1、细胞核,植物细胞结构模式图,动物细胞结构模式图,,1、掌握细胞核的基本结构、组成及各 结 构的特点 2、掌握细胞核物质运输的特点，核基 质及核仁的功能 3、掌握染色质的化学组成，染色体 DNA的特征性结构，组蛋白的结构 和功能，染色质包装的过程,教学要求,4、熟悉中期染色体的特征性结构，常 染色质和异染色质的区别5、了解特殊染色体的结构特征,教学要求,真核细胞内最大的、最重要的细胞器，是遗传物质存储、复制和转录的场所，是细胞生命活动的控制中心,细胞核(nucleus),细胞核的形状：圆、椭圆形，少数呈不规 则形细胞核的数目： 真核细胞：绝大部分有1个细胞核（植物成 熟的筛管细胞和哺乳动物成熟的
2、红细胞无 细胞核） 肝细胞、肾小管细胞、软骨细胞、粒细胞等 有多核,细胞核一般特征,细胞核与细胞质的体积比 核质比=细胞核的体积/细胞质的体积 核质比表示细胞核的大小和细胞的成 熟程度,核质比,细胞核的结构,核膜（双层膜）：把核内物质与细胞质分开。,核孔：实现核质之间频繁的物质交换和信息交流。,染色质：由DNA（遗传信息的载体）和蛋白质组成；,核仁：与rRNA的合成及核糖体的形成有关,又称核被膜（nuclear envelope）位于间期细胞核的最外层，是细胞质与细胞核之间的界膜。将细胞分成两大结构与功能区域：DNA/RNA 复制转 录（核），蛋白质翻译（细胞质）由内、外两层平行膜构成。,第一
3、节 核膜nuclear membrane,（一）蛋白质 约占65% 75%，包括组蛋白、基因调节蛋白、DNA和RNA聚合酶、RNA酶以及电子传递有关的酶。（二）脂类 卵磷脂、磷脂酰乙醇胺、胆固醇和甘 油三酯（后两者含量较高）。,一、核膜的化学组成,二、核膜的结构与区域化作用,（一）核膜由内外两层平行但不连续的非对称性单位膜构成。,外核膜（outer nuclear membrane）：可以看作内质网的特化区，外表面附有核糖体。胞质面附着中间纤维。内核膜（inner nuclear membrane）：靠向核质，表面光滑，含有一些特异性蛋白质，如核纤层蛋白B受体。核周间隙（perinuclear
4、 space）：宽2040nm，与内质网腔相通。核孔（nuclear pore）典型哺乳动物细胞核核膜分布3000-4000核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。,三、核孔复合体,核孔（nuclear pore）由至少100种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。核孔的直径约为80120nm，核孔复合体的直径约为120nm150nm。在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如同捕鱼笼。,抽提后核孔胞质面的结构,1、核孔复合体的捕鱼笼式结构模型,核孔复合体有4种结构组分：胞质环（cytoplas
5、mic ring）： 位于核孔边缘胞质面的一侧，又称外环，环上有8条细长纤维对称分布伸向胞质；核质环（nuclear ring）： 位于核孔边缘核质面的一侧，又称内环，环上也对称连有8条细长纤维，在纤维末端形成一个直径60nm的小环，小环也由8个颗粒构成；,捕鱼笼式核孔复合体模型,辐（spoke）：由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称，可进一步分为三个结构域： 柱状亚单位（连接胞质、核质环）、 腔内亚单位（核孔边缘向核周间质）、 环带亚单位（向核孔中心）。中央栓（central plug）：位于核孔中心，呈颗粒状或棒状，在物质交换中可能起一定作用，又称中央运输蛋白（central transp
6、orter）。,捕鱼笼式核孔复合体模型,2、核孔复合体功能：介导细胞核与细胞质间的物质交换,1、核孔复合体是核质与胞质之间进行物质交换的通道。经核孔复合体的运输具有双功能和双向选择性，因此可将它视为特殊的跨膜运输蛋白复合体。双功能表现为两种运输方式：被动扩散与主动运输； 对被运输的物质在大小上加以限制（10nm）； 主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP提供能量（26nm）；双向选择性表现在两个方面：介导蛋白质的入核转运；介导RNA、核糖体蛋白颗粒的出核转运。,四、核纤层的结构与功能,核纤层（nuclear lamina）是附着于内核膜下的纤维蛋白网，由核纤层蛋白构成，属于中间
