凌细胞五课件

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1、第五章第五章 细胞核与遗传信息的流向细胞核与遗传信息的流向 细胞核（细胞核（nucleusnucleus）是细胞遗传物质的集中区）是细胞遗传物质的集中区,细胞生命活动的控制中心。细胞生命活动的控制中心。间期核，由核被膜、染色质、核仁、核液和核间期核，由核被膜、染色质、核仁、核液和核基质五部分组成。基质五部分组成。第一节第一节 核被膜核被膜 核被膜（核被膜（nuclear envelopenuclear envelope），核膜），核膜（nuclear membranenuclear membrane）。）。核被膜由外核膜、内核膜、核周间隙、核孔和核被膜由外核膜、内核膜、核周间隙、核孔和核纤层五

2、部分组成。核纤层五部分组成。一、外核膜（一、外核膜（outer nuclear membraneouter nuclear membrane）胞质面上有核糖体附着，有些部位与粗面内质胞质面上有核糖体附着，有些部位与粗面内质网膜连续。网膜连续。二、内核膜（二、内核膜（inner nuclear membraneinner nuclear membrane）三、核周间隙（三、核周间隙（perinuclear spaceperinuclear space）四、核孔（四、核孔（nuclear porenuclear pore）核孔复合体（核孔复合体（nuclear pore complexnuclea

3、r pore complex）。）。核孔蛋白（核孔蛋白（nucleoporinnucleoporin）。）。（一）核孔复合体的结构（一）核孔复合体的结构 纤丝模型：孔环颗粒；边围颗粒；中央颗粒；纤丝模型：孔环颗粒；边围颗粒；中央颗粒；细纤丝。细纤丝。核篮模型：柱状成分亚单位；环形成分亚单位；核篮模型：柱状成分亚单位；环形成分亚单位；腔成分亚单位；环带亚单位；细纤维，端环腔成分亚单位；环带亚单位；细纤维，端环 ，核篮，核篮（nuclear basketnuclear basket）。）。（二）核孔复合体的功能（二）核孔复合体的功能 细胞核与细胞质间的物质运输。细胞核与细胞质间的物质运输。1 1、

4、通过核孔复合体的被动运输、通过核孔复合体的被动运输 通过核孔复合体的扩散速度与分子大小成反比。通过核孔复合体的扩散速度与分子大小成反比。小于小于5kDa5kDa的小分子：可以自由进出；的小分子：可以自由进出；17kDa17kDa的蛋的蛋白质：白质：2min2min内可达到核质间平衡；内可达到核质间平衡；44kDa44kDa的蛋白质：的蛋白质：30min30min左右达到平衡；大于左右达到平衡；大于60kDa60kDa的蛋白质：几乎不的蛋白质：几乎不能进入核内。由此推断，核孔复合体通道的直径为能进入核内。由此推断，核孔复合体通道的直径为9nm9nm左右。左右。蛋白质分子量变化范围很大，从大约蛋白

5、质分子量变化范围很大，从大约6kDa6kDa到到1,000kDa1,000kDa或更大一些。真核生物或更大一些。真核生物DNADNA聚合酶的分子量聚合酶的分子量为为110-220kDa110-220kDa，RNARNA聚合酶的分子量为聚合酶的分子量为500kDa500kDa左右。左右。2 2、通过核孔复合体的主动运输、通过核孔复合体的主动运输（1 1）核输入）核输入 核质蛋白（核质蛋白（nucleoplasmin,165kDanucleoplasmin,165kDa）。直径）。直径20nm20nm的胶体金颗粒。的胶体金颗粒。核定位信号（核定位信号（nuclear localization si

6、gnal,nuclear localization signal,NLSNLS）：指导蛋白质由细胞质进入细胞核的氨基酸序）：指导蛋白质由细胞质进入细胞核的氨基酸序列，可以位于蛋白质的任何部位，一般由列，可以位于蛋白质的任何部位，一般由4-84-8个氨基个氨基酸组成，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸，通常还酸组成，富含带正电荷的赖氨酸、精氨酸，通常还有脯氨酸。有脯氨酸。病毒病毒SV40SV40的的T T抗原（抗原（92kD92kD）的）的NLSNLS：脯：脯-赖赖-赖赖-赖赖-精精-赖赖-缬。缬。核质蛋白的核质蛋白的NLSNLS：赖：赖-精精-10-10氨基酸氨基酸-赖赖-赖赖-赖赖-赖。赖。丙酮酸

