细胞生物学第八章总结

细生第八章总结

细胞核：位置：细胞 ，脂肪细胞的边缘。

— 数目：通常1个，肝细胞肾小管细胞软骨细胞1~2个、破骨细胞6~50个、骨骼肌细

胞可有数百个。

— 结构：核被膜、核纤层、染色质、核仁和核骨架（核基质） — 形状：圆球形或椭圆形、杆状、分叶状。

核膜：又称核被膜(nuclear envelope)，形成细胞核与细胞质之间的边界。

— 构成

◦ 外核膜(outer nuclear membrane) ◦ 内核膜(inner nuclear membrane) ◦ 核周间隙(perinuclear space)

— 核被膜是两层平行排列的膜，间距10到50㎚。 核被膜的主要化学成分：

（一）蛋白质

— 占65%～75%。含20多种蛋白质，组蛋白、基因调节蛋白、DNA聚合酶和RNA

聚合酶等

内核膜中还含核纤层蛋白 — 分子量1.6×104～1.6×105 — 酶类与内质网相似 ◦ 葡萄糖-6-磷酸酶、NADH/Cytc还原酶、 NADH/Cytb5还原酶

（二） 脂类（与内质网相似）

磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺↓ — 胆固醇、甘油三酯↑

— 核被膜流动性低于内质网，具有一定的稳定性。

（三） 核酸（少量）

核膜的结构 外核膜 7.5nm布满核糖体，与 rER 相连。 形态和生化性质与 rER相近。 外表面有 IF（10nm）& MT 形成的纤维网络，与细胞核定位有关。 内核膜 7.5nm朝向核质，外表面光滑，内表面与核纤层相连。 核周间隙 腔隙宽20～40nm，与 rER 腔相通，内含蛋白质和酶。 为细胞核与细胞质之间物质交流的重要通道。 核孔复合体 内外核膜融合形成核孔，直径40～70nm。 核孔的数目和密度与细胞种类和生理状态密切相关。 脑肝肾细胞核孔密度为12～20个/㎛2 。 一般细胞核孔密度35～65个/㎛2，哺乳动物细胞平均含3000个核孔。 核孔面积总和约占细胞核表面积的5～10%。

在电镜下观察，核孔复合体( nuclear pore complex, NPC )呈圆形或八角形，一般认为其结构如 捕鱼笼式（fish-trap）。

— NPC 含有30～50种以上不同的多肽(统称核孔蛋白)，并由几个部分组成： — 胞质环（cytoplasmic ring）：胞质面，短纤维伸向胞质 — 核质环（nuclear ring）：核质面，纤维与8个蛋白颗粒形成核蓝 — 辐（spoke）：辐射状八重对称，三个结构域，即柱状亚单位、腔内亚单位、环带亚

单位

— 栓（plug）：栓，核质交换有关 NPC的功能

核孔复合体是核-质交换的通道

— 运输方式分被动扩散与主动运输

a.被动扩散：亲水性有效直径：9~10nm，长15nm， 分子量40×103~60×103以下的蛋白质可自由穿过 b.主动运输：组蛋白（21×103）带有信号功能的氨基酸是主动运输入核的，大分子物质的进、出核

— 跨膜运输可入核或出核

入核：组蛋白、核纤层蛋白、聚合酶等亲核蛋白 出核：RNA、RNP（核糖核蛋白颗粒）、核糖体亚基 核纤层：

核被膜内表面连接一层致密的纤维网络结构-核纤层(nuclear lamina)。 核纤层纤维直径约10nm，与胞质中间纤维属于同一超家族。

◦ 哺乳动物细胞的核纤层蛋白有4种

– lamin A, lamin B1, lamin B2 & lamin C 核纤层内连核骨架，外接胞质中间纤维，其网架结构体系贯穿整个细胞。 核纤层为核被膜提供机械支持；作为核外周染色质的附着位点；与核膜重建及染色质凝集相关。

