医学细胞生物学-细胞核和核糖体.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主要内容,一、核膜（,Nuclear envelope,）,二、,染色质与染色体,(Chromatin and chromasome),三、核仁（,Nucleolus,）,四、核纤层和核基质（,Lamina and nuclear matrix,）,五、核糖体（,Ribosome,）,1781,年,Trontana,发现于鱼类细胞；,1831,年，,Brown,发现于植物。,大小：植物,1,4m,，动物,10m,。常以核质比来估算核的大小。正常细胞,NP0.5,，分裂期细胞,NP0.5,，衰老细胞,NP0.5,。,形状,：圆形，椭圆形,平滑肌细胞,(,杆状,),.,。,位置,：细胞中央，成熟植物细胞的边缘。,数目,：通常一个，成熟的筛管和红细胞（,0,）、肝细胞、心肌细胞,(1-2,）、破骨细胞,(6,50,）、骨骼肌细胞,(,数百）、植物毡绒层细胞,(2,4),。,二、核膜的功能,基因表达的时空隔离,核膜成为保护性屏障,使核处于一微环境,染色体的定位和酶分子的支架,三、核孔复合体,(NPC,）的结构与功能,形成,:,内外核膜融合形成的开口,组成,:,核孔由至少,50,种不同的蛋白质（,nucleoporin,）,构成，称为核孔复合体（,nuclear pore complex),一般哺乳动物细胞平均有,3000-4000,个核孔。,细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。,Cytoplasmic face cytoplasmic particles,Nuclear face basket inner complex,捕鱼笼式核孔复合体：,（,nuclear pore complex,NPC,）,胞质环,核质环 柱状亚单位,辐,-,腔内亚单位,中央栓 环带亚单位,外环,核膜,辐,辐,内环,外环,栓,栓,核周间隙,横截面图 纵截面图,1.,核孔复合体结构,(1),核孔复合体的运输特点,双功能,被动运输,：部分离子、代谢物和,5 kDa,以下蛋白质,主动运输,：高分子量物质，是一个信号识别与载体介导的过程，孔径具有可调节性,双向性,从核内运到胞质：,RNA,、组装好的核糖体亚基,从胞质运进核内：,复制和转录所需的酶以及一些蛋白质,主动运输,被动扩散,蛋白质,小分子,RNA,2.,核孔复合体的功能：介导细胞核与细胞质间的物质运输,60,组蛋白，,DNA,聚合酶，,RNA,聚合酶，核糖体蛋白,主动运输,RNA,，核糖体亚基,被动运输,012,离子，小分子,受体,核蛋白：,（,nuclear protein,）,在细胞质中合成，运输到核内起作用的一类蛋白质。,（核质蛋白,:,与核小体组装相关的亲核蛋白）,水解,头,放射性标记，注入胞质中,（,2,）核蛋白、核定位信号、核输出信号、输入蛋白、输出蛋白,尾,尾,核质蛋白,核质蛋白,核定位信号,(,入核信号,),（,nuclear localization signal,）,引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列。,首先是在,SV40,病毒的,T抗原,中,发现的，,核定位信号位于蛋白质的任何部位，通常为由一段4,8个氨基酸组成的短肽，富含带正电荷的Lys、Arg及Pro，没有专一性，作用是帮助核蛋白进入细胞核。,NLS,对连接的蛋白质无特殊要求，完成输入后不被切除。,核孔大小：,9nm,26nm,是可以调控。,核定位信号,Nuclear localization signals,（）,核输出信号（,nuclear export signal,NES),为核内物质出核信号，位于在核内合成后进入细胞质中工作的分子中。往返于核质和胞质间的穿梭蛋白既有,NLS,又有,NES,。,输入蛋白（,importin,）,是可溶性的,细胞质基质蛋白,，为,NLS,受体，能够,与核蛋白的,NLS,和核孔蛋白结合,，穿过,NPC,入核，在核内与核蛋白分离后再返回到胞质中，是一种穿梭受体（,shuttling receptor,）。,输出蛋白（,exportin,）,存在于,细胞核中,、能够识别并,结合,NES,和核孔蛋白,，引导核内物质通过,NPC,输出到胞质，然后快速回到细胞核。