7、激酶（丙酮酸激酶（pyruvate kinasepyruvate kinase），），SV40 NLSSV40 NLS。核输入受体（核输入受体（nuclear import receptornuclear import receptor）：能）：能识别并与识别并与NLSNLS结合。结合。（2 2）核输出）核输出 核输出信号（核输出信号（nuclear export signal,NESnuclear export signal,NES）。核输出受体（核输出受体（nuclear export receptornuclear export receptor）。）。五、核纤层（五、核纤层（nucle

8、ar laminanuclear lamina）核纤层蛋白（核纤层蛋白（laminlamin）A A、B B和和C C。第二节第二节 染色质和染色体染色质和染色体 染色质（染色质（chromatinchromatin）是指间期细胞内由）是指间期细胞内由DNADNA、组蛋白、非组蛋白蛋白质及少量组蛋白、非组蛋白蛋白质及少量RNARNA组成的线性复合组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体（chromosomechromosome）是指细胞在有丝分裂或减数分裂过）是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。程中，由染色质

9、聚缩而成的棒状结构。所以，染色质与染色体是同一物质周期性相互所以，染色质与染色体是同一物质周期性相互转化的不同形态表现。转化的不同形态表现。一、染色质的化学组成及种类一、染色质的化学组成及种类（一）染色质的化学组成（一）染色质的化学组成 染色质的化学组成染色质的化学组成主要是主要是DNADNA、RNARNA、组蛋白和、组蛋白和非组蛋白蛋白质，比例大致为非组蛋白蛋白质，比例大致为1:0.05:1:0.5-1.51:0.05:1:0.5-1.5。1 1、DNADNA 染色体染色体DNADNA稳定遗传的三个必需序列：稳定遗传的三个必需序列：复制源序列。复制源序列。着丝粒序列。着丝粒序列。端粒序列。端

10、粒序列。四膜虫：四膜虫：TTGGGGTTGGGG，重复约，重复约20-7020-70次。次。人类：人类：TTAGGGTTAGGG，重复约，重复约500-5000500-5000次。次。能够保证能够保证DNADNA分子两个末端复制的完整性。分子两个末端复制的完整性。端粒酶，由端粒酶，由RNARNA和蛋白质构成。反转录酶。和蛋白质构成。反转录酶。2 2、蛋白质、蛋白质 组蛋白（组蛋白（histonehistone）和非组蛋白蛋白质）和非组蛋白蛋白质（nonhistone proteinnonhistone protein）。）。（1 1）组蛋白）组蛋白 等电点等电点pH10pH10，带有正电荷，属

11、碱性蛋白质。，带有正电荷，属碱性蛋白质。H H1 1、H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3、H H4 4和和H H5 5，其中，其中H H5 5只存在于鱼类、两栖只存在于鱼类、两栖类和鸟类的红细胞中。类和鸟类的红细胞中。（2 2）非组蛋白蛋白质）非组蛋白蛋白质 等电点等电点pH4-9pH4-9，与组蛋白相比，为酸性蛋白质。，与组蛋白相比，为酸性蛋白质。3 3、RNARNA（二）染色质的种类（二）染色质的种类 可以分为两类：常染色质（可以分为两类：常染色质（euchromatineuchromatin）和异）和异染色质（染色质（heterochromatinheterochrom

12、atin）。）。1 1、常染色质、常染色质 在间期细胞中结构较为松散在间期细胞中结构较为松散,碱性染料着色较浅碱性染料着色较浅的染色质。的染色质。2 2、异染色质、异染色质 在间期细胞中结构较为紧密在间期细胞中结构较为紧密,碱性染料着色较深碱性染料着色较深的染色质。的染色质。异染色质通常具有三个特点异染色质通常具有三个特点：（：（1 1）在间期中处）在间期中处于凝缩状态；（于凝缩状态；（2 2）是遗传惰性区，不转录或转录不）是遗传惰性区，不转录或转录不活跃；（活跃；（3 3）复制时间晚于常染色质。）复制时间晚于常染色质。可将异染色质划分为两种类型：可将异染色质划分为两种类型：结构异染色质结构异

