生物化學(xué)細(xì)胞核主要版本

1、1細(xì)胞核是真核細(xì)胞內(nèi)最大、最重要的細(xì)胞器，它是基因復(fù)制、rna轉(zhuǎn)錄的中心，是細(xì)胞生命活動(dòng)的控制中心。細(xì)胞核大多呈球形或卵圓形，但也隨物種和細(xì)胞類(lèi)型不同而有很大變化。核的大小依物種不同而變化，直徑為1-20微米不等。細(xì)胞核的細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成：v核被膜核被膜(nuclear envelope)與核孔復(fù)合體與核孔復(fù)合體(npc）v染色質(zhì)染色質(zhì)（chromatin）v核仁核仁(nucleolus)v核基質(zhì)核基質(zhì)2核被膜核被膜(nuclear envelope) 核孔復(fù)合體核孔復(fù)合體（nuclear pore complex,npc） 3電鏡下，核被膜由內(nèi)外兩層平行但不連續(xù)的單位膜構(gòu)成。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2、組成組成： v外核膜（outer nuclear membrane），附有核糖體顆粒，常與rer相通連。v內(nèi)核膜（inner nuclear membrane），有特有的蛋白成份（如核纖層蛋白b受體），內(nèi)核膜的內(nèi)表面有一層網(wǎng)絡(luò)狀纖維蛋白質(zhì)，即核纖層（nuclear lamina），可支持核膜。v核周間隙（perinuclear space）v核孔（nuclear pore）和核孔復(fù)合體 核被膜的功能：核被膜的功能： v構(gòu)成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障構(gòu)成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障l避免生命活動(dòng)的彼此干擾l保護(hù)dna不受細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械力的損傷v核質(zhì)之間的物質(zhì)交換與信息交流核質(zhì)之間的物質(zhì)交

3、換與信息交流 核被膜在細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中有規(guī)律地核被膜在細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中有規(guī)律地解體與重建解體與重建 4新核膜來(lái)自舊核膜。核被膜的去組裝是非隨機(jī)的，具有區(qū)域特異性（domain-specific）。以非洲爪蟾卵提取物為基礎(chǔ)的非細(xì)胞核裝配體系提供了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。核被膜的解體與重建的動(dòng)態(tài)變化受細(xì)胞周期調(diào)控因子的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用可能與核纖層蛋白、核孔復(fù)合體蛋白的 磷酸化與去磷酸化修飾有關(guān)。5核孔復(fù)合體核孔復(fù)合體（nuclear pore complex,npc）結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型 核孔復(fù)合體成份的研究核孔復(fù)合體成份的研究 核孔復(fù)合體的功能核孔復(fù)合體的功能： 6vfish-trap模型模型v從橫向上看，核孔

4、復(fù)合體由周邊向核孔中心依次可分為環(huán)、輻、栓三種結(jié)構(gòu)亞單位；v從縱向上看，核孔復(fù)合體由核外（胞質(zhì)面）向核內(nèi)（核質(zhì)面）依次可分為胞質(zhì)環(huán)、輻（十栓）、核質(zhì)環(huán)三種結(jié)構(gòu)亞單位，形成“三明治”式的結(jié)構(gòu)。胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic ring），外環(huán)核質(zhì)環(huán)（nuclear ring），內(nèi)環(huán)；內(nèi)環(huán)向核內(nèi)伸入一小環(huán)，即核藍(lán)（nuclear basket）。輻（spoke）v柱狀亞單位（column subunit）v腔內(nèi)亞單位(luminal subunit)v環(huán)帶亞單位（annular subunit）中央栓（central plug）：transporter7核孔復(fù)合體主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成，其總相對(duì)分子質(zhì)量約

5、為125106，推測(cè)可能含有100余種不同的多肽，共1 000多個(gè)蛋白質(zhì)分子。 gp210：結(jié)構(gòu)性跨膜蛋白：結(jié)構(gòu)性跨膜蛋白 v介導(dǎo)核孔復(fù)合體與核被膜的連接，將核孔復(fù)合體 錨定在“孔膜區(qū)”，從而為核孔復(fù)合體裝配提供一個(gè)起始位點(diǎn) p62：功能性的核孔復(fù)合體蛋白，具有兩個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：功能性的核孔復(fù)合體蛋白，具有兩個(gè)功能結(jié)構(gòu)域v可能在核孔復(fù)合體功能活動(dòng)中直接參與核質(zhì)交換。8v雙功能：兩種運(yùn)輸方式：被動(dòng)擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸；v雙向性：介導(dǎo)蛋白質(zhì)的入核轉(zhuǎn)運(yùn)，又介導(dǎo)rna、rnp的出核轉(zhuǎn)運(yùn)。v核孔復(fù)合體物質(zhì)運(yùn)輸功能示意圖 親核蛋白入核轉(zhuǎn)運(yùn)與核定位信號(hào)親核蛋白入核轉(zhuǎn)運(yùn)與核定位信號(hào) 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物rna的核輸出9親核蛋白（