,核运输系统消耗的能量由单体,GTP,酶,Ran,水解,GTP,提供,细胞质,细胞核,Ran-GEF,Ran-GAP,核 孔,Ran,蛋白,是一种,GTP,酶（,GTPase,）,RanGDP,RanGTP,构象间转换由两种,Ran,特异性调节蛋白引起：,细胞质基质,GTP,酶活化蛋白,（,GAP,）,核鸟嘌呤交换因子（,GEF,）,两种构象,（,3,）核运输系统：核蛋白的输入和核物质的输出,染色质（,chromatin,）,是指间期细胞核内能被碱性染料染色的物质，由,DNA,、组蛋白，非组蛋白及少量,RNA,组成的复合体，是间期遗传物质在细胞内的存在形式。,染色质,和,染色体,是,同一物质,不同时相的不同表现形态,染色质（间期）染色体（分裂期）,第二节 核蛋白包裹,DNA,形成染色质,染色质,(chromatin),染色体,(chromosome),染色质在细胞周期中会发生周期性变化：,中期,染色体,染色质,化学组成,存在形式,一、染色质的组成成分,组成：,DNA,、组蛋白、非组蛋白、少量,RNA,比例：,1:1:(1-1.5):0.05,。,（一）染色质,DNA,基因组（,genome,）,:,真核细胞,单倍染色体组,中所含有 的全部遗传信息为,1,个基因组。,人基因组：,22,条常染色体,+2,条性染色体,组成：,DNA,组蛋白 非组蛋白,RNA,比例：,1 1 (1-1.5)0.05,（一）染色质的组成成分,1.,染色体（质）,DNA,(1)DNA,序列的复杂性,单一序列（,unique sequence,）,：,又称非重复序列，一般只有一个拷贝。绝大多数结构基因在单倍体中是单拷贝或几个拷贝。,中度重复序列（,intermediate repetitive requence,）：,拷贝数在,10-10,5,之间，如编码,rRNA,、,tRNA,和组蛋白的基因均属此类。,高度重复序列（,highly repetitive requence,）,：,拷贝数在,10,5,以上，通常由简单的核苷酸序列组成，主要分布在染色体的着丝粒部位和端粒部位。,（,2,）染色体稳定遗传的三种功能序列,复制源顺序：,自主复制,DNA,序列,(autonomously replicating sequence,ARS,),：,DNA,的自主复制；,着丝粒,DNA,序列,(centromere DNA sequence,CEN,),：,DNA,的平均分配；,端粒,DNA,序列,(telomere DNA sequence,TEL,),：,DNA,复制的完整性，防止黏着,。,端粒（,telomere,）,：,由高度,重复的短序列组成，高度保守。,作用：,维持染色体的稳定性。,起细胞分裂计时器的作用。,端粒核苷酸复制和基因,DNA,不同，每复制一次减少,50,100,bp,，其复制要靠具有反转录酶,性质的端粒酶来完成，正常体,细胞缺乏此酶，故随细胞分裂,而变短，细胞随之衰老。,四膜虫中端粒酶介导的端粒合成,带,正,电荷，富含,Arg,，,Lys,，属,碱,性蛋白，共,5,种，分为,2,类：,核心组蛋白,（,core histone,）：,H,2,A,、,H,2,B,、,H,3,、,H,4,；,连接组蛋白,（,linker histone,）：,H,1,。,结构：高度保守，尤其是,H3,和,H,4,。,核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借与磷酸二脂骨架间的静电作用使,DNA,分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量,Arg,和,Lys,，,为组蛋白转译后进行修饰的部位。,H,1,多样性，具有属,(genus),和组织特异性。,（二）组蛋白（,histone,）,H,4,H,3,H,4,H,3,H,2,A,H,2,A,H,2,B,H,2,B,10nm,组蛋白的功能,核小体组蛋白,(nucleosomal histone),包括,H2A,、,H2B,、,H3,和,H4,作用是与,DNA,组装成核小体：包装作用，单一功能,H1,不参加核小体的组建,在构成核小体时起连接作用,并赋予染色质以极性。,特性：,1.,含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带,负,电荷，属,酸,性蛋白质。,2.,整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在,S,期合成。