13、染色质（constitutive heterochromatinconstitutive heterochromatin）和兼性异染色和兼性异染色质质（facultative heterochromatinfacultative heterochromatin）。（1 1）结构异染色质）结构异染色质 各种类型细胞中在整个细胞周期内都处于凝集各种类型细胞中在整个细胞周期内都处于凝集状态的染色质状态的染色质,即永久性地呈现凝集状态的染色质。即永久性地呈现凝集状态的染色质。（2 2）兼性异染色质）兼性异染色质 在一定的细胞类型或一定的发育阶段呈现凝集在一定的细胞类型或一定的发育阶段呈现凝集状态的异染

14、色质。状态的异染色质。巴氏小体（巴氏小体（Barr bodyBarr body）:雌性哺乳动物间期细雌性哺乳动物间期细胞中异固缩的胞中异固缩的X X染色体。巴氏小体的形成保证了雌性染色体。巴氏小体的形成保证了雌性和雄性都只有一条具有完全活性的和雄性都只有一条具有完全活性的X X染色体染色体,合成基合成基本等量的本等量的X X染色体基因编码的产物。染色体基因编码的产物。二、染色质的包装二、染色质的包装（一）染色质的基本结构单位（一）染色质的基本结构单位-核小体（核小体（nucleosomenucleosome）核小体结构要点：核小体结构要点：每个核小体是由每个核小体是由200bp200bp左右的

15、左右的DNADNA链结合有链结合有9 9个组个组蛋白分子组成。蛋白分子组成。核小体的核心结构由组蛋白核小体的核心结构由组蛋白H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3和和H H4 4各各2 2分子所组成的八聚体和在八聚体上缠绕约分子所组成的八聚体和在八聚体上缠绕约1 13 3/4 4圈的圈的146bp146bp左右左右DNADNA所组成。在八聚体中，所组成。在八聚体中，2 2个个H H3 3-H-H4 4二聚二聚体相互结合在中央形成四聚体，体相互结合在中央形成四聚体，2 2个个H H2 2A-HA-H2 2B B二聚体二聚体位于位于H H3 3-H-H4 4四聚体的外侧。结合上四聚体

16、的外侧。结合上1 1个分子的组蛋白个分子的组蛋白H H1 1，则则DNADNA双螺旋共缠绕约双螺旋共缠绕约2 2圈，有圈，有166bp166bp左右。左右。连接连接DNADNA（linker DNAlinker DNA）长度为）长度为0-80bp0-80bp不等。不等。核小体的直径约为核小体的直径约为10nm10nm。（二）染色质包装的结构模型（二）染色质包装的结构模型 以人为例，每条以人为例，每条DNADNA分子的平均长度约分子的平均长度约5cm5cm，而，而细胞核的直径只有细胞核的直径只有5-10m5-10m左右（左右（5-105-101010-4-4cmcm左左右）。这就意味着包装要压缩

17、近万倍。右）。这就意味着包装要压缩近万倍。1 1、染色质包装的多级螺旋模型、染色质包装的多级螺旋模型 核小体串珠结构，一级结构。核小体串珠结构，一级结构。每圈每圈6 6个核小体，螺线管（个核小体，螺线管（solenoidsolenoid），直径约），直径约30nm30nm，二级结构。，二级结构。超螺线管（超螺线管（supersolenoidsupersolenoid），三级结构。），三级结构。染色单体（染色单体（chromatidchromatid），四级结构。），四级结构。压缩约压缩约7 7倍倍 压缩约压缩约6 6倍倍 DNA-DNA-核小体核小体-螺线管螺线管 压缩约压缩约4040倍倍 压