6、親核蛋白（karyophilic protein）v在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成后，需要或能夠進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類(lèi)蛋白質(zhì)核定位信號(hào) (nuclear localization signal，nls)vnls是存在于親核蛋白內(nèi)的一些短的氨基酸序列片段，富含堿性氨基酸殘基，如lys、arg，此外還常含有pro。vnls的氨基酸殘基片段可以是一段連續(xù)的序列（t抗原），也可以分成兩段，兩段之間間隔約10個(gè)氨基酸殘基（核質(zhì)蛋白）。vnls序列可存在于親核蛋白的不同部位，在指導(dǎo)完成核輸入后并不被切除。核質(zhì)蛋白（nucleoplasmin）的入核轉(zhuǎn)運(yùn)v結(jié)合：需nls識(shí)別并結(jié)合importin；v轉(zhuǎn)運(yùn)：需gtp水解提

7、供能量10轉(zhuǎn)錄后的rna通常需加工、修飾成為成熟的rna分子后才能被轉(zhuǎn)運(yùn)出核。rna聚合酶i轉(zhuǎn)錄的rrna分子：以rnp的形式離開(kāi)細(xì)胞核，需要能量；rna聚合酶iii轉(zhuǎn)錄的5s rrna與 trna的核輸出由蛋白質(zhì)介導(dǎo)；rna 聚合酶ii轉(zhuǎn)錄的hn rna，在核內(nèi)進(jìn)行5端加帽和3端附加多聚a序列以及剪接等加工過(guò)程，然后形成成熟的mrna出核，5端的m7gpppg “帽子”結(jié)構(gòu)對(duì)mrna的出核轉(zhuǎn)運(yùn)是必要的；mrna的出核轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程是有極性的，其5端在前，3端在后。核輸出信號(hào)核輸出信號(hào) (nuclear export signal，nes)：rna分子的出核轉(zhuǎn)運(yùn)需要蛋白分子的幫助，這些蛋白因子本身含

8、有出核信號(hào)。11第二節(jié)第二節(jié) 染染 色色 質(zhì)質(zhì) 染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成染色質(zhì)的概念及化學(xué)組成 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體核小體(nucleosome) 染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型 常染色質(zhì)和異染色質(zhì)常染色質(zhì)和異染色質(zhì) 12染色質(zhì)概念染色質(zhì)概念 染色體染色體dna 染色體蛋白質(zhì)染色體蛋白質(zhì) 13染色質(zhì)（染色質(zhì)（chromatin）:v指間期細(xì)胞核內(nèi)由dna、組蛋白、非組蛋白及少量rna組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu), 是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。染色體染色體(chromosome):v 指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過(guò)程中, 由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)。v染色質(zhì)與染色體是在細(xì)

9、胞周期不同的功能階段可以相互轉(zhuǎn)變的的形態(tài)結(jié)構(gòu)v染色質(zhì)與染色體具有基本相同的化學(xué)組成，但包裝程度不同,構(gòu)象不同。14基因組（基因組（genome） v凡是具有細(xì)胞形態(tài)的所有生物其遺傳物質(zhì)都是dna。在真核細(xì)胞中，每條未復(fù)制的染色體包裝一條dna分子，一個(gè)生物貯存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱(chēng)為該生物的基因組。v基因組大小通常隨物種的復(fù)雜性而增加。 dna的序列可分為3種類(lèi)型，即：?jiǎn)我恍蛄?、中度重?fù)序列（101-5）和高度重復(fù)序列（105）。dna二級(jí)結(jié)構(gòu)具有多形性二級(jí)結(jié)構(gòu)具有多形性(polymorphism)染色體具有3個(gè)基本元素：v自主復(fù)制序列自主復(fù)制序列( (autonomously re

10、plicating dna sequence, ars)autonomously replicating dna sequence, ars)，是dna復(fù)制的起點(diǎn)，酵母基因組含200-400個(gè)ars，大多數(shù)具有一個(gè)11bp富含at的一致序列（ars consensus sequence, acs）；v著絲粒序列著絲粒序列( (centromerecentromere dna sequence,cen) dna sequence,cen) ，由大量串聯(lián)的重復(fù)序列組成，如衛(wèi)星dna，其功能是參與形成著絲粒，使細(xì)胞分裂中染色體能夠準(zhǔn)確地分離；v端粒序列端粒序列( (telomeretelomere