7、纤维。功能：,1、核膜为基因表达提供了时空隔 离屏障 2、核膜参与蛋白质的合成3、核孔复合体控制核-质间的物质 交换,核膜的功能,第二节 染色质与染色体,1879年，W. Flemming提出染色质（Chromatin）这一术语。 1888年，Waldeyer正式提出染色体（Chromosome）这一命名。染色质和染色体是细胞周期不同阶段可以互相转变的形态结构。,一、染色质的组成成分,染色质是间期细胞遗传物质的存在形式。最早是1879年Flemming提出的用以描述核中染色后强烈着色的物质。组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNADNA : 组蛋白 : 非组蛋白 : 少量RNA = 1 :
8、1 : 0.6 : 0.01DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白与RNA的含量则随细胞生理状态的不同而变化。组蛋白和非组蛋白都可被磷酸化，进而发挥它们在细胞核内信息的传递及转录调控方面的重要作用。,（一）染色质中的DNA是遗传信息的载体,一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息称为一个基因组。真核细胞中每条未复制的染色体均含有一条线型DNA分子。DNA分子3种基本元素：复制源序列（replication origin），是DNA复制的起点。着丝点序列（centromere sequence），姐妹染色单体的连接部位，与染色体的分离有关。端粒序列（telomere sequence），
9、保证染色体的独立性和遗传稳定性。,染色体DNA的三种基本序列,端粒序列,着丝点序列,复制源序列,组蛋白（histone）是构成真核生物染色体的基本结构蛋白。带正电荷，富含精氨酸，赖氨酸，属碱性蛋白。可与酸性DNA分子紧密结合。根据聚丙烯酰胺凝胶电泳将组蛋白分为5种： H1，H2A, H2B, H3, H4,（二）组蛋白,组蛋白在细胞周期的S期与DNA同时合成，然后转移至核内，与DNA结合，形成核小体。 组蛋白与DNA结合可抑制DNA的复制与 RNA转录，组蛋白的修饰（乙酰化、磷 酸化和甲基化）可影 响染色质的活性。,：核小体组蛋白（nucleosomal histone）：H2A、H2B、H3
10、、H4。无种属及组织特异性，进化上高度保守；协助DNA卷曲成核小体的稳定结构。连接组蛋白（linker histone）：H1。有一定的种属特异性和组织特异性；与核小体的进一步包装有关。,根据在核小体中的作用分为两类,非组蛋白（non-histone）是指细胞核中组蛋白以外的染色体结合蛋白，是序列特异性DNA结合蛋白。非组蛋白包括染色体骨架蛋白、调节蛋白以及核酸代谢和染色质化学修饰的相关酶类。,（三）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。具多样性和异质性。非组蛋白在整个细胞周期都进行合成(组蛋白只在S期合成)。能识别特异的DNA序列，识别与结合借助氢键和离子键。功能
11、： 参与染色体构建；启动DNA复制；调控基因表达。,非组蛋白的特性和功能,二、常染色质和异染色质,间期核中染色质可分为常染色质（enchromatin）和异染色质（heterochromatin）。常染色质是在有丝分裂完成之后，能够转变成间期松散状态的染色质部分。常染色质在分裂期染色深，但在间期染色浅。一般而言，常染色质是具有转录活性区，是基因区。大约有百分之十的染色质在整个间期仍然保持压缩状态，将这种染色质称为异染色质。异染色质在分裂期和间期的着色力相同。无转录活性，是遗传惰性区。,图中的N和n分别表示细胞核和核仁, 核仁外染色深的区域是异染色质。,骨髓干细胞,异染色质分类：,巴氏小体（ba