,3.,能识别特异的,DNA,序列，识别与结合靠氢键和离子键。,（三）,.,非组蛋白,非组蛋白的功能,功能,：,1.,参与染色体的构建；,3.,调控基因转录。,2.,启动基因复制；,二、常染色质和异染色质,间期核中染色质可分为异染色质,（,heterochromatin,）,常染色质,（,enchromatin,）。,异染色质的特点：,在间期核中处于凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。,在细胞周期中表现为,晚复制、早凝缩（,异固缩现象）。,分为两类：结构（恒定）异染色质,（,constitutive heterochromatin,）、,兼性（功能）异染色质,（,facultative heterochromatin,）,巴氏小体（,barr body,）。雌性哺乳动物细胞中一条异固缩化的,X,染色体。,人的胚胎发育到,16,天以后，出现巴氏小体,。,barr body,三、染色质的结构及染色体的组装,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,。,nucleosomes(10 nm),c,ondensed form(30 nm),染色质的包装,核小体,(nucleosome),螺线管,(solenoid),超螺线管,(supersolenoid),染色体,(chromosome),从核小体开始到染色体,DNA,总共压缩,:,压缩,7,倍 压缩,6,倍 压缩,40,倍 压缩,5,倍,DNA-,核小体螺线管,-,超螺线管,-,染色单体,1.,核小体（,nucleosome,）,：,核小体,：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线,DNA,两部分组成，通过酶消化实验建立。,每个核小体单位包括约,200bp,的,DNA,、一个组蛋白核心和一个,H1,；,由,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,各两分子形成,八聚体,，构成核心颗粒；,DNA,分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，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,。,核小体是染色质的基本组成单位，为染色质的一级结构，,10nm,。将,DNA,分子长度压缩,1/7,。,球状组蛋白核心,H,4,DNA,双螺旋,H,3,H,4,H,3,H,2,A,H,2,A,H,2,B,H,2,B,H,4,H,3,H,3,H,4,H,2,A,H,2,A,H,2,B,H,2,B,10nm,连接,DNA,（,50-60bp,）,核小体,核心部,连接部,DNA,分子：,140,160bp,、,1.75,圈,组 蛋 白：,2,（,H,2,A,、,H,2,B,、,H,3,、,H,4,）八聚体,组 蛋 白：,H,1,DNA,分子：,50,60bp,核小体,形成,11nm,的纤维,2.,螺线管（,solenoid,）,：,在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径,30nm,的纤维：,由核小体螺旋化形成，每,6,个核小体绕一圈,（螺线管,），长度压缩,6,倍；,solenoid,3.,染色体的构建：,目前多认为,30nm,的纤维折叠为一系列的,环（,loop,袢环）,结合在,核骨架,上（或称,染色体骨架,），结合点是,富含,AT,的区域。,Chromatin Packing,四、染色体形态特征,随体,次缢痕,主缢痕,端 粒,长 臂,短 臂,染色单体,着丝粒,由于有丝分裂中期的染色体形态结构比较稳定，故常在中期观察染色体形态结构或计数。,中期染色体是由两条姐妹染色体,(chromatid),构成,彼此以着丝粒相连。,便于细胞分裂。,染色体分类图示,是两个不同的概念，前者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位，后者指主缢痕处两个染色单体,外侧,与,纺锤体微管连接,的部位。