第十一章细胞核

第十一章细胞核 • 形态、大小、数量及在胞质中的位置 • 1.形态：核的形态以圆形、卵圆形为最多。 • 2.数量：一般的真核细胞中，只有一个细胞核，但有些细胞有多个核。 • 3.位置：细胞核通常位于细胞的中心部位或稍偏向某一极。

4.大小 • 与DNA含量成正比，可用核质指数(NP)来表示： • NP=Vn/Vp • （Vn：细胞核体积，Vp：细胞质体积） • NP是判别细胞状态的指标 • 幼稚细胞：NP > 0.5 • 衰老细胞：NP < 0.5

第一节细胞核的结构 • 核膜（nuclear envelope) • 染色质(chromatin) • 核仁(nucleolus) • 核基质(nuclear matrix or nucleoplasm)

一.核膜核膜的结构（一） • 核膜外层（outer membrane ) • 核膜内层（inner membrane) • 核周间隙（perinuclear space) • 核孔（nuclear pore)

核膜的结构（二）：核孔复合体 • 核孔 • 核膜内、外层8对环孔颗粒 • 核膜内、外层交界处8个周边颗粒 • 中央颗粒 • 连接蛋白丝

二.染色质 ◆染色质（chromatin）: 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。 ◆染色体(chromosome): 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。 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

染色质的类型： • 常染色质:不易染色、呈伸展状态且功能活跃的染色质； • 异染色质:间期细胞核中易染色、呈高度螺旋状态且功能不活跃的染色质 • 异染色质的特点： 1.在间期核中处于凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。 2.在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（异固缩现象）。

染色质类型 染色质的类型常染色质异染色质形态螺旋化程度低螺旋化程度高光镜下见不到光镜下可见功能转录功能活跃转录功能不活跃. 分化低及分泌旺盛衰老细胞中较多细胞中较多分布核中央核边缘. 核仁外周

（一）化学组成： • DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA,比例为：1:1:(1-1.5):0.05 1. 组蛋白：富含Arg，Lys,属碱性蛋白 • 连接组蛋白：H1，具有属和组织特异性。 • 核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4；结构高度保守

2.非组蛋白 • 特性： • 含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质。 • 整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S期合成。 • 功能：参与染色体构件（帮助DNA折叠）；启动基因的复制；调节基因的转录。

（二）染色质的结构 • 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1.7~2.0m。铺展染色质的电镜观察：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

染色质的一级结构---核小体 • 核小体：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结DNA两部分组成 • 核心颗粒：以2（H2A、H2B、H3、H4）组成的八聚体为核心，外饶1.75圈的DNA，约140bp，两端被H1锁合 • 连接DNA（ 60bp ）：将相邻核心颗粒相连 • 通过核小体，DNA长度压缩7倍，形成10nm的纤维

染色质的二级结构—螺旋管 • 螺旋管：核小体串珠围绕一个空心轴，以6个核小体为一圈缠绕而成的中空性管（外径30nm、内径10nm）。 • 从核小体到螺线管压缩了6倍。

染色质的三级结构—超螺旋管 • 30nm的染色质纤维进一步螺旋化, 形成一系列的环,这些环附着在骨架蛋白上。环的直径是300nm。然后, 螺旋环进一步形成超螺旋环, 此时的直径为700nm。 • DNA从螺线管到超螺线管又压缩了40倍。

染色质的四级结构---染色单体的形成 DNA双螺旋压缩7倍核小体（一级结构）压缩6倍螺旋管（二级结构）压缩40倍超螺旋管（三级结构）压缩5倍染色单体（四级结构）形成直径为1～2μm, 长度为2～10μm的中期染色体

染色体的骨架-放射环结构模型 ◆非组蛋白构成的染色质骨架 ◆30nm螺线管折叠成环, 沿染色体纵轴, 由中央向四周伸出,构成袢环。 ◆在同一平面上的18个袢环形成微带。微带是染色体高级结构的单位, 微带沿纵轴构建成子染色体。