12、rr body）： 雌性哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机发生异染色质化失活。雄性哺乳类细胞的单个X染色体呈常染色质状态。,barr body,三、染色质组装成染色体,（一）核小体（nucleosome）是染色体的基本单位核小体：一种串珠状结构，由核心颗粒和连接DNA两部分组成每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个核心组蛋白和一个H1；由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心组蛋白；DNA分子以左手螺旋缠绕在核心组蛋白表面，每圈83bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA；,（二）核小体进一步螺旋形成螺线管核
13、小体通过自身形成螺旋的方式形成致密的、外径为30nm的管状结构,称为螺线管（solenoid）又称30nm染色质纤维。在螺线管中, 每一螺旋由6个核小体组成, 并呈规则排列。H1组蛋白位于螺线管内侧，起稳定作用。从核小体到螺线管压缩了6倍。,（三）螺线管进一步包装成染色体DNA从螺线管到超螺线管（0.2-0.4m）大约压缩了40倍。超螺线管进一步螺旋折叠，形成直径为12m、长度为210m的染色单体，约压缩5倍。由此看来, DNA经核小体到染色体，DNA总共压缩了8400倍。,1号染色体中的DNA包装倍数,四、染色体的形态结构,染色体形态结构一般是指中期染色体。 着丝粒与动粒次缢痕端粒随体核仁组
14、织区,（一）着丝粒位于两条姐妹染色单体的连接处 着丝粒（centromere）是染色体中连接两个染色单体的染色质, 并将染色单体分为短臂(p)和长臂(q)。根据着丝粒在染色体上的位置, 分为中着丝粒、近中着丝、近端部着丝和端部着丝四种类型。 主缢痕指姐妹染色单体连接处，向内凹陷，着色较浅的缢痕。,动粒（kinetochore）是存在于主缢痕两侧的特化的圆盘状结构，由蛋白质构成，细胞分裂时纺锤体微管连接的部位。,着丝粒-动粒区域是一种高度有序的、在结构上和组成上非均一的整合结构。包含3个结构域：1、动粒结构域（kinetochore domain） 位于着丝粒的表面，电镜下呈三层 板状结构。2、
15、中心结构域（central domain）位于着丝粒结构域的内表面。其中含有高度重复序列DNA。3、配对结构域（pairing domain）位于着丝粒结构的内层，中期两条染色单体在此处相互连结。,（二）次缢痕（secondary constriction）是染色体上的一个缢缩部位，它的数量、位置和大小是某些染色体的重要形态特征。（三）核仁组织区（nucleolar orgnizing regions NORs）是染色体上rRNA基因所在部位，位于染色体的次缢痕区，与核仁形成有关。（四）随体（satellite）是位于近端着丝粒染色体末端的、圆形或圆柱形的染色体片段，通过次缢痕与染色体主要部分
16、相连。随体由异染色质组成，含高度重复DNA序列，是识别染色体的主要特征之一。,（五）端粒（telomere）： 是染色体两个端部的特化区，由高度重复的短序列组成，富含鸟苷酸G，高度保守。,原位杂交实验显示位于人染色体末端的端粒,1 保证染色体末端的完全复制，端粒DNA提供了复制线性DNA末端的模板；2在染色体两端形成保护性帽结构，使DNA免受核酸酶或其他不稳定因素的破坏和影响，使染色体末端不会与其他染色体末端融合，保证染色体的结构完整3 在细胞 的寿命、衰老和死亡以及肿瘤的发生和治疗中起作用,端粒的主要功能,1. 多线染色体（Polytene chromosome）：,（六）特殊染色体,2、灯
17、刷染色体（lampbrush chromosome）最早发现于鱼类、两栖类和爬行类卵母细胞减数分裂的双线期，染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。侧环是DNA活跃转录的区域。,鱼类卵母细胞灯刷染色体,核型（karyotype）：是指某一个体细胞的全部染色体在有丝分裂中期的表型，包括染色体的数目、大小和形态特征等方面。 人类正常男性体细胞核型为：46，XY； 正常女性体细胞核型为：46，XX带型（banding patterns）：染色体经显带染色技术处理后，使其沿长轴呈现特定的深浅不同、宽窄不等的带纹（band）的方法。,五、核型与染色体带型,G带（Giemsa-banding）：将