,着丝粒包含,3,个结构域,1,）动粒（着丝点）结构域（,kinetochore domain,）,2,）中心结构域（,central domain,）,3,）配对结构域,(pair domain),（一）着丝粒,（,centromere,）和,动粒,（,kinetochore,）,1,）动粒结构域（,kinetochore domain,）,位于着丝粒的,外,表面，包括三层板状结构和围绕外层的纤维冠,(fibrous corona),。,2,）中心结构域（,central domain,）,位于着丝点结构域的下方。其中含有高度重复的卫星,DNA,。,3,）配对结构域,(pair 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。,对于着丝粒蛋白研究主要是使用,ACA,来研究的。用,ACAs,发现鉴定出来的,CENP,主要有,6,种，即：,CENP-A,至,F,。,（二）次缢痕,(secondary constriction),（有丝分裂中期染色体上的结构）,核仁组织区,（,nucleolar orgnizing regions NORs,），间期核仁的结构，构成核仁，位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是,NORs,。,（三）随体,(satellite),：,某些染色体的短臂末端呈球形或棒状结构。,五、核型与染色体带型,（一）核型,(Karyotype),即细胞分裂中期染色体特征的总和。包括染色体的数目、大小和形态、着丝粒的位置、随体的有无等特征。,性细胞染色体为单倍体（,haploid,），用,n,表示,;,正常核型,：,23,Y;23,X,。,体细胞为,2,倍体,（,diploid,）,以,2n,表示，如人类,2n=46,，,23,对，分为,AG7,组,122,常染色体；,(X,Y),为性染色体,正常核型：,46,XY;46,XX,。,18,三体综合征患儿,第三节 核仁（,nucleolus,）,核仁（,nucleolus,）,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，反之核仁很小或缺失。,核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。,一、核仁的形态结构和化学组成,(,一,),核仁的化学组成,主要是,核酸和蛋白质,少量的糖类。,蛋白质：,占,80%,核糖体蛋白、组蛋白和非组蛋白、酸性磷酸酶、,ATP,酶、,RNA,聚合酶。,RNA:,占,10%;,以,RNP,的形式存在,DNA:,占,8%,；存在于核仁染色质部分,电子显微镜下观察到的核仁形态,(,二,),核仁的亚显微形态,1.,纤维中心：,它们是深入核仁内的核仁组织者区,(NOR),，,具有,rRNA,基因,(rDNA),.,致密纤维组分,(fibrillar centers,，,FC),：是电子密度致密部分，呈圆形或半圆形分布在浅染区周围纤维包围的一个或几个高电子密度的圆形结构，主要有,正在转录的,rRNA,组成,，此外还包括,RNA,聚合酶和蛋白质。,.,颗粒区,(granular component,，,GC),：由直径,15-20 nm,的颗粒构成，是不同加工阶段的,RNP,，是,核糖体亚基的前体物,。,除此之外还有核仁周围的,核仁相随染色质、,深入到核仁内部的,核仁染色质,以及,核仁基质，,即无定形的蛋白质性液体物质环境。,二、核仁周期,(nucleolus cycle),周期性变化,间期：,核明显,分裂期：,核仁组织区的染色体浓缩，,rRNA,合成停止，核仁逐渐缩小，最后消失；,末期：,子细胞形成时，合成重新开始，核仁又重新出现。,三、核仁的功能,1.,合成,rRNA,，并进行加工,2.,装配核糖体的大、小亚基,核仁中进行的核糖体装配,核仁,细胞核,核糖体蛋白,rDNA,Pre-rRNA,5S rRNA,18S,28S,5.8S,5S,40S,亚基,60S,亚基,18S,28S,5S,5.8S,rDNA,rRNA,转录单位,3nm,间隔片段,转录的起点,转录的终点,RNA,聚合酶,蛋白质颗粒,rDNA,转录,rRNA,(,45S rRNA,前体、纤维状,),颗粒状,（,18s 5.8s 28srRNA,、蛋白质颗粒）,剪切、加工,加工、包装,核糖体的亚基,第四节、核纤层和核基质,一、核纤层：,位于内核膜的,内表面,的纤维网络，可支持核膜并与染色质及核骨架相连。,核纤层属于细胞质骨架中的,型,中间纤维。,。