组蛋白 蛋白质非组蛋白化学组成 DNA RNA 核酸染色质核小体螺线管三级、四级结构结构

人的最长的1号染色体中的双螺旋DNA总长88,000μm,包装成染色体后只有10μm长，被压缩了8800倍。人的最长的1号染色体中的双螺旋DNA总长88,000μm,包装成染色体后只有10μm长，被压缩了8800倍。

(三)染色体： 染色单体在着丝粒处相连,互称为姐妹染色单体。着丝粒和动粒着丝粒位于两条染色单体连接处,将染色体分为两个臂。动粒（着丝点）是着丝粒周围有蛋白质性质的盘状结构，可直接连接纺缍丝，是纺缍丝的附着区域。主缢痕和次缢痕染色体臂长臂（q) 短臂（p）。随体在有些染色体的短臂近末端，有一棒状或球状的结构，称随体。端粒是染色体末端的特化部位，防止染色体末端彼此粘着。

次缢痕与核仁组织区 • 核仁组织区(NOR)染色体的次缢痕处，含有rRNA基因的一段染色体区域，与核仁的形成有关，故称为核仁组织区。具有核仁组织区的染色体数目依不同细胞种类而异，人有5对染色体即13、14、15、21、22号染色体上有核仁组织区。

动粒与主缢痕 • 动粒是由着丝粒结合蛋白在有丝分裂期间特别装配起来的、附着于主缢痕外侧的圆盘状的结构。 • 着丝粒：指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位，是一段高度重复的DNA，此时还没有复制。

中期染色体的结构及核型 • 核型： • 一个体细胞全套染色体按一定的序列排列而成的图形

三、核仁 • 核仁见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般1~2个，有时多达3~5个。主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位。 • 一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺如。 • 核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。

（一）超微结构 • 纤维中心（FC）：呈浅染区，主要成分为rDNA伸出的袢环。 • 致密纤维组分（DFC）：位于浅染区周围,呈环形或半月形，由致密的纤维构成，含有正在转录的RNA分子 • 颗粒组分(GC)：由直径15-20 nm的颗粒构成，代表已合成的核糖体前体颗粒。

(二)核仁的形成和消失 • 核仁为什么间期出现？ • 细胞分裂间期，核仁组织者区的DNA伸展成袢样，在RNA聚合酶等的参与下，开始转录rRNA，那些纤维状、颗粒状的rRNA以及rDNA等共同构成了核仁。 • 细胞从间期进入分裂期后，DNA分子高度螺旋，这一段DNA分子也同样的高度螺旋，袢样结构回缩，转录功能停止，纤维状、颗粒状的rRNA分子当然也没有了。这样，原来看到的核仁也随之消失。

核仁的功能：是细胞合成核糖体的工厂 1.rRNA转录

2.核糖体亚基的组装 rRNA基因是重复的多拷贝基因。人的一个细胞中约有200个拷贝,相邻基因之间为非转录的间隔DNA

四.核基质：核纤层、染色体骨架 • 1.核纤层：附着于核膜内侧的纤维状蛋白网 • 由核纤层蛋白构成,有ABC三种； • 为核膜提供支架，维持细胞核形态；

核纤层在细胞周期中的变化 • 间期，核纤层提供了染色质（异染色质）在核周边锚定的位点。 • 前期结束时，核纤层被磷酸化，核膜解体。其中B核纤蛋白与核膜残余小泡结合，A和C溶于胞质中。 • 分裂末期，核纤层去磷酸化重新组装，介导了核膜的重建。