18、染色体制片经盐溶液、胰酶或碱处理，再用Giemsa染料染色，在光镜下进行检查, 见到特征性的带。一般富含AT碱基的DNA区段表现为暗带。此法可制成永久性的标本。,Q带（Q-banding）：又叫荧光分带法。用喹吖因(quinacrine)荧光染料染色，在紫外光激发下,显现明暗不同的带区,可在荧光显微镜下观察。一般富含AT碱基的DNA区段表现为亮带，富含GC碱基的区段表现为暗带。此法的优点是分类简便，可显示独特的带型。缺点是标本易褪色，不能做成永久性标本片。,核仁（nucleolus）见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般12个，有时多达35个。主要功能是转录rRNA和组装核糖体单位。一般蛋白质合成
19、旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺失。核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。,第三节 核仁,一、核仁的形态结构和化学组成,主要化学组成（依细胞类型和生理状态而异）： 蛋白质：80%（核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白等） 酶：与核仁生理功能有关 RNA：11%，主要为rRNA基因转录产物 DNA：8%，主要为rRNA基因,核仁结构组分：（一）纤维中心（fibrillar centers，FC）：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rDNA和RNA聚合酶，这些 rDNA是从染色体上伸出的袢环。（二）致密纤维组分（dense fibrillar c
20、omponent，DFC）：呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，是正在转录的rRNA和核糖体蛋白。（三）颗粒组分（granular component，GC）：由直径15-20nm的颗粒构成，是正在加工和成熟的核糖体亚单位。 核仁的三种基本结构结合在一起，共同完成核仁的功能。,人成纤维细胞中核仁的电子显微镜照片,（A）是完整的核；（B）局部观察的照片，主要是致密区,二、核仁的功能核仁是细胞合成核糖体的工厂，涉及rRNA的转录、加工和核糖体大、小亚基的装配。,装配成的核糖体颗粒经核孔进入细胞质，在胞质中进一步装配成成熟的功能性核糖体。,45S rRNA,三、核仁周期核仁是一种动态结构，随细
21、胞周期的变化而变化，即形成消失形成,这种变化称为核仁周期。核仁形成的分子机理尚不清楚，目前仅知道需要rRNA基因的激活。,第四节 核基质（核骨架）,1974年Ronald Berezney和Donald Coffey首次用核酸酶和去垢剂处理细胞核, 除去了95%的核物质后, 剩下的水不溶的纤维网络，将这种结构称为核基质（nuclear matrix），又称为核骨架（nuclear scaffold）。核骨架是指核内的一个纤维蛋白性质的网架结构体系，是真核细胞间期核中除核膜、染色质及核仁以外的核内网架体系。,一、核基质的形态结构与化学组成,二、核骨架的生物学功能为DNA的复制提供支架。核骨架上结
22、合有DNA复制所需要的酶如DNA聚合酶、DNA引物酶、DNA拓朴异构酶等。DNA的复制点连续不断的结合在核骨架上。是基因转录加工的场所。核骨架上有RNA聚合酶的结合位点，RNA的合成在核基质上进行。新合成的RNA也结合在核骨架上，并在这里进行加工和修饰。与染色体和核膜的构建有关。由核小体紧密包裹形成的30nm染色质纤维可进一步折叠形成袢环结构，结合锚定在核骨架上，在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体。核骨架也参与有丝分裂后期核膜的重建。,一、 细胞核异常与肿瘤二、核转运异常与疾病 三、遗传物质异常与遗传病 1 染色体异常导致染色体病的发生 染色体病：染色体数目或结构异常所引起的疾病。 2 基因突变引起的基因病 四、端粒异常与疾病,细胞核与疾病,本章思考题,概述细胞核的基本结构及主要功能试述核孔复合体的结构及其功能。概述染色体的类型及其特性。试述从DNA到染色体的包装过程。概述核仁的结构及功能。判别题：1、控制细胞器进行物质合成、能量转换等的指令，主要是通过核孔从细胞核到达细胞质的。选择题：细胞核内行使遗传功能的结构是: A 核膜 B 核孔 C 染色质 D 核仁,