18、缩约压缩约5 5倍倍 -超螺线管超螺线管-染色单体染色单体 四级包装结构共压缩了约四级包装结构共压缩了约8 8，400400倍。倍。2 2、染色质包装的袢环结构模型、染色质包装的袢环结构模型 核小体串珠结构。核小体串珠结构。螺线管。螺线管。染色体支架（染色体支架（chromosome scaffoldchromosome scaffold）,螺线管螺线管形成的袢环（形成的袢环（looploop）。袢环基部连在染色体支架上）。袢环基部连在染色体支架上最后形成染色单体。最后形成染色单体。三、染色体三、染色体（一）一）染色体的形态特征染色体的形态特征1 1、中期染色体的形态结构、中期染色体的形态结构

19、（1 1）染色单体）染色单体 姐妹染色单体（姐妹染色单体（sister chromatidsister chromatid）。（2 2）着丝粒（）着丝粒（centromerecentromere）和主缢痕（）和主缢痕（primary primary constrictionconstriction）动粒（动粒（kinetochorekinetochore）。）。短臂（短臂（p p）和长臂（）和长臂（q q）。）。中着丝粒染色体中着丝粒染色体;近中着丝粒染色体近中着丝粒染色体;近端着丝粒染色体近端着丝粒染色体;端着丝粒染色体。端着丝粒染色体。（3 3）次缢痕（）次缢痕（secondary con

20、strictionsecondary constriction）（4 4）核仁组织区）核仁组织区 核仁组织区（核仁组织区（nucleolar organizing regionnucleolar organizing region，NORNOR）：具有组织形成核仁的能力的染色质区，其含）：具有组织形成核仁的能力的染色质区，其含有有rRNArRNA基因。基因。（5 5）随体（）随体（satellitesatellite）（6 6）端粒（）端粒（telomeretelomere）2 2、染色体的数目、染色体的数目 人类人类4646条染色体。条染色体。n n，2n2n。（二）基因组与核型（二）基因组

21、与核型 基因组（基因组（genomegenome）：指一种生物的细胞中所包）：指一种生物的细胞中所包含的全部遗传信息。通常以细胞核内单倍数染色体含的全部遗传信息。通常以细胞核内单倍数染色体带有的所有遗传信息作为一个基因组，它含有一种带有的所有遗传信息作为一个基因组，它含有一种生物完整的一套基因。生物完整的一套基因。核型（核型（karyotypekaryotype）：一个个体或细胞所具有的）：一个个体或细胞所具有的独特的染色体的形态特征和数目。独特的染色体的形态特征和数目。第三节第三节 核液和核基质核液和核基质 核液（核液（nucleoplasmnucleoplasm）。）。核基质（核基质（nu

22、clear matrixnuclear matrix），核骨架），核骨架（nuclear skeletonnuclear skeleton）。）。一、核基质的形态结构和化学组成一、核基质的形态结构和化学组成 二、核基质的功能二、核基质的功能（一）核基质与（一）核基质与DNADNA的复制的复制 核基质是核基质是DNADNA复制的基本位点和空间支架。复制的基本位点和空间支架。（二）核基质与基因表达调控（二）核基质与基因表达调控 基因转录也是在核基质上进行的。基因转录也是在核基质上进行的。核基质还可能是细胞核内核基质还可能是细胞核内RNARNA前体的加工场所。前体的加工场所。（三）核基质与染色体的构

23、建（三）核基质与染色体的构建 第四节第四节 核仁核仁 核仁（核仁（nucleolusnucleolus）。）。一、一、核仁的形态结构和化学组成核仁的形态结构和化学组成（一）纤维中心（一）纤维中心（fibrillar centerfibrillar center）是核仁组织区所在的部位，其含有是核仁组织区所在的部位，其含有rRNArRNA基因。基因。（二）致密纤维成分（二）致密纤维成分（dense fibrillar componentdense fibrillar component）含有新合成的含有新合成的rRNArRNA及与其结合的蛋白质。及与其结合的蛋白质。（三）颗粒成分（三）颗粒成分（

24、granular componentgranular component）是处于不同成熟程度的核糖体亚基的前体。是处于不同成熟程度的核糖体亚基的前体。核仁相随染色质（核仁相随染色质（nucleolar associated nucleolar associated chromatinchromatin），包括核仁内染色质（），包括核仁内染色质（intranucleolar intranucleolar chromatinchromatin）和核仁周围染色质（）和核仁周围染色质（perinucleolar perinucleolar chromatinchromatin）。）。核仁基质（核仁基质