2.染色体的骨架 非组蛋白构成的染色质骨架

第二节细胞核的功能 一、遗传物质的贮存人46条染色体(DNA) ,3.2×109bp. 二、DNA复制--半保留复制三、基因表达

一、生物遗传物质的贮存 • 遗传物质:是从亲代获得又能遗传给后代的物质 • DNA分子的一级结构即4种核苷酸的排列顺序贮存遗传信息。

二、DNA 复制（DNA replication) • DNA复制：DNA分子合成一个与自己相同的DNA分子的过程叫DNA复制。 • 在细胞生活周期的S期完成

(一)DNA复制的基本形式和过程 • 1.DNA复制的基本形式： • 半保留复制:DNA复制以两条链为模板，新产生的子代DNA 都具有亲代DNA的一条链

在解旋酶酶的作用下，DNA复制起始部位解旋，DNA双链分离，膨大，形成复制泡;在解旋酶酶的作用下，DNA复制起始部位解旋，DNA双链分离，膨大，形成复制泡; 复制叉:松开的两股链和未松开的两股链外形如“Y”字形; 复制子：起始点和复制叉共同构成一个单位，叫复制子 2.DNA复制的基本过程(1)---复制泡和复制叉的形成

(2）以DNA单链为模板，按照碱基互补配对的原则, 在DNA聚合酶催化下，合成与模板DNA完全互补的新链，并形成一个新的DNA分子。

DNA 复制两个限制因素 • 新DNA链的合成必须以5‘—3’方向进行(DNA多聚酶的特性)； • 新DNA链不能从头合成，必须从以存在的3‘—OH开始

（3）前导链和后导链 前导链： DNA复制时,从3′→5′母链方向是连续合成的，合成的子链叫前导链。后导链：从5′→3′母链方向是不连续性合成许多片段，称岗崎片段。岗崎片段最后由DNA连接酶连接成一条完整的链，称做后导链。

(4）.半不连续复制 • 半不连续复制：有人将一股子链的复制是连续的、另一股是不连续的现象称为半不连续复制。

半保留复制和半不连续复制 • 半保留复制:DNA复制以两条链为模板，新产生的子代DNA 都具有亲代DNA的一条链 • 半不连续复制:一股子链的复制是连续的、另一股是不连续的现象称为半不连续复制;

DNA的复制过程

三、基因的表达： DNA转录RNA，RNA又能合成蛋白质的过程 • (一)基因 • 基因组(genome ):一个生物细胞内的全部遗传信息 • 基因（gene ):合成蛋白质或RNA所必需的一段DNA序列

1.原核细胞基因结构特点 1. 只有一个裸露的、环状的DNA分子 2. 结构简单，无内含子 3.基因多为单一序列 4. 基因的序列是连续的，转录后不需要剪接加工。 5. 基因以操纵子结构存在

原核细胞基因结构 • 功能相关的基因组成操纵子 • 操纵子:启动子、操纵基因、结构基因 • 调节基因：调节结构基因的表达

真核细胞基因结构特点 1. 基因组DNA比较庞大，结构复杂 2. 基因组DNA中非编码序列占绝大部分 3. 基因多为断续基因，编码区中含有内含子 4.基因大小悬殊 5.含有大量的重复序列高度重复序列 • 中度重复序列 • 低度重复序列

3.人类结构基因 TATA N E1 I 1 E2 I 2 E3 N • 1.外显子和内含子 • 外显子:具有实际编码意义的碱基顺序 • 内含子:无实际编码意义的碱基顺序 CA AT 调节元件 CAAT box TATA box 外显子内含子终止子上游调节序列启动子编码区 • 2.前导区：位于编码区的上游，相当于5′端的非编码区。 • 3.尾部区：位于编码区的下游，相当于3′端的非编码区

4.启动子和增强子 • 启动子： TATA box CAAT box GC box • 增强子：位于转录起始点的上游或下游，它没有明显的一致顺序。 • 5.终止子：结构基因的末端有一段特定的碱基序列，它具有终止转录的作用，故称终止子。终止子有一段碱基序列具有回文结构的特点。

(二)人类基因组计划(HGP) • 指弄清楚人类24条染色体上全部3*109 bp核苷酸序列,共有多少个基因,每个基因的起始点及相互线形关系

(三)后基因组计划 • 1.基因功能上的相互关系 • 2.基因组多样性 • 3.蛋白质组 • 4.信号转导

思考题 • 1.什么是核孔复合体 • 2.染色质化学组成和结构。 • 3.核仁功能及其过程。 4.DNA复制基本形式和过程 • 5.原核细胞、真核细胞、人类细胞基因结构异同点

第十一章 细 胞 核