细胞生物学-9间期细胞核和染色体

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1、间期细胞核n真核细胞:均具有细胞核，失去细胞核后，很快就要死亡。n少数细胞:无细胞核的状态下可以继续进行生命活动。如哺乳动物的成熟红细胞；植物韧皮部的筛管(营养输导细胞)。n一个细胞只有一个细胞核。n特殊的细胞:同时含多个核。如:白细胞中多核细胞，可含有多个核。结构：核膜、核仁、染色质（染色体）结构：核膜、核仁、染色质（染色体）和核基质和核基质功能：遗传信息储存、复制和转录的场所；功能：遗传信息储存、复制和转录的场所；细胞功能、代谢、生长等的细胞功能、代谢、生长等的 控制中心。控制中心。细胞核的形态结构细胞核的形态结构一、核被膜与核孔复合体（一）核被膜内外两层平行膜膜厚。胞质侧核膜(核外膜):

2、胞质面上附有大量核糖体颗粒,常与粗面内质网相连。核质侧核膜（核内膜）：表面光滑，含有一些特异性的蛋白质，如核纤层蛋白B受体。核膜间隙：内外层核膜之间，20-40nm 与粗面内质网腔相通n内、外核被膜在一定部位相互融合，形成一些环形开口，为核孔。n核孔规则排列n核孔：由100多种蛋白质分子构成 相对分子质量：5 1x105kDa 结构复杂 称核孔复合体(nuclear complex)n孔膜区：靠近核孔处的核膜在化学组成上与其他处的核膜不同 特征性蛋白：跨膜糖蛋白gp210。（二)核孔复合体n胞质与核质之间物质运输的通道，普遍存在n直径80-120nm，其中间通道大小9X15nmn数量随细胞种类

3、、生理状态改变。与基因的转录活性有关：旺盛时数量增加；转录低时数量减少1核孔复合体的结构n大小和组成复杂，分离纯化困难，形态结构至今没有一个统一模型n1974年Franke、Boberts等提出核孔复合体模型以来，先后出现多种模型，著名的有：纤丝模型(Franke and Scheer 1974)滴漏样模型(HRis，1991)圆柱模型(Akey，C.W.，1993)其中，1974年Franke和Scheer所提出的纤丝模型广为引用。纤丝模型纤丝模型n核孔复合体由核孔和孔环构成的复合丝状结构，在核膜上非随机分布，穿越双层核膜形成通道。n核孔中心：一颗粒状或棒状的中央颗粒，称为中央栓(centr

4、al plug)。n核孔的内、外膜开口的边缘上均有环状物质存在，称为环带。环带为非匀质结构，核孔的内、外开口处均有一个由8个直径为10-25nm的环状颗粒。n每个环带的环状颗粒上还分别向核质与胞质中伸出丝状物。胞质环向胞质中伸出的丝状物短而卷曲；核质环向核质中伸出的丝状物长而直。n核孔复合体主要由蛋白质组成，50100多种n核孔蛋白：常含有以二肽(FG)结尾的重复区段，可能是与转运受体发生相互作用的位点；n已识别两类核孔蛋白：gp210和一组O-连接的糖蛋白。Gp210：跨膜N-连接糖蛋白，具有信号肽和两个疏水性序列，作用：将核孔复合体铆连到核膜上，稳定核孔复合体。O-连接的糖蛋白：8-10种

5、，作用：可能构成胞质和核质的丝状物，直接参与胞质和核质之间的物质交换。2核孔复合体的功能核孔复合体的功能n核质与胞质之间进行物质交换的通道n运输具有双向选择性n主要：被动运输(自由扩散)和主动运输n核孔复合体通道：充满液体的柱状通道，只允许离子和水溶性小分子自由扩散严格的双向选择性，均是载体介导的过程。对被运输物质大小上加以限制：核孔在主动运输中的功能直径是可以调节的；核孔的主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP来提供能量；具有运进核和运出核的双向性，如DNA聚合酶、RNA聚合酶、组蛋白和核糖体蛋白等物质的运进，RNA和核糖体亚单位等物质的运出。(1)核蛋白的运进核蛋白均含有一

