生物化學細胞核主要版本

1、1細胞核是真核細胞內(nèi)最大、最重要的細胞器，它是基因復制、rna轉錄的中心，是細胞生命活動的控制中心。細胞核大多呈球形或卵圓形，但也隨物種和細胞類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。細胞核的細胞核的結構組成結構組成：v核被膜核被膜(nuclear envelope)與核孔復合體與核孔復合體(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) 核孔復合體核孔復合體（nuclear pore complex,npc） 3電鏡下，核被膜由內(nèi)外兩層平行但不連續(xù)的單位膜構成。結構結構

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）和核孔復合體 核被膜的功能：核被膜的功能： v構成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障構成核、質(zhì)之間的天然選擇性屏障l避免生命活動的彼此干擾l保護dna不受細胞骨架運動所產(chǎn)生的機械力的損傷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 核被膜在細胞有絲分裂過程中有規(guī)律地核被膜在細胞有絲分裂過程中有規(guī)律地解體與重建解體與重建 4新核膜來自舊核膜。核被膜的去組裝是非隨機的，具有區(qū)域特異性（domain-specific）。以非洲爪蟾卵提取物為基礎的非細胞核裝配體系提供了實驗模型。核被膜的解體與重建的動態(tài)變化受細胞周期調(diào)控因子的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用可能與核纖層蛋白、核孔復合體蛋白的 磷酸化與去磷酸化修飾有關。5核孔復合體核孔復合體（nuclear pore complex,npc）結構模型結構模型 核孔復合體成份的研究核孔復合體成份的研究 核孔復合體的功能核孔復合體的功能： 6vfish-trap模型模型v從橫向上看，核孔

4、復合體由周邊向核孔中心依次可分為環(huán)、輻、栓三種結構亞單位；v從縱向上看，核孔復合體由核外（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)三種結構亞單位，形成“三明治”式的結構。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（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核孔復合體主要由蛋白質(zhì)構成，其總相對分子質(zhì)量約

5、為125106，推測可能含有100余種不同的多肽，共1 000多個蛋白質(zhì)分子。 gp210：結構性跨膜蛋白：結構性跨膜蛋白 v介導核孔復合體與核被膜的連接，將核孔復合體 錨定在“孔膜區(qū)”，從而為核孔復合體裝配提供一個起始位點 p62：功能性的核孔復合體蛋白，具有兩個功能結構域：功能性的核孔復合體蛋白，具有兩個功能結構域v可能在核孔復合體功能活動中直接參與核質(zhì)交換。8v雙功能：兩種運輸方式：被動擴散和主動運輸；v雙向性：介導蛋白質(zhì)的入核轉運，又介導rna、rnp的出核轉運。v核孔復合體物質(zhì)運輸功能示意圖 親核蛋白入核轉運與核定位信號親核蛋白入核轉運與核定位信號 轉錄產(chǎn)物rna的核輸出9親核蛋白（

6、親核蛋白（karyophilic protein）v在細胞質(zhì)內(nèi)合成后，需要或能夠進入細胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì)核定位信號 (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，在指導完成核輸入后并不被切除。核質(zhì)蛋白（nucleoplasmin）的入核轉運v結合：需nls識別并結合importin；v轉運：需gtp水解提

7、供能量10轉錄后的rna通常需加工、修飾成為成熟的rna分子后才能被轉運出核。rna聚合酶i轉錄的rrna分子：以rnp的形式離開細胞核，需要能量；rna聚合酶iii轉錄的5s rrna與 trna的核輸出由蛋白質(zhì)介導；rna 聚合酶ii轉錄的hn rna，在核內(nèi)進行5端加帽和3端附加多聚a序列以及剪接等加工過程，然后形成成熟的mrna出核，5端的m7gpppg “帽子”結構對mrna的出核轉運是必要的；mrna的出核轉運過程是有極性的，其5端在前，3端在后。核輸出信號核輸出信號 (nuclear export signal，nes)：rna分子的出核轉運需要蛋白分子的幫助，這些蛋白因子本身含

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

9、胞周期不同的功能階段可以相互轉變的的形態(tài)結構v染色質(zhì)與染色體具有基本相同的化學組成，但包裝程度不同,構象不同。14基因組（基因組（genome） v凡是具有細胞形態(tài)的所有生物其遺傳物質(zhì)都是dna。在真核細胞中，每條未復制的染色體包裝一條dna分子，一個生物貯存在單倍染色體組中的總遺傳信息，稱為該生物的基因組。v基因組大小通常隨物種的復雜性而增加。 dna的序列可分為3種類型，即：單一序列、中度重復序列（101-5）和高度重復序列（105）。dna二級結構具有多形性二級結構具有多形性(polymorphism)染色體具有3個基本元素：v自主復制序列自主復制序列( (autonomously re

10、plicating dna sequence, ars)autonomously replicating dna sequence, ars)，是dna復制的起點，酵母基因組含200-400個ars，大多數(shù)具有一個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)的重復序列組成，如衛(wèi)星dna，其功能是參與形成著絲粒，使細胞分裂中染色體能夠準確地分離；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5-10bp的重復單位串聯(lián)而成，人的重復序列為gggtta。15負責dna分子遺傳信息的組織、復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)定結構vh1組蛋白：在構成核小體時h1起連接作用, 它賦予染色質(zhì)以極性。v特點：l真核生物染色體的基本結構蛋白，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緊密結合（非特異性結合）；l沒有種屬及組織特異性，在進

