛋白質(zhì)和脂類，所含的酶類和脂類與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相似。 （一）蛋白質(zhì) 1.含量：約占65%75% 2.種類：20多種蛋白質(zhì)，

3、包括組蛋白、基因表達(dá)調(diào)節(jié)蛋白、DNA和RNA聚合酶、RNA酶以及電子傳遞有關(guān)的酶類等。 （二）脂類 卵磷脂（磷脂酰膽堿）和腦磷脂（磷脂酰乙醇胺）含量低；膽固醇和甘油三酯含量高,二、核膜的結(jié)構(gòu)與區(qū)域化作用,一）核膜的結(jié)構(gòu) 1.外核膜：與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相延續(xù)，胞質(zhì)面附著核糖體以及與核定位有關(guān)的微管和中間纖維。 2.內(nèi)核膜：與外核膜在核孔位置相延續(xù)，核質(zhì)面有核纖層。 3.核間隙：內(nèi)外膜之間的腔隙，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通；充滿液態(tài)不定形物，含多種蛋白質(zhì)和酶。 4.核孔：內(nèi)外膜融合處的孔（復(fù)合體），一個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞有30004000個(gè)核孔,細(xì)胞核的超微立體模式圖,Return to page 8,The nucle

4、ar envelope,超微結(jié)構(gòu)，切面圖,冷凍斷裂法制備的核被膜，顯示核孔復(fù)合體,三、核孔復(fù)合體與核-質(zhì)間的物質(zhì)運(yùn)輸,一）核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu) 1.胞質(zhì)環(huán) (cytoplasmic ring) ：胞質(zhì)面環(huán)狀結(jié)構(gòu)，相連8條蛋白纖維伸向胞質(zhì)。 2.核質(zhì)環(huán) (nuclear ring)：核質(zhì)面環(huán)狀結(jié)構(gòu)，相連8條蛋白纖維伸向核質(zhì)，末端形成核藍(lán)。 3.輻(spoke)：包括柱狀亞單位、腔內(nèi)亞單位和環(huán)帶亞單位。 4.中央拴 (central plug)：可能是被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì),核孔復(fù)合體,1)胞質(zhì)環(huán) (cytoplasmic ring) (2)核質(zhì)環(huán) (nuclear ring) (3)輻(spoke) (4)中

5、央拴 (central plug,其它成分被抽提后核孔復(fù)合體胞質(zhì)面（A）與核質(zhì)面（B）的結(jié)構(gòu),A,B,二）核孔復(fù)合體的物質(zhì)運(yùn)輸功能 核孔復(fù)合體是核內(nèi)外物質(zhì)交換的主要通道。不同物質(zhì)可通過(guò)被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸出入核膜。 1.被動(dòng)運(yùn)輸：無(wú)機(jī)離子（如K+、Cl-、Ca2+、Mg2+）和小分子物質(zhì)（如單糖、氨基酸等） 2.主動(dòng)運(yùn)輸：大分子物質(zhì)（如RNA、蛋白質(zhì)），是一個(gè)信號(hào)識(shí)別與載體介導(dǎo)的耗能過(guò)程,3.親核蛋白入核轉(zhuǎn)運(yùn) 親核蛋白（karyophilic protein）：在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成、在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì)。 轉(zhuǎn)運(yùn)條件： 胞質(zhì)中有核轉(zhuǎn)運(yùn)受體（入核素），它可以與親核蛋白及核孔復(fù)合體結(jié)合。 核內(nèi)有R

6、anGTP酶，它是G-蛋白，能水解GTP提供能量，核轉(zhuǎn)運(yùn)受體，使其釋放親核蛋白至核內(nèi)。 親核蛋白有核定位信號(hào)（nuclear localization signal, NLS），對(duì)親核蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)起引導(dǎo)作用,二）核膜的功能 1.區(qū)域化作用：使遺傳物質(zhì)處于更穩(wěn)定的環(huán)境，得到更有效的保護(hù)。 2.合成生物大分子：核外膜上的核糖體是合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所。 3.控制核內(nèi)外物質(zhì)和信息交流： （1）對(duì)不能自由出入核內(nèi)的物質(zhì)起到屏障作用； （2）核孔復(fù)合體可選擇性的運(yùn)輸核糖體蛋白、RAN等大分子物質(zhì)； （3）核膜受體有調(diào)控基因表達(dá)的作用,四、核纖層的結(jié)構(gòu)與功能,一）核纖層的結(jié)構(gòu) 襯于內(nèi)核膜的核蛋白纖維網(wǎng)，屬中間纖維