6、段特殊的氨基酸序列，称为核输入信号(nuclear import signal)4-8个氨基酸构成的一个短肽，富含带正电的氨基酸NLS与信号肽区别：定位在亲核蛋白的不同部位，进入核后也不被切除。已鉴定出多种不同核输入信号，没有共同的特征性序列(2)RNA和核糖体亚单位的运出选择性受体介导的主动运输过程选择性表现在:nRNA只有转录后加工成熟后才能被运出n成熟小胞质RNA（scRNP）运出需要特异性信号n成熟mRNA和scRNA的运出需要依赖于其5-端的m7G帽n成熟rRNA在核内变成核糖体亚单位，以RNP的形式依赖于受体介导被运出细胞核n核糖体亚单位较大(直径15nm)，运出机理不清。(三)核

7、纤层n内层核膜内表面、中间纤维相互交织而成，高电子密度的蛋白质网络结构n核纤层在内层核膜和染色质之间形成一层网络状结构。n三种多肽：核纤层蛋白(lamins)A、B和C近核膜侧：B与内层核膜中的特定受体结合，其受体蛋白为内层核膜中的整合膜蛋白，分布在核孔复合体的附近，以一定部位与核孔复合体的核质环相连；近染色质侧：核纤层蛋白A和C可与染色质上的特殊位点相结合，为染色质提供附着位点。n核纤层的功能：维持核孔的位置和核被膜的形状 为间期染色质提供附着位点，是染色质的结构支架。n在有丝分裂过程中，核纤层还与核被膜的解体和重建有关。在分裂前期末，核纤层蛋白被磷酸化，核纤层解体，进而使核被膜发生解体；而

8、在分裂末期，核纤层蛋白去磷酸化，重新组装成核纤层，导致核被膜的重建。间期核中，染色质两种状态：伸展开的呈电子透亮状态，为常染色质；卷曲凝缩的，为异染色质。n染色质和染色体是遗传物质在细胞周期不同阶段的存在形式，二者的化学组成没有多大差异。染色质：间期细胞，网状不规则，有利于复制和表达染色体：细胞分裂过程中，棒状结构，利于平均分配二、染色质和染色体的分子结构二、染色质和染色体的分子结构（一）染色质的分子结构1.染色质的基本结构单位核小体R.Kornberg于1974年提出染色质结构的念珠模型。染色质的基本结构单位：核小体 200bpDNA、5种组蛋白核心：4种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）

9、各2个分子成8聚体核心颗粒；约140bpDNA缠绕圈；直径11nm，圆盘形相邻核小体：H1组蛋白结合60bp连接DNA H1锁住DNA分子进出口，稳定结构n由核小体重复单位靠拢排列组成10nm粗的核小体丝，即染色质丝。n核小体核心颗粒的DNA分子双螺旋同4种组蛋白有一定的相互作用部位，只有H3和H4才能同DNA结合成类似的核小体;只有H2AH2B则形不成核小体颗粒。n核小体的核心较稳定，而连接区易被核酸酶所消化。连接区具有柔性，为染色质丝的进一步折曲提供了方便。n各种组织的核小体核心部分的DNA长度很恒定；连接区的DNA长度各个物种有所不同，所以不同细胞中，每一个核小体DNA基本单元长度有差异

10、。nDNA的复制和RNA的转录均涉及核小体结构的变化。DNA复制时，要发生核小体的局部解体和组蛋白八聚体的全保留式组装(即新旧组蛋白不相互混合)。n离子强度的变化对染色质纤维的结构有明显的影响。低离子强度(1molL)，染色质展开成l0nm核小体丝，为一串松散的核小体。随着离子强度的升高。H1组白分子间的相互作用面积增大，核小体丝逐渐折屈成锯齿形，进而卷曲成螺旋管，即30nm染色质粗纤维。螺旋管的每圈由6-8个核小体围成H1组蛋白位于螺旋管腔的内表面。去掉H1组蛋白，核小体丝不能卷曲成30nm纤维。2、常、异染色质的区别常染色质异染色质部位核中央核周缘染色浅亮深纤维直径10nm25nm螺旋化低

11、、伸展DNA高、颗粒状DNA 单一或中度重复高度重复转录活性有无复制早晚2.常染色质与异染色质一条染色体：有常染色质区段，也有异染色质区段异染色质分两种类型结构异染色质：各种细胞中总处于凝缩状态 高度重复序列、不转录 染色体着丝粒、端粒 功能：染色体结构形成及染色体配对兼性异染色质：某些细胞或发育阶段呈浓缩状态 如：哺乳动物的X染色体雄性动物：1个染色体，完全是常染色质雌性动物：2个X染色体，1个是常染色质，另1个在胚胎发育到一定时间 (人为第16天)变为凝缩的异染色质所以，间期核中有1个X染色体呈现为浓染小体，位于核周缘，称X染色质（巴氏小体）(二)中期染色体的结构在细胞周期的大部分时间内，

