生物化学-细胞核主要版本教学幻灯片.ppt

第八章 细胞核(nucleus) （2学时）l细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，它是基因复制、RNA转录的中心，是细胞生命活动的控制中心l细胞核大多呈球形或卵圆形，但也随物种和细胞类型不同而有很大变化核的大小依物种不同而变化，直径为1-20微米不等l细胞核的结构组成：v核被膜(nuclear envelope)与核孔复合体(NPC）v染色质（chromatin）v核仁(nucleolus)v核基质l1第一节 核被膜与核孔复合体l核被膜(nuclear envelope)l核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）l2核被膜l电镜下，核被膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成l结构组成：v外核膜（outernuclearmembrane），附有核糖体颗粒，常与rER相通连v内核膜（innernuclearmembrane），有特有的蛋白成份（如核纤层蛋白B受体），内核膜的内表面有一层网络状纤维蛋白质，即核纤层（nuclear lamina），可支持核膜v核周间隙（perinuclearspace）v核孔（nuclearpore）和核孔复合体 l核被膜的功能：v构成核、质之间的天然选择性屏障l避免生命活动的彼此干扰l保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤v核质之间的物质交换与信息交流l核被膜在细胞有丝分裂过程中有规律地解体与重建 l3核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）结构模型 核孔复合体成份的研究 核孔复合体的功能： l5结构模型vfish-trap模型v从横向上看，核孔复合体由周边向核孔中心依次可分为环、辐、栓三种结构亚单位；v从纵向上看，核孔复合体由核外（胞质面）向核内（核质面）依次可分为胞质环、辐（十栓）、核质环三种结构亚单位，形成“三明治”式的结构。

l胞质环（cytoplasmicring），外环l核质环（nuclearring），内环；内环向核内伸入一小环，即核蓝（nuclearbasket）l辐（spoke）v柱状亚单位（columnsubunit）v腔内亚单位(luminalsubunit)v环带亚单位（annularsubunit）l中央栓（centralplug）：transporterl6核孔复合体成份的研究l核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为125106，推测可能含有100余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子lgp210：结构性跨膜蛋白 v介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复合体锚定在“孔膜区”，从而为核孔复合体装配提供一个起始位点 lp62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个功能结构域v可能在核孔复合体功能活动中直接参与核质交换l7核孔复合体的功能l l核孔复合体是核质交换的双向性亲水通道核孔复合体是核质交换的双向性亲水通道 v双功能：两种运输方式：被动扩散和主动运输；v双向性：介导蛋白质的入核转运，又介导RNA、RNP的出核转运v核孔复合体物质运输功能示意图l亲核蛋白入核转运与核定位信号l转录产物RNA的核输出l8亲核蛋白入核转运与核定位信号l亲核蛋白（karyophilic protein）v在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质l核定位信号 (nuclearlocalizationsignal，NLS)vNLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段，富含碱性氨基酸残基，如Lys、Arg，此外还常含有Pro。

vNLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序列（T抗原），也可以分成两段，两段之间间隔约10个氨基酸残基（核质蛋白）vNLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，在指导完成核输入后并不被切除l核质蛋白（nucleoplasmin）的入核转运v结合：需NLS识别并结合importin；v转运：需GTP水解提供能量l9转录产物RNA的核输出l转录后的RNA通常需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核lRNA聚合酶I转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核，需要能量；lRNA聚合酶III转录的5srRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导；lRNA聚合酶II转录的hnRNA，在核内进行5端加帽和3端附加多聚A序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核，5端的m7GpppG“帽子”结构对mRNA的出核转运是必要的；lmRNA的出核转运过程是有极性的，其5端在前，3端在后l核输出信号 (Nuclear Export Signal，NES)：RNA分子的出核转运需要蛋白分子的帮助，这些蛋白因子本身含有出核信号l10第二节 染 色 质 染色质的概念及化学组成 染色质的基本结构单位核小体(nucleosome) 染色质包装的结构模型 常染色质和异染色质 l11一、染色质的概念及化学组成染色质概念 染色体DNA 染色体蛋白质 l12染色质概念l染色质（chromatin）:v指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构,是间期细胞遗传物质存在的形式。