25、（nucleolar matrixnucleolar matrix）。二、核仁的功能二、核仁的功能 rRNArRNA的合成、加工和核糖体亚基的组装。的合成、加工和核糖体亚基的组装。核仁功能活动的顺序是核仁功能活动的顺序是纤维中心纤维中心致密纤维成致密纤维成分分颗粒成分。颗粒成分。三、核仁周期三、核仁周期 第五节第五节 基因与基因转录基因与基因转录一、遗传的中心法则一、遗传的中心法则 遗传信息：核酸分子核苷酸的排列顺序。遗传信息：核酸分子核苷酸的排列顺序。中心法则（中心法则（central dogmacentral dogma）：遗传信息流动的）：遗传信息流动的基本法则。基本法则。二、基因与基因

26、转录二、基因与基因转录 基因（基因（genegene）：合成有功能的蛋白质多肽链或）：合成有功能的蛋白质多肽链或RNARNA所必需的核酸序列（通常指所必需的核酸序列（通常指DNADNA序列）。序列）。（一）原核细胞的基因结构（一）原核细胞的基因结构（二）真核细胞的基因结构（二）真核细胞的基因结构 人类基因组，约人类基因组，约3 310109 9bpbp，约含，约含2.52.5万万-3-3万个基万个基因。因。断裂基因（断裂基因（split genesplit gene）：基因）：基因DNADNA序列是由编序列是由编码顺序和非编码顺序构成，编码顺序是不连续的，码顺序和非编码顺序构成，编码顺序是不连

27、续的，被非编码顺序分隔开来，称为断裂基因。被非编码顺序分隔开来，称为断裂基因。（1 1）外显子（）外显子（exonexon）和内含子（）和内含子（intronintron）外显子外显子:基因内部具有编码功能的序列。基因内部具有编码功能的序列。内含子内含子:基因内部外显子之间无编码功能的序列。基因内部外显子之间无编码功能的序列。GT-AGGT-AG法则（法则（GT-AG ruleGT-AG rule）：每个内含子和外显）：每个内含子和外显子接头处都有高度保守的一致顺序，即内含子子接头处都有高度保守的一致顺序，即内含子55末末端大多是端大多是GTGT开始，开始，33末端大多是末端大多是AGAG结束

28、，称为结束，称为GT-GT-AGAG法则，是普遍存在于真核基因中法则，是普遍存在于真核基因中RNARNA剪接的识别信剪接的识别信号。号。内含子的作用：内含子的作用：（1 1）进化灵活性。）进化灵活性。DNADNA中大量内含子的存在提高了不同基因外显子中大量内含子的存在提高了不同基因外显子之间发生遗传重组的可能性。这就意味着编码新蛋之间发生遗传重组的可能性。这就意味着编码新蛋白质的基因，可通过已有基因的部分组合快速进化白质的基因，可通过已有基因的部分组合快速进化而来，就象由已有的功能部件组装成一台新型机器而来，就象由已有的功能部件组装成一台新型机器一样。事实上，现今细胞内的许多蛋白质就象是由一样

29、。事实上，现今细胞内的许多蛋白质就象是由一套共同的蛋白质片段（蛋白质域）组成的拼件一一套共同的蛋白质片段（蛋白质域）组成的拼件一样。样。（2 2）基因表达控制机会）基因表达控制机会 RNARNA拼接使真核生物比原核生物又多了一重优势拼接使真核生物比原核生物又多了一重优势。许多真核生物基因的初级转录物可以以不同方式。许多真核生物基因的初级转录物可以以不同方式被拼接，从而产生不同的被拼接，从而产生不同的mRNAmRNA。这样从同一基因可。这样从同一基因可以产生不同的蛋白质。以产生不同的蛋白质。（2 2）启动子（）启动子（promoterpromoter）能衩能衩RNARNA聚合酶识别并结合的特异性

30、聚合酶识别并结合的特异性DNADNA序列序列,决决定基因转录的起始。定基因转录的起始。TATATATA框（框（TATA boxTATA box）HognessHogness框（框（Hogness boxHogness box）。位于）。位于-25-25-30-30处，处，TATAA/TAA/TTATAA/TAA/T。是是RNARNA聚合酶的结合部位，可决定转录的起始点，聚合酶的结合部位，可决定转录的起始点，保证起始点的精确性。保证起始点的精确性。CAATCAAT框（框（CAAT boxCAAT box）位于位于-70-70-80-80处，处，GGC/TCAATCTGGC/TCAATCT。可决定