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dna具有識別特異性，又稱序列特異性v具有多種功能，包括基因表達的調(diào)控和染色質(zhì)高級結構的形成。 16二、染色質(zhì)的基本結構單位二、染色質(zhì)的基本結構單位核小體核小體(nucleosome)主要實驗證據(jù)主要實驗證據(jù) 核小體結構要點核小體結構要點 17鋪展染色質(zhì)的電鏡觀察v未經(jīng)處理的染色質(zhì)自然結構為30nm的纖絲，經(jīng)鹽溶液處理后解聚的染色質(zhì)呈現(xiàn)10nm串珠狀結構 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果應用x射線衍射、中子散射和電鏡三維重建技術研究，發(fā)現(xiàn)核小體顆粒是直徑為11nm、高6.0nm的扁園

13、柱體，具有二分對稱性（dyad symmetry），核心組蛋白的構成是先形成（h3）2（h4）2四聚體，然后再與兩個h2ah2b異二聚體結合形成八聚體。18每個核小體單位包括200bp左右的dna超螺旋和一個組蛋白八聚體及一 個分子h1。組蛋白八聚體構成核小體的盤狀核心結構。146bp的dna分子超螺旋盤繞組蛋白八聚體1.75圈, 組蛋白h1在核心顆粒 外結合額外20bp dna，鎖住核小體dna的進出端，起穩(wěn)定核小體的作用。 包括組蛋白h1和166bp dna的核小體結構又稱染色質(zhì)小體。兩個相鄰核小體之間以連接dna 相連，典型長度60bp，不同物種變化值為080bp。實驗表明，核小體具有自

14、組裝（self-assemble）的性質(zhì)。19染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型染色質(zhì)包裝的多級螺旋模型 (multiple coiling model) 染色體的骨架染色體的骨架-放射環(huán)結構模型放射環(huán)結構模型 (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 20一級結構：核小體二級結構：螺線管(solenoid)三級結構：超螺線管(supersolenoid) 四級結構：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非組蛋白構成的染色體骨架(chromso

15、mal scaffold)和由骨架伸出的無數(shù)的dna側環(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,構成放射環(huán)。由螺線管形成dna復制環(huán),每18個復制環(huán)呈放射狀平面排列, 結合在核基質(zhì)上形成微帶(miniband)。微帶是染色體高級結構的單位,大約106個微帶沿縱軸構建成子染色體。 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, 處于伸展狀態(tài)（典型包裝率750倍）, 用堿性染料染色時著色淺的那些染色質(zhì)。v常染色質(zhì)是進行活躍轉錄的部位，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錄活性,常染色質(zhì)狀態(tài)只是基因轉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指間期細胞核中, 折疊壓縮程度高, 處于聚縮狀態(tài)，堿性染料染色時著色較深的染色質(zhì)組分。v類型l結構異染色質(zhì)（或組成型異染色質(zhì)）(constitutive heterochromatin) l兼性異染色質(zhì)(facultative heterochromatin) 23 結構異染色質(zhì)，除復制期以外，在整個細胞周期均處于聚縮狀態(tài)，形成多個染色中心。 結構異染色質(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由相對簡單、高度重復的dna序列構成, 如衛(wèi)星dna；v具有顯著的遺傳惰性, 不轉錄也不編碼蛋白質(zhì)；v

17、在復制行為上與常染色質(zhì)相比表現(xiàn)為晚復制早聚縮；24 在某些細胞類型或一定的發(fā)育階段, 原來的常染色質(zhì)聚縮, 并喪失基因轉錄活性, 變?yōu)楫惾旧|(zhì)，如x染色體隨機失活。 異染色質(zhì)化可能是關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）見于間期的細胞核內(nèi)，呈圓球形，一般1-2個，也有多達3-5個的。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)量和大小因細胞種類和功能而異。核仁的超微結構核仁的超微結構 核仁的功能核仁的功能 核仁周期核仁周期 ：核仁的核仁的動態(tài)變化動態(tài)變化26 核仁沒有界膜包圍，在電子顯微鏡下可辨認出有核仁沒有界膜包圍，

18、在電子顯微鏡下可辨認出有3個特征性的區(qū)域個特征性的區(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或幾個低電子密度的圓形結構，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，由致密的纖維構成，是新合成的rnp（指結合蛋白質(zhì)的rrna），轉錄主要發(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的顆粒構成，是不同加工階段的rnp。是核糖體亞單位成熟和儲存的位點

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，一部分位于核仁周圍，稱為核仁周染色質(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) 過程包括rrna的合成、加工和核糖體亞單位的裝配。rrna基因轉錄的形態(tài)及組織特征基因轉錄的形態(tài)及組織特征 v基因轉錄的組織特征： 位于nors的rdna是rrna的信息來源。v基因轉錄的形態(tài)特征:“圣誕樹”樣結構。rrna前體的加工前體的加工 v加工過程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)，即細胞核內(nèi)除了核被膜、核纖層、