11、dna sequence,tel) dna sequence,tel) ，不同生物的端粒序列都很相似，由長(zhǎng)5-10bp的重復(fù)單位串聯(lián)而成，人的重復(fù)序列為gggtta。15負(fù)責(zé)dna分子遺傳信息的組織、復(fù)制和閱讀組蛋白組蛋白(histone)： v核小體組蛋白(nucleosomal histone)：h2b、h2a、h3和h4,幫助dna卷曲形成核小體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)vh1組蛋白：在構(gòu)成核小體時(shí)h1起連接作用, 它賦予染色質(zhì)以極性。v特點(diǎn)：l真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶 正電荷的arg和lys等堿性氨基酸，屬堿性蛋白質(zhì)，可以和酸性的dna緊密結(jié)合（非特異性結(jié)合）；l沒(méi)有種屬及組織特異性，在進(jìn)

12、化上十分保守。 非組蛋白非組蛋白(nonhistone)： v非組蛋白具多樣性和異質(zhì)性v對(duì)dna具有識(shí)別特異性，又稱(chēng)序列特異性v具有多種功能，包括基因表達(dá)的調(diào)控和染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成。 16二、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位二、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體核小體(nucleosome)主要實(shí)驗(yàn)證據(jù)主要實(shí)驗(yàn)證據(jù) 核小體結(jié)構(gòu)要點(diǎn)核小體結(jié)構(gòu)要點(diǎn) 17鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察v未經(jīng)處理的染色質(zhì)自然結(jié)構(gòu)為30nm的纖絲，經(jīng)鹽溶液處理后解聚的染色質(zhì)呈現(xiàn)10nm串珠狀結(jié)構(gòu) 用非特異性微球菌核酸酶消化染色質(zhì)，部分酶解片段分析結(jié)果應(yīng)用x射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)核小體顆粒是直徑為11nm、高6.0nm的扁園

13、柱體，具有二分對(duì)稱(chēng)性（dyad symmetry），核心組蛋白的構(gòu)成是先形成（h3）2（h4）2四聚體，然后再與兩個(gè)h2ah2b異二聚體結(jié)合形成八聚體。18每個(gè)核小體單位包括200bp左右的dna超螺旋和一個(gè)組蛋白八聚體及一 個(gè)分子h1。組蛋白八聚體構(gòu)成核小體的盤(pán)狀核心結(jié)構(gòu)。146bp的dna分子超螺旋盤(pán)繞組蛋白八聚體1.75圈, 組蛋白h1在核心顆粒 外結(jié)合額外20bp dna，鎖住核小體dna的進(jìn)出端，起穩(wěn)定核小體的作用。 包括組蛋白h1和166bp dna的核小體結(jié)構(gòu)又稱(chēng)染色質(zhì)小體。兩個(gè)相鄰核小體之間以連接dna 相連，典型長(zhǎng)度60bp，不同物種變化值為080bp。實(shí)驗(yàn)表明，核小體具有自

14、組裝（self-assemble）的性質(zhì)。19染色質(zhì)包裝的多級(jí)螺旋模型染色質(zhì)包裝的多級(jí)螺旋模型 (multiple coiling model) 染色體的骨架染色體的骨架-放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型放射環(huán)結(jié)構(gòu)模型 (scaffold radial loop structure model) 染色體包裝的不同組織水平染色體包裝的不同組織水平 20一級(jí)結(jié)構(gòu)：核小體二級(jí)結(jié)構(gòu)：螺線管(solenoid)三級(jí)結(jié)構(gòu)：超螺線管(supersolenoid) 四級(jí)結(jié)構(gòu)：染色單體（chromatid） 壓縮7倍 壓縮6倍 壓縮40倍 壓縮5倍 dna核小體螺線管超螺線管染色單體 21非組蛋白構(gòu)成的染色體骨架(chromso

15、mal scaffold)和由骨架伸出的無(wú)數(shù)的dna側(cè)環(huán)）30nm的染色線折疊成環(huán), 沿染色體縱軸, 由中央向四周伸出,構(gòu)成放射環(huán)。由螺線管形成dna復(fù)制環(huán),每18個(gè)復(fù)制環(huán)呈放射狀平面排列, 結(jié)合在核基質(zhì)上形成微帶(miniband)。微帶是染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)的單位,大約106個(gè)微帶沿縱軸構(gòu)建成子染色體。 22常染色質(zhì)常染色質(zhì)(euchromatin) v指間期核內(nèi)染色質(zhì)纖維折疊壓縮程度低, 處于伸展?fàn)顟B(tài)（典型包裝率750倍）, 用堿性染料染色時(shí)著色淺的那些染色質(zhì)。v常染色質(zhì)是進(jìn)行活躍轉(zhuǎn)錄的部位，呈疏松的環(huán)狀，電鏡下表現(xiàn)為淺染。并非所有基因都具有轉(zhuǎn)錄活性,常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉(zhuǎn)錄的必要條件而非充分