12、遗传物质是以染色质的形式存在的。在整个细胞周期中，染色体进行着凝缩和松展的周期性变化。在细胞有丝分裂的中期，形成高度凝缩的染色体。在中期具有特定形态结构的染色体称为中期染色体。染色质一级结构：核小体连接而成，形似一串念珠染色质二级结构：螺线管，外经30nm 核小体串珠链螺旋盘绕，每圈6个核小体螺线管到染色体：观点不同染色体“袢环”模型 Laemmli提出染色体支架：非组蛋白构成的纤维网架袢环：螺线管一端与支架结合 另一端向周围呈环状迂回后再回到结合处 含315个核小体微带：18个袢环呈放射平面排列微带沿染色体纵轴建成染色体染色体是由30nm粗纤维经过几级卷曲而成。30nm粗纤维的进一步卷曲，需

13、有结构非组蛋白参加，形成支架。去掉组蛋白的染色体周围布满了松展开的裸露DNA丝。由非组蛋白构成的支架仍保持着染色体的基本轮廓，特称为染色体骨架。染色体骨架是染色体中真实存在的结构，为核骨架的成员之一。中期染色体含有2个骨架，每个染色单体占有1个骨架。展开的DNA丝为长25um(75 000bp)袢，袢的两端连接到骨架上相靠近的部位。2.中期染色体的分子结构中期染色体上有高度分化的区域，比较细的区域称为缢痕(constriction)，着丝粒处的缢痕称为主缢痕。除了着丝粒处的主缢痕外，其他处的缢痕均称为次缢痕。有的染色体在一末端附近有一次缢痕，是核仁组织区(nucleolus-organizin

14、g region，NOR)所在部位，这种具有核仁组织区的染色体称为核仁组织染色体。染色体由着丝粒划分为两部分，即两个臂。染色体组中各对染色体的着丝粒位置不同，故各染色体两臂的长度不同。根据着丝粒的位置不同，将染色体分为四种：(1)中央着丝粒染色体(2)亚中央着丝粒染色体(3)近端着丝粒染色体(4)端着丝粒染色体染色体代表性结构：染色体代表性结构：(1)着丝粒(centromere)：有丝分裂时纺锤丝附着的部位。着丝粒处的染色体较细，称为主缢痕。着丝粒是染色体的一个组成部分，电镜下可以看到，纺锤丝并不直接和着丝粒相连，而是连接在着丝粒一侧的一个盘状蛋白质结构上，这一结构称为动粒(kinetoch

15、ore)。动粒在电镜切片上呈三层式结构，中间层密度小，而两侧两层密度大。内层同着丝粒紧密相连，每一动粒上可连接有440条微管，外层连有纺锤丝微管。绝大部分染色体微管连接于动粒的外层。n动粒和着丝粒无论是在空间位置，还是在结构和功能上均具有密不可分的关系。Plata(1990)将哺乳动物细胞中染色体的主缢痕区域称为着丝粒-动粒复合体，并提出了着丝粒动粒复合体的结构模型，将其分为动粒结构域、中心结构域和配对结构域三个结构域(图1228)。n用抗微管蛋白抗体显示，动粒中也含有微管蛋白，动粒具有微管组织中心的作用，当把中期染色体分离出来，同微管蛋白溶液(适当缓冲液)一起培育时，所有染色体的动粒上均重组

16、成微管。(2)端粒(telomere)端粒为染色体端部的特化部分，位于染色体的端部，由端粒DNA与端粒蛋白构成，功能与维持染色体的稳定性、保证DNA的完全复制和染色体在核内的分布有关。在同源染色体配对时，端粒能结合在核膜上；端粒长时，细胞能分裂和存活；端粒短时，细胞不能分裂甚至不能存活。这与端粒酶的表达与否有关。(3)次缢痕(secondary constriction)除着丝粒区主缢痕以外的其他缢痕。由于此部分DNA发生松解，故而变细。每种生物的染色体组中至少有一条或一对染色体有次缢痕，可作为鉴定某条染色体的标志。有些次缢痕可形成核仁组织区。(4)核仁组织区(nucleolus-organi