7、。 脊椎動(dòng)物細(xì)胞中有核纖層蛋白A、B、C三類，哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類細(xì)胞中有核纖層蛋白A、B 核纖層蛋白A：僅見(jiàn)于分化細(xì)胞 核纖層蛋白B：存在于所有體細(xì)胞,二）核纖層的功能 1.在細(xì)胞核中起支架作用，維持核的輪廓； 2.連接細(xì)胞質(zhì)骨架和核骨架，是細(xì)胞骨架系統(tǒng)的一部分； 3.細(xì)胞周期中參與核膜解體與重建（通過(guò)磷酸化與去磷酸化）； 4.為染色質(zhì)提供錨定位點(diǎn)，與DNA解旋和染色質(zhì)凝集有關(guān),第二節(jié) 染色質(zhì)和染色體,一 、染色質(zhì)與染色體的主要化學(xué)成分 二、常染色質(zhì)與異染色質(zhì) 三、染色質(zhì)組裝成染色體 四、染色體的形態(tài)特征 五、染色體的核型和帶型,概述,染色質(zhì)（chromatin）：是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)的存在形式，由

8、DNA、組蛋白、非組蛋白和少量RNA構(gòu)成的細(xì)絲狀結(jié)構(gòu)，彌散分布于細(xì)胞核內(nèi)。 染色體（chromosome）：是細(xì)胞分裂過(guò)程中遺傳物質(zhì)的存在形式，是染色質(zhì)反復(fù)纏繞凝集而成的棒狀或粒狀結(jié)構(gòu)。 染色質(zhì)和染色體是遺傳物質(zhì)在細(xì)胞周期不同階段的不同存在形式,一 、染色質(zhì)的組成成分,一）DNA 1.遺傳信息的攜帶者，永久性成分，含量穩(wěn)定。一條復(fù)制后的染色體含有2個(gè)DNA分子。 2.染色質(zhì)DNA有三個(gè)重要功能序列 （1）端粒DNA序列：保持染色體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 （2）著絲粒DNA序列：確保細(xì)胞分裂中染色體能平均分配到子細(xì)胞中去。 （3）自主復(fù)制DNA(復(fù)制源）序列：是DNA復(fù)制起始點(diǎn)，確保染色體在細(xì)胞周期中能夠自我

9、復(fù)制，維持染色體在細(xì)胞世代傳遞中的連續(xù)性,Three key regions of a chromosome,二）組蛋白（histone） 1.特性 （1）基本結(jié)構(gòu)成分，含量穩(wěn)定； （2）富含Arg和Lys的堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷； （3）與DNA非特異性結(jié)合，有降低DNA轉(zhuǎn)錄活性的作用。 2.類別 （1） H1：有種屬和組織特異性，位于核小體連接部，功能與染色體構(gòu)建有關(guān)。 （2）H2A，H2B，H3和H4：構(gòu)成核小體核心，進(jìn)化上高度保守，無(wú)種屬及組織特異性,三）非組蛋白 1.概念：除組蛋白之外的染色質(zhì)蛋白的總稱。 2.特性： （1）為酸性蛋白質(zhì)，數(shù)量少，種類多（500多種），具有種屬特異性和組

10、織特異性。 （2）與DNA特定序列特異性結(jié)合，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄與表達(dá)，基因表達(dá)活躍的組織非組蛋白含量高。 （四）RNA 是否為固定組份尚有爭(zhēng)論,二、常染色質(zhì)與異染色質(zhì),間期染色質(zhì)按其染色特性和形態(tài)特征分兩類：常染色質(zhì)(euchromatin)和異染色質(zhì)(heterochromatin,常染色質(zhì),異染色質(zhì),異染色質(zhì)的類型： 1.結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)(constitutive heterochromatin) ：在所有類型細(xì)胞和各個(gè)發(fā)育階段均呈異染色質(zhì)狀態(tài)凝集狀態(tài)，是異染色質(zhì)的主要類型。 2.兼性異染色質(zhì)(facultative heterochromatin)：只在某些類型細(xì)胞和一定發(fā)育階段呈現(xiàn)異染色質(zhì)狀態(tài)