◦ 组成核纤层的中间纤维的整合可通过磷酸化和去磷酸化来调节

— 核纤层蛋白基因(LMNA)突变与几种人类遗传病有关，如肌营养不良。 核被膜在细胞周期中的崩解与装配：

— 前期，核纤层蛋白磷酸化，核纤层解聚，核膜裂解。lamin A & lamin C分散到胞

质中；lamin B 解聚后与核膜小泡结合。

— 末期，核纤层蛋白去磷酸化，重新装配成 10nm 纤维；与 lamin B 结合的核膜

小泡被引导至染色体表面，小泡膜融合构成围绕染色质的新核膜。

核被膜的主要功能： （一）区域化作用

— 包裹核物质，建立遗传物质相对稳定的内环境。

◦ DNA复制、RNA转录和翻译在不同时间、不同区域进行，遗传信息的表达更

加高效、精确。

（二）合成生物大分子

— 外核膜上的核糖体参与蛋白质合成。 （三）控制细胞核与细胞质之间的物质运输

— 被动运输

◦ 无机离子和小分子 ◦ 分子量< 5000 的物质

核孔复合体运输：mRNA, tRNA及核糖体亚基输出细胞核。

— DNA酶、RNA酶及一些核蛋白则输入细胞核。 通过核孔的物质运输与信号序列有关： 核定位信号(nuclear localization signal, NLS)

◦ 引导蛋白质进入细胞核的一段信号序列，受体为 importin. ◦ NLS 对连接的蛋白质无特殊要求，完成输入后不被切除。

核输出信号(nuclear export signal, NES)

◦ 引导 RNP 输出细胞核，受体为 exportin（核素）.

— Ran蛋白，一类GTP结合蛋白，调节货物复合体的解体或形成。 蛋白质从细胞质输入细胞核:

❶携带核定位信号 (NLS) 的蛋白与输入蛋白α/β连接 ❷形成与胞质纤维结合的复合物 ❸蛋白复合物通过核孔进入核质 ❹与 Ran-GTP 相互作用并解离 ❺输入蛋白β与 Ran-GTP 结合被运回细胞质，Ran-GTP 水解。随后，Ran-GDP 返回核，输入蛋白α /β回到细胞质。 染色质的主要化学成分:染色质(chromatin) 是由DNA、结合蛋白及少量RNA组成的线性复合

物。

◦ DNA

◦ 结合蛋白：组蛋白、非组蛋白 ◦ RNA

— DNA和组蛋白的含量接近1:1 功能性染色质（体）DNA含有：

◦ 3种序列

— ①单一序列

— ②中度重复序列（104~5） — ③高度重复序列（>105）

◦ 3种构像：① B-DNA ② Z-DNA ③ A-DNA ◦ 3种基本元素

— ① 1个着丝粒序列 (CEN)。

— ② 2个端粒序列 (TEL)。为一富含G的简单重复序列。 — ③多个自主复制序列 (ARS)，是 DNA 复制的起始点。

— 单一序列

◦ 占人类基因组60～65%

— 编码序列，如结构基因

— 中度重复序列(104～105)

◦ 占人类基因组20～30%

— 非编码序列，如基因

— 编码序列，如组蛋白基因、rRNA 基因、tRNA 基因，在染色体上串

联排列形成基因簇。

— 高度重复序列(105)

◦ 占人类基因组10%

— 由极其相似的重复拷贝首尾相连排列 — 集中分布在染色体的特定区段

— DNA 二级结构为2条多核苷酸链反向平行盘绕形成的双螺旋结构。

— — — — — — — —

3种主要类型 B-DNA

右手螺旋，直径1.9㎚垂直升距/bp 0.34 ㎚ Z-DNA

左手螺旋，直径1.2㎚垂直升距/bp 0.57㎚ A-DNA

右手螺旋，直径2.3㎚垂直升距/bp 0.26㎚

◦

着丝粒序列 (centromere DNA sequence, CEN)

– 由大量串联的重复序列组成，如α卫星 DNA，其功能是参与形成着

丝粒，使细胞时染色体能准确地分离。

— 端粒序列 (telomere DNA sequence, TEL)

◦ 不同生物的端粒序列很相似，由长5～10bp 的重复单位串联而成，人的重

复序列为 TTAGGG。

— 自主复制序列 (autonomously replicating DNA sequence, ARS)

◦ DNA 复制的起点，酵母基因组含200～400个 ARS，大多数具有一个11bp 富

含 AT 的一致序列。

组蛋白是染色质（体）中含量最高的结构蛋白。

富含带正电荷的碱性氨基酸。 分子量小，含量恒定。

只在 S 期合成，并与 DNA 复制同步。 组蛋白与 DNA 含量之比为1:1。

根据 Arg/Lys 残基的比例，分为两大类，共5种。

◦ 高度保守的核心组蛋白 ( core histone )

— H2A, H2B, H3, H4 可变的连接组蛋白 ( linker histone )