,核,孔,复,合,体,膜,蛋,白,外,膜,内,膜,镶,嵌,膜,蛋,白,核,周,腔,b,b,b,b,b,b,b,a,g,g,a,a,g,a,g,g,a,g,a,a,g,核纤层,染色质（纤维）,核纤层由核纤层蛋白（,lamina,）构成，分为,A,、,B,、,C,三种多肽,亚单位。,1,）在细胞核中起支架作用,2,）参与核膜重建及染色体 凝集,3,）有助于,DNA,的复制,核纤层的功能,二、核基质（,nuclear matrix),，或称为核骨架（,nuclear skeleton,）,:,是指在细胞核内，除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的由蛋白质组成的网架结构体系，分布在整个细胞核内，通过提供作用位点参与和支持,DNA,的各种功能。,形态结构：,1,）纤维蛋白成分构成的,纤维网架结构,2),分布于核空间,3),与核纤层和核孔复合体相连,（,a,）,（,b,）,0.2m,5 m,N,C,1.,核基质的形态结构与化学组成,化学组成：,蛋白：,400,多种，分为两类：,：各类细胞共有的蛋白成分,：其组成与细胞类型、分化状,态、生 理及病理状态有关。,RNA,：少量,核基质蛋白,（,nuclear matrix protein,）,核基质结合蛋白,（,nuclear matrix associated protein,）,（,1,）提供染色体骨架与染色体构建有关,（,2,）,DNA,复制的附着位点,（,3,）基因转录和加工支架,（,4,）核骨架也参与有丝分裂末期的核膜重建,2.,核基质的功能,DNA,3 m,染色体支架,（一）核糖体的成分,含,40%,的,蛋白质,、,60%,的,RNA,，由两个亚单体构成。,分为,70S,、,80S,和,55S,三种类型。,由大小两个亚基构成，只在以,mRNA,为模板合成蛋白质时才结合在一起，肽链合成终止后，大小亚单位又解离。,核糖体并不是单独工作的，而是由多个甚至几十个串连在一条,mRNA,分子上，称,多聚核糖体,（,polyribosome,）。,第五节 核糖体,ribosome,（二）,核糖体的化学组成,原核生物,真核生物,完整核糖体,70,S,80,S,大亚基,大小,50S,60S,rRNA,23,S、5S,28,S、5.8S、5S,蛋白质,34种,45种,小亚基,大小,30,S,40,S,rRNA,16,S,18,S,蛋白质,21种,33种,核蛋白颗粒（,RNP):rRNA(60%)+,蛋白质,(40%),.A,位，氨酰基位点,，氨酰,-tRNA,结合部位，也叫“受位”。,.P,位，,肽酰基位点,，肽酰,-tRNA,结合部位，也叫“给位”。,.E,位，空载,tRNA,离开的核糖体的位点。,.,GTP,酶位点,（,G,因子,）使肽酰,-tRNA,由,A,位转到,P,位,活性部位,Protein Synthesis,A,P,在原核细胞中，绝大多数核糖体都以游离的形式存在于细胞质中，只有少数附着于细胞膜的内侧。,游离核糖体,（,free ribosome,）：,真核细胞内，游离于细胞质基质中的一类核糖体,附着核糖体,（,fixed ribosome,）,：真核细胞内，一些核糖体附着于内质网膜的外表面，成为粗面内质网的一部分，也被称为膜结合核糖体（,mem-branrbound ribosome,）,第三节 核糖体与蛋白质合成,一、,游离核糖体和多聚核糖体,附着核糖体,游离核糖体,400nm,在功能状态下，无论是,游离核糖体,，还是,附着核糖体,，它们通常都是以,多聚核糖体,（,polyribosome,）,的形式存在的，即在同一条,mRNA,分子上，按先后顺序依次结合许多核糖体。,对于多聚核糖体来说，实际上是在一条,mRNA,链的指导下，许多核糖体分别进行同一种多肽链合成的功能状态。这种形式的存在，极大地提高了,mRNA,的功效和肽链合成的速率。,多聚核糖体中的核糖体单体的数量取决于,mRNA,分子的长度。,在真核细胞中，附着的多聚核糖体结合在内质网膜上，游离的多聚核糖体常则结合在细胞骨架上。,正在进行蛋白质合成的多聚核糖体电镜照片,100nm,3,5,UAG,AUG,终止密码,起始密码,mRNA,延长中,的肽链,100nm,正在进行蛋白质合成的多聚核糖体,示意图,1.,概述细胞核的基本结构及其主要功能。,2.,试述核孔复合体的结构及其功能。,3.,概述染色质的类型及其特征。,4.,比较组蛋白与非组蛋白的特点及其作用。,5.,试述核小体的结构要点及其试验证据。,作业,