17、zing region,NOR)：核仁组织区位于染色体次缢痕部位(并非所有的次缢痕都是NOR)，此处伸出DNA袢环(含有rRNA的基因，可活跃合成18S、和28S rRNA rRNA，与核仁的形成有关。(5)随体(satellite)：指染色体末端部分的球形或圆柱形的片段结构，通过次缢痕与染色体的主要部分相连。为识别染色体的重要特征之一。其中，端随体位于染色体末端；中间随体位于两个次缢痕之间。3染色体的关键序列染色体的关键序列染色体要确保在细胞世代中保持稳定，必须具有自主复制、保证复制完整性、能够平均分配到2个子细胞中的能力，即必须要具有能发挥这些能力的结构序列。(1)自主复制DNA序列20世

18、纪70年代末首次在酵母DNA序列中发现。都具有一段11-14bp、富含AT的高度保守序列。这段序列及其上游和下游约200bp 的区段均对自主复制序列的功能是必需的。自主复制DNA序列具有一复制起点，能确保染色体在细胞周期中能够自我复制，从而保证染色体在世代传递中具有稳定性和连续性。(2)(2)着丝粒着丝粒DNADNA序列序列着丝粒DNA序列与染色体的分离有关。通过对不同来源着丝粒DNA序列的分析，发现它们均含有2个紧密相连的核心区：一个是80-90bp的AT区，另一个是11bp的保守区。利用着丝粒DNA序列的缺失损伤或插入突变实验发现，一旦改变这两个核心区中的序列，着丝粒DNA序列便会丧失其生

19、物学功能。着丝粒DNA序列能确保染色体在细胞分裂时能被平均分配到2个子细胞中去。(3)(3)端粒端粒DNADNA序列序列一段短的正向重复序列，在四膜虫中，为一段重复20-70次的3-GGGGTT-5序列。功能：保证染色体的独立性和遗传稳定性。末端DNA的复制，由端粒酶(telomerase)来负责。端粒酶：一种RNP分子，由RNA和蛋白质构成，具有反转录酶的功能。催化合成端粒DNA的机制是：端粒酶沿后随链以3-OH为引物，合成端粒DNA重复序列。然后，新合成的端粒DNA重复序列折回成袢，再以T2G4为模板合成DNA，以保证DNA的完全复制。4.4.特殊染色体特殊染色体多线染色体和灯刷染色体两类

20、。(1)多线染色体：双翅目昆虫(如果蝇)幼虫的唾腺细胞等，以及植物的胚珠细胞；细胞永远处于间期阶段，不再进行有丝分裂。在幼虫发育期间，染色体要进行4-15次复制，复制后新、老链不分离，因而一个染色体中有24215条DNA分子，这种现象称为核内有丝分裂。这种只复制不分离的巨大染色体就称为多线染色体。多线染色体比一般染色体粗得多。由于多线染色体中平行排列的染色质纤维各段凝缩紧密程度不同，因而呈现出横行带纹现象，有的带可含多个基因。多线染色体的带可保持静息状态，但有的带发生蓬松现象，出现蓬突。有一些大的蓬突命名为巴氏环。多线染色体出现的蓬突是基因活动区，是正在进行转录的表现。转录的产物绝大部分是mR

21、NA。多线染色体的某些蓬突中也能掺入3H-胸腺嘧啶核苷，说明这些区段进行DNA外复制，是一种基因扩增现象。(2)灯刷染色体灯刷染色体(lampbrush chromosome)n动物卵母细胞在双线期中普遍发生，染色体伸出大量侧环的现象。n染色体外形类似于灯刷(或试管刷)。两栖类动物的灯刷染色体十分明显，而且很长。n灯刷染色体出现于减数分裂的双线期，为二价体，两条同源染色体通过几处交叉而相连。n灯刷染色体的每一同源染色体轴表现为由1行颗粒组成，这种颗粒称为染色粒。n染色粒是染色单体紧密折叠的区域，为不进行转录的片段，侧环是进行转录的区段。侧环部分的DNA约占DNA总量的5。n侧环均成对存在，染色