11、，可轉(zhuǎn)化為常染色質(zhì),三、染色質(zhì)組裝成染色體,多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)模型： 1.染色體的一級(jí)結(jié)構(gòu)核小體(nucleosome) 成分與結(jié)構(gòu),核小體,核心部 連接部,H2A、H2B、H3、H4 (各2分子) 146 bp DNA H1（1分子） 60 bp DNA,2. 染色質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)螺線管(solenoid) : 核小體串繞成的管狀結(jié)構(gòu)，每圈有6個(gè)核小體，螺距11nm，外徑30 nm，內(nèi)徑10 nm。 3.染色質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)超螺線管(supersolenoid): 螺線管進(jìn)一步螺旋化成外徑400 nm的超螺線管。 4.染色質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)染色單體(chromatid): 超螺線管經(jīng)復(fù)雜折疊成染色單體,染色體形

12、成過(guò)程圖解,由核小體裝配成螺線管的裝配過(guò)程,染色體結(jié)構(gòu)的多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)模型,四、染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu),染色單體(chromatid)與姐妹染色單體 主縊痕(primary constriction) 染色體臂(arm) 著絲粒(centromere)與染色體的分類 動(dòng)粒(kinetochore)與染色體移動(dòng) 次縊痕(secondary constriction) 隨體(satellite) 端粒(telomere,一）染色單體(chromatid)與染色體臂(arm) （二）著絲粒區(qū)的相關(guān)形態(tài)結(jié)構(gòu) 1.主縊痕(primary constriction)：每條染色體的著絲粒部位的狹窄縊痕。 2.著絲粒

13、(centromere)：位于染色體主縊痕中心部位，由高度重復(fù)的異染色質(zhì)構(gòu)成，其位置是染色體分類的重要依據(jù)： （1）中著絲粒染色體 （2）亞中著絲粒染色體 （3）近端著絲粒染色體 （4）端著絲粒染色體,3.動(dòng)粒(kinetochore)：位于著絲粒兩側(cè)的特化的圓盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì)構(gòu)成，是紡錘絲微管的附著部位，參與細(xì)胞分裂后期染色體向兩極的遷移。 4.著絲粒-動(dòng)粒復(fù)合體：是位于著絲粒-動(dòng)粒區(qū)域的高度有序的整合結(jié)構(gòu)，有三個(gè)結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)域。 （1）動(dòng)粒結(jié)構(gòu)域(kinetochore domain)：位于著絲粒表面，是紡錘絲附著的結(jié)構(gòu) （2）中央結(jié)構(gòu)域(central domain)：是著絲粒區(qū)的主

14、題，對(duì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)與功能有重要作用 （3）配對(duì)結(jié)構(gòu)域(pairing domain)：姐妹染色單體連接部位，與姐妹染色單體分離有關(guān),Three domains of centromere region,三）次縊痕 次縊痕(secondary constriction)是染色體上除主縊痕之外的縊縮部位，其位置和數(shù)量可作鑒別染色體的標(biāo)記。并非所有染色體都有次縊痕。 （四）隨體 隨體(satellite)是位于染色體末端與次縊痕連接的球形或棒狀結(jié)構(gòu)，主要由異染色質(zhì)構(gòu)成,五）端粒 1.端粒(telomere)是染色體兩端的特化部位； 2.DNA為富含鳥(niǎo)嘌呤核苷酸的重復(fù)序列； 3.維持染色體的完整性和穩(wěn)定

15、性，與細(xì)胞增殖能力相關(guān)；參與染色體在核內(nèi)的空間排布及同源染色體配對(duì),用含TTAGGG序列的DNA探針進(jìn)行熒光原位雜交顯示人染色體端粒,六）核仁組織區(qū) 核仁組織區(qū)(nucleolar organizer region, NOR)是染色體上參與核仁形成的區(qū)域，是含有rRNA基因的染色體區(qū)域。 人染色體中13，14，15和21，22號(hào)染色體有核仁組織區(qū)，表現(xiàn)為恒定的次縊痕,How a nucleolus is organized,五、染色體核型與帶型,1. 核型(karyotype) ：一個(gè)物種所特有的染色體數(shù)目和每條染色體所特有的形態(tài)（包括染色體長(zhǎng)度、著絲粒位置、次縊痕的數(shù)目及位置、常染色質(zhì)和異染