31、转录起始的频率。可决定转录起始的频率。GCGC框（框（GC boxGC box）位于位于-40-40-110-110之间，之间，GGGCGGGGGCGG。可决定转录起始的频率。可决定转录起始的频率。（3 3）增强子（）增强子（enhancerenhancer）能够促进基因转录的序列能够促进基因转录的序列。（4 4）沉默子沉默子（silencersilencer）能够抑制基因转录的序列能够抑制基因转录的序列。（5 5）终止子（）终止子（terminatorterminator）存在于基因末端具有转录终止功能的序列存在于基因末端具有转录终止功能的序列。（三）基因转录（三）基因转录 转录（转录（tr

32、anscriptiontranscription）：以）：以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程。的过程。一个基因的转录只能以双链一个基因的转录只能以双链DNADNA分子中的一条链分子中的一条链作为模板。作为转录模板的链称为模板链或反义链，作为模板。作为转录模板的链称为模板链或反义链，与其互补的另一条链称为编码链或有义链。与其互补的另一条链称为编码链或有义链。RNARNA聚合酶。聚合酶。RNARNA以以5-35-3方向延伸。方向延伸。RNARNA链与模板链与模板DNADNA链链方向相反。方向相反。DNADNA双链：双链：5-TACGTAGAAGCG-3 5-TACGTAGAAGC

33、G-3 编码链编码链 3-ATGCATCTTCGC-5 3-ATGCATCTTCGC-5 模板链模板链 转录的转录的RNARNA：5-UACGUAGAAGCG-35-UACGUAGAAGCG-3 第六节第六节 遗传信息翻译遗传信息翻译 翻译（翻译（translationtranslation）：以）：以mRNAmRNA为模板合成蛋白为模板合成蛋白质多肽链的过程。质多肽链的过程。一、遗传密码与一、遗传密码与mRNAmRNA 密码子（密码子（codoncodon）。）。遗传密码（遗传密码（genetic codegenetic code）。）。密码子的特点：密码子的特点：密码子的通用性；密码子的通

34、用性；密码子的简并性（密码子的简并性（degeneracydegeneracy）；）；遗传密码阅读的无间隔性。遗传密码阅读的无间隔性。二、反密码子与二、反密码子与tRNAtRNA 运输工具，接合器。运输工具，接合器。反密码子反密码子(anticodon)(anticodon)。三、反密码子与三、反密码子与密码子的相互作用密码子的相互作用 摆动假说（摆动假说（wobble hypothesiswobble hypothesis）。）。常见的摆动现象有：常见的摆动现象有：反密码子的第一位反密码子的第一位I-I-密密码子的第三位码子的第三位C C、U U或或A A；反密码子的第一位反密码子的第一位G

35、-G-密码密码子的第三位子的第三位C C或或U U；反密码子的第一位反密码子的第一位U-U-密码子的密码子的第三位第三位A A或或G G。四、核糖体与遗传信息的翻译四、核糖体与遗传信息的翻译 装配机器装配机器。第七节第七节 真核细胞基因表达的调控真核细胞基因表达的调控一、基因表达的调节途径一、基因表达的调节途径二、转录水平的调节机制二、转录水平的调节机制 与基因表达调控相关，能够被基因调控蛋白特与基因表达调控相关，能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的异性识别和结合的DNADNA序列称为顺式作用元件（序列称为顺式作用元件（cis-cis-acting elementacting element），这类基因调控蛋白称为反式作），这类基因调控蛋白称为反式作用因子（用因子（trans-acting factortrans-acting factor）。）。（一）基因调控的顺式作用元件（一）基因调控的顺式作用元件（二）（二）基因调控的反式作用因子基因调控的反式作用因子（三）（三）顺式作用元件与反式作用因子的相互作用顺式作用元件与反式作用因子的相互作用第八节第八节 细胞核与疾病细胞核与疾病 Thats all for this chapter