22、体中的两个侧环染色单体在各个对应部位都各松展出1个侧环。n每条染色体上可伸出5,000-10,000个侧环。n侧环是由DNA分子外被以基质所组成，基质的成分是RNA和蛋白质。n每1个侧环是1个转录单位。侧环两端粗细不等，由细端逐渐向另一端增粗。n侧环上伸出的不同长度核糖核蛋白丝是DNA轴的转录产物。转录的RNA为mRNA前体物，供卵细胞生长和胚胎时期发育之用。n由于转录活动是由侧环一端开始，向着另一端进行，而且转录出的RNA链与DNA主轴垂直，因此随着DNA链的不断延长而使侧环加粗，呈现为雪松形。三、核仁三、核仁n1个或几个浓密的球形小体，称为核仁(nucleolus)。n生理活动旺盛的细胞，

23、核仁大；不太活动的细胞，核仁就小。n电镜下：核仁无膜包围，由四部分组成，即颗粒区、原纤维区、核仁染色质和基质。颗粒区和原纤维区最明显。n核仁4种成分的比例随细胞的生理活动而有所变化，细胞代谢旺盛时，颗粒区明显，反映出正在活跃地合成核糖体亚单位的状态。颗粒区往往位于核仁的边缘部分，由直径约15-20nm的颗粒(略小于核糖体)所组成。颗粒系处于不同成熟程度的核糖体亚单位体。原纤维区是由直径约为5-10nm的原纤维所组成。用核糖核酸酶和蛋白质水解酶处理超薄切片，即显示出颗粒区和原纤维区显著减小，这说明此两种成分的性质为核糖核蛋白。核仁成分是悬浮在无结构的蛋白质溶液中，此溶液即为核仁基质。核仁染色质包

24、括两部分：核仁周边染色质：核仁周边 核仁内染色质：核仁内，rDNArDNA含有为核糖体RNA(rRNA)编码的基因，核仁组织染色体中含有核糖体RNA基因，具有组织形成核仁的能力的染色质区称为核仁组织区(nucleolar organizing region，NOR)。核仁的功能：核仁的功能：转录rRNA和组装核糖体亚单位核仁的原纤维区纤维状物质：新合成的rRNA结合蛋白质所组成的核糖核蛋白(RNP)。RNP进一步装配成核仁颗粒，即成熟程度不同的核糖体亚单位前体。n用3H-尿嘧啶核苷做放射自显影表明，放射性首先出现在原纤维区，然后进入颗粒区。这说明核仁功能活动的顺序是核仁DNA、原纤维区、颗粒区

25、。装配成的核糖体颗粒经核孔进入细胞质。n当rRNA基因转录活动活跃时，围绕着由核仁组织区伸展开的rDNA环形成核仁。n有丝分裂时，染色质凝缩为染色体，前期末rRNA基因暂停转录，含有rRNA基因的DNA逐渐凝缩，缩回到染色体中。n在染色质变为染色体的过程中该区最后凝缩，所以该部位较细，于是在中期染色体组中，核仁组织染色体短臂近游离端形成了一个次缢痕，即核仁组织区所存在的部位。n有丝分裂之后，每一条核仁组织染色体的rDNA又组织成小的核仁，这些小核仁很快融合成大的核仁。每一物种均有一定的核仁组织染色体。人类D组13、14、15和C组的21和22对染色体。一个物种的核仁数与核仁组织染色体数目不一定

26、一致，核仁往往相互融合在一起，人的为1个核仁，爪蟾为2个核仁。四、核液四、核液(nucleoplasm)n间期细胞核中，染色质和核仁周围无定形、着色浅的液体，称为核液。n核液中有一些颗粒状和细丝状物质。这些颗粒有两种，一种邻近染色质，直径40-45nm，称为染色质周颗粒；另一种较小的颗粒，直径20-25nm，位于染色质之间。n还有染色质周纤维和卷曲小体。这些颗粒和纤维状物质是由RNA复合以蛋白质组成。功能不清 核骨架核骨架n核骨架由3-5nm网络纤维和直径8-10nm的颗粒状物质组成的，形态不规则。n关于核骨架和核基质的概念，目前没有统一认识。n狭义：指核内的一个纤维蛋白性质的网架结构体系，即核基质，指除核被膜、核纤层-核孔复合体体系、染色体骨架与核仁以外的网架结构体系。n广义：包括核基质、核纤层-核孔复合体体系、残存的核仁和染色体骨架。核骨架与细胞质骨架在结构上具有一定的联系，但又是一独立的网架结构体系。