16、色質(zhì)的分布等）特征叫做核型。 人的正常核型是46，XX和46，XY 2.帶型(band pattern)：染色體經(jīng)顯帶處理和染色后顯示出的帶紋特征（帶的數(shù)量和分布格局）稱為帶型。 用不同的顯帶技術(shù)顯示不同的帶紋和帶型,非顯帶核型與顯帶核型,第三節(jié) 核仁,一、光鏡下的一般特性與化學(xué)組成 二、核仁的超微結(jié)構(gòu) 三、核仁的功能 四、核仁周期,一、光鏡下的一般特性與化學(xué)組成 1.無(wú)包膜的球形小體，染色較深，形態(tài)、大小及數(shù)目在細(xì)胞周期的不同時(shí)期變化很大。 2.含蛋白質(zhì)(80%), RNA, DNA, 脂類。 二、核仁的超微結(jié)構(gòu) 1.核仁染色質(zhì)：rDNA(rRNA基因)，核仁組織區(qū)(NOR) 2.纖維成分：

17、由蛋白質(zhì)和RNA構(gòu)成的纖維交織成海綿狀網(wǎng)架。 3.顆粒成分：由蛋白質(zhì)和RNA構(gòu)成的顆粒分布于網(wǎng)架之間； 4.核仁基質(zhì)：無(wú)定形的蛋白基質(zhì),How a nucleolus is organized,三、核仁的功能 1.合成、加工rRNArRNA的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是45S的rRNA，經(jīng)過(guò)加工修飾，最終形成5.8S、18S、28SrRNA,2.裝配核糖體亞單位 rRNA與核糖體蛋白在核仁內(nèi)組裝成核糖體的大小亞基,大亞基(60S,28S rRNA 5.8S rRNA 5S rRNA來(lái)自核仁外DNA 49種蛋白質(zhì),來(lái)自核仁,小亞基(40S,18S rRNA來(lái)自核仁 33種蛋白質(zhì),四、核仁周期 核仁是一種動(dòng)態(tài)結(jié)

18、構(gòu), 細(xì)胞周期中核仁形態(tài)結(jié)構(gòu)的周期性變化稱為核仁周期。 核仁的周期性變化： 前期：核仁解體，RNA合成停止 中期和后期：無(wú)核仁 末期：rRNA重新開(kāi)始合成，核仁逐漸形成,第四節(jié) 核骨架,一、核骨架的定義、成分與結(jié)構(gòu) 1.定義：核骨架(nuclear scafflod)也稱核基質(zhì)(nuclear matrix)，是指細(xì)胞核中除核被膜、染色質(zhì)和核仁以外的物質(zhì)與結(jié)構(gòu)。 2.成分：核基質(zhì)蛋白，核基質(zhì)結(jié)合蛋白，少量RNA 3.結(jié)構(gòu)：直徑34 nm的纖維或核糖核蛋白復(fù)合體，與核纖層、核孔復(fù)合體及胞質(zhì)骨架相聯(lián)系,二、核骨架的功能,1.作為DNA復(fù)制的支撐結(jié)構(gòu)，DNA復(fù)制過(guò)程中酶（DNA聚合酶，拓?fù)洚悩?gòu)酶等）與模板均需附著在核骨架上； 2.基因復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的場(chǎng)所； 3.參與染色體和核的構(gòu)建,第五節(jié) 細(xì)胞核的功能,一、遺傳信息的貯存 真核細(xì)胞遺傳信息的貯存狀態(tài)有兩個(gè)特點(diǎn)： 1.與蛋白質(zhì)結(jié)合成染色體； 2.由核膜包裹在核內(nèi)。 二、遺傳信息的復(fù)制 1.在核膜內(nèi)復(fù)制 2.一個(gè)分子有多個(gè)復(fù)制起始點(diǎn) 3.復(fù)制過(guò)程有解旋酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶、引物酶、聚合酶、連接酶、端粒酶等多種酶和多種蛋白因子參與,三、遺傳信息的轉(zhuǎn)錄,1.轉(zhuǎn)錄是RNA分子的合成方式和遺傳信息的傳遞方式。 2.轉(zhuǎn)錄出mRN