16、條件 異染色質(zhì)異染色質(zhì)(heterochromatin)：v指間期細(xì)胞核中, 折疊壓縮程度高, 處于聚縮狀態(tài)，堿性染料染色時(shí)著色較深的染色質(zhì)組分。v類(lèi)型l結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（或組成型異染色質(zhì)）(constitutive heterochromatin) l兼性異染色質(zhì)(facultative heterochromatin) 23 結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)，除復(fù)制期以外，在整個(gè)細(xì)胞周期均處于聚縮狀態(tài)，形成多個(gè)染色中心。 結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)的特征：v在中期染色體上多定位于著絲粒區(qū)、端粒、次縊痕 及染色體臂的某些節(jié)段；v由相對(duì)簡(jiǎn)單、高度重復(fù)的dna序列構(gòu)成, 如衛(wèi)星dna；v具有顯著的遺傳惰性, 不轉(zhuǎn)錄也不編碼蛋白質(zhì)；v

17、在復(fù)制行為上與常染色質(zhì)相比表現(xiàn)為晚復(fù)制早聚縮；24 在某些細(xì)胞類(lèi)型或一定的發(fā)育階段, 原來(lái)的常染色質(zhì)聚縮, 并喪失基因轉(zhuǎn)錄活性, 變?yōu)楫惾旧|(zhì)，如x染色體隨機(jī)失活。 異染色質(zhì)化可能是關(guān)閉基因活性的一種途徑。 25第四節(jié)第四節(jié) 核仁核仁 (nucleolus) 核仁（necleolus）見(jiàn)于間期的細(xì)胞核內(nèi)，呈圓球形，一般1-2個(gè)，也有多達(dá)3-5個(gè)的。核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近內(nèi)核膜，核仁的數(shù)量和大小因細(xì)胞種類(lèi)和功能而異。核仁的超微結(jié)構(gòu)核仁的超微結(jié)構(gòu) 核仁的功能核仁的功能 核仁周期核仁周期 ：核仁的核仁的動(dòng)態(tài)變化動(dòng)態(tài)變化26 核仁沒(méi)有界膜包圍，在電子顯微鏡下可辨認(rèn)出有核仁沒(méi)有界膜包圍，

18、在電子顯微鏡下可辨認(rèn)出有3個(gè)特征性的區(qū)域個(gè)特征性的區(qū)域：v纖維中心纖維中心(fibrillar centers，fc)：l是被致密纖維包圍的一個(gè)或幾個(gè)低電子密度的圓形結(jié)構(gòu)，主要成分為rna聚合酶和rdna，這些rdna是裸露的分子。v致密纖維組分致密纖維組分(dense fibrillar component，dfc)：l呈環(huán)形或半月形包圍fc，由致密的纖維構(gòu)成，是新合成的rnp（指結(jié)合蛋白質(zhì)的rrna），轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在fc與dfc的交界處。v顆粒組分顆粒組分(granular component，gc)：l由直徑15-20nm的顆粒構(gòu)成，是不同加工階段的rnp。是核糖體亞單位成熟和儲(chǔ)存的位點(diǎn)

19、。 核仁相隨染色質(zhì)核仁相隨染色質(zhì)(nucleolar associated chromatin) v核仁相隨染色質(zhì)分為兩部分，一部分位于核仁周?chē)?，稱(chēng)為核仁周染色質(zhì)，屬異染色質(zhì)，一部分位于核仁內(nèi)，為常染色質(zhì)，即核仁組織區(qū)（nor），是rdna所在的位置。27核糖體的生物發(fā)生(ribosome biogenesis) 過(guò)程包括rrna的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。rrna基因轉(zhuǎn)錄的形態(tài)及組織特征基因轉(zhuǎn)錄的形態(tài)及組織特征 v基因轉(zhuǎn)錄的組織特征： 位于nors的rdna是rrna的信息來(lái)源。v基因轉(zhuǎn)錄的形態(tài)特征:“圣誕樹(shù)”樣結(jié)構(gòu)。rrna前體的加工前體的加工 v加工過(guò)程v修飾與加工核糖體亞單位的組裝核糖體亞單位的組裝 28核基質(zhì)核基質(zhì)或核骨架核骨架(nuclear skeleton)的概念v狹義概念僅指核基質(zhì)，即細(xì)胞核內(nèi)除了核被膜、核纖層、