l染色体(chromosome):v指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构v染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构v染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同,构象不同l13染色体DNAl基因组（genome） v凡是具有细胞形态的所有生物其遗传物质都是DNA在真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子，一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基因组v基因组大小通常随物种的复杂性而增加lDNA的序列可分为3种类型，即：单一序列、中度重复序列（101-5）和高度重复序列（105）lDNA二级结构具有多形性(polymorphism) l染色体具有3个基本元素：v自主复制序列(autonomously replicating DNA sequence, ARS)，是DNA复制的起点，酵母基因组含200-400个ARS，大多数具有一个11bp富含AT的一致序列（ARS consensus sequence, ACS）；v着丝粒序列(centromere DNA sequence,CEN) ，由大量串联的重复序列组成，如卫星DNA，其功能是参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离；v端粒序列(telomere DNA sequence,TEL) ，不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成，人的重复序列为GGGTTA。

l14染色体蛋白质l负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读l组蛋白(histone)：v核小体组蛋白(nucleosomalhistone)：H2B、H2A、H3和H4,帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构vH1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用,它赋予染色质以极性v特点：l真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）；l没有种属及组织特异性，在进化上十分保守l非组蛋白(nonhistone)：v非组蛋白具多样性和异质性v对DNA具有识别特异性，又称序列特异性v具有多种功能，包括基因表达的调控和染色质高级结构的形成l15二、染色质的基本结构单位核小体(nucleosome)主要实验证据核小体结构要点l16主要实验证据 l铺展染色质的电镜观察v未经处理的染色质自然结构为30nm的纤丝，经盐溶液处理后解聚的染色质呈现10nm串珠状结构l用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，部分酶解片段分析结果l应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究，发现核小体颗粒是直径为11nm、高6.0nm的扁园柱体，具有二分对称性（dyadsymmetry），核心组蛋白的构成是先形成（H3）2（H4）2四聚体，然后再与两个H2AH2B异二聚体结合形成八聚体。

l17核小体结构要点l每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1l组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构l146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用包括组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构又称染色质小体l两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为080bpl实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质l18三、染色质包装的结构模型染色质包装的多级螺旋模型(multiplecoilingmodel)染色体的骨架-放射环结构模型(scaffoldradialloopstructuremodel)染色体包装的不同组织水平l19染色质包装的多级螺旋模型一级结构：核小体二级结构：螺线管(solenoid)三级结构：超螺线管(supersolenoid)四级结构：染色单体（chromatid）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l20染色体的骨架-放射环结构模型非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomalscaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环）30nm的染色线折叠成环, 沿染色体纵轴, 由中央向四周伸出,构成放射环。

由螺线管形成DNA复制环,每18个复制环呈放射状平面排列,结合在核基质上形成微带(miniband)微带是染色体高级结构的单位,大约106个微带沿纵轴构建成子染色体l21四、常染色质和异染色质l常染色质(euchromatin)v指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低,处于伸展状态（典型包装率750倍）,用碱性染料染色时着色浅的那些染色质v常染色质是进行活跃转录的部位，呈疏松的环状，电镜下表现为浅染并非所有基因都具有转录活性,常染色质状态只是基因转录的必要条件而非充分条件l异染色质(heterochromatin)：v指间期细胞核中,折叠压缩程度高,处于聚缩状态，碱性染料染色时着色较深的染色质组分v类型l结构异染色质（或组成型异染色质）(constitutiveheterochromatin)l兼性异染色质(facultativeheterochromatin)l22结构异染色质或组成型异染色质l结构异染色质，除复制期以外，在整个细胞周期均处于聚缩状态，形成多个染色中心l结构异染色质的特征：v在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒、次缢痕及染色体臂的某些节段；v由相对简单、高度重复的DNA序列构成,如卫星DNA；v具有显著的遗传惰性,不转录也不编码蛋白质；v在复制行为上与常染色质相比表现为晚复制早聚缩；l23兼性异染色质 在某些细胞类型或一定的发育阶段,原来的常染色质聚缩,并丧失基因转录活性,变为异染色质，如X染色体随机失活。

异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径l24第四节 核仁 (nucleolus) l核仁（necleolus）见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般1-2个，也有多达3-5个的核仁的位置不固定，或位于核中央，或靠近内核膜，核仁的数量和大小因细胞种类和功能而异l核仁的超微结构 l核仁的功能 l核仁周期 ：核仁的动态变化l25一、核仁的超微结构l 核仁没有界膜包围，在电子显微镜下可辨认出有3个特征性的区域：v纤维中心(fibrillar centers，FC)：l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RNA聚合酶和rDNA，这些rDNA是裸露的分子v致密纤维组分(dense fibrillar component，DFC)：l呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是新合成的RNP（指结合蛋白质的rRNA），转录主要发生在FC与DFC的交界处v颗粒组分(granular component，GC)：l由直径15-20nm的颗粒构成，是不同加工阶段的RNP是核糖体亚单位成熟和储存的位点l核仁相随染色质(nucleolar associated chromat。