— H1具有种属特异性和组织特异性

四种核心组蛋白均由球形部和尾部构成 球形部

借 Arg 残基与磷酸二酯骨架间的静电作用，使DNA缠绕在组蛋白核心周围，形成核小体。 尾部

富含Lys和Arg残基，为组蛋白翻译后进行修饰的部位

—

组蛋白的氨基酸序列在进化上十分保守

◦ H3 和 H4

豌豆和牛的组蛋白 H4 含102个氨基酸残基，其中仅有2个氨基酸残基不同。 非组蛋白数量少、种类多（500多种）

— 富含带负电荷的酸性氨基酸 Asp, Glu，包括：

◦ 结构蛋白、蛋白和参与核酸代谢及染色体化学修饰的酶蛋白。

— 能识别及结合特异的DNA序列

◦ 帮助 DNA 折叠。

◦ 启动基因的复制和转录，基因的表达。

— 具有种属、组织特异性

◦ 不同种属染色质中，非组蛋白不同。

◦

◦ 同一机体不同组织、器官中，非组蛋白不同。

常染色质和异染色质：

（一）常染色质 (euchromatin)

— 间期细胞核内碱性染料着色浅的区域及核仁相随染色质的一部分。

◦ 结构松散，螺旋化程度低，直径10㎚。DNA 具有转录活性。 ◦ 常位于核，或以袢环伸入核仁。 ◦ 易被核酸酶在一些敏感的位点降解。 ◦ 在 S 期早期复制。

（二）异染色质 (heterochromatin)

— 分布在细胞核周缘的深色区

◦ 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。

— 结构异染色质

— 兼性异染色质/功能性异染色质

结构异染色质(constitutive heterochromatin)除 S 期外，整个细胞周期保持压缩状态，代表沉默的 DNA。

◦ 存在于着丝粒、端粒以及其他一些位点（人类 Y染色体大部分区域） ◦ 由高度重复 DNA 序列构成 ◦ 非编码序列，不转录、翻译。

兼性异染色质 (facultive heterochromatin) 仅在某些细胞或细胞的某一阶段出现

— 异染色质 常染色质 — Barr body

哺乳动物雌性细胞核中失活的 X 染色体表现为深黑色的结构，称为Barr body. 三、染色体的形成

— 用非特异性核酸酶处理染色质，多数DNA被降解成大约200bp 的片段；处理裸露

的 DNA 则产生随机降解的片段。

— 1974年哈佛大学的 Roger Kornberg 建立了核小体模型。

（一） 染色质的一级结构-核小体

每个核小体(nucleosome)包括约 200bp DNA、1个组蛋白核心和1个 H1。 由 H2A、H2B、H3、H4 各2分子形成八聚体，构成核心颗粒；

DNA以左手螺旋盘绕在核心颗粒表面1.75圈，每圈83bp，共146bp；两端被 H1 锁合； 相邻核心颗粒之间是一段60bp 的连接 DNA。

— DNA 盘绕直径为10㎚的组蛋白八聚体核心颗粒包装成核小体，在 H1 介导下形成

直径为11nm 的纤维。 DNA长度压缩了7倍。

（二） 染色质的二级结构-螺线管

核小体串珠螺旋盘绕，每圈 6 个核小体，构成外径 30nm，内径10nm，螺距 11nm 的螺线管。

H1 位于螺线管内部，其球状中心结合核小体上的特殊位点，N-端和 C-端则与相邻核小体组蛋白核心的其它位点作用。

核小体串珠形成规则的重复排列结构-螺线管，长度压缩6倍。 （三）染色质包装的高级结构

1. 染色体多级螺旋化模型（multiple coiling model） 2. 染色体袢环结构模型（loop model）

染色质包装的多级螺旋化模型 — 染色质的三级结构

◦ 30nm 的螺线管进一步螺旋，形成直径 0.4 ㎛ (400nm) ，长11～60㎛的圆筒状结构 - 超螺线管。 ◦ DNA 长度被压缩了40 倍。

— 染色质的四级结构

◦ 11～60 ㎛的超螺线管再缠绕、折叠，形成 2～10㎛的染色单体。 ◦ DNA 长度被压缩了5 倍。

— 共压缩8400～10000 倍。

— 有丝染色体代表染色质压缩的极限；1 ㎛长的染色体一般含有1cm长的DNA，包装的比率是 10000 : 1。 2. 染色体袢环结构模型

— 30nm 纤维形成一系列袢环 ( loop )。 — 每 18 个袢环呈放射状平面排列，从骨架伸出，构成微带 ( miniband )（三级结构）。

— 约 106 个微带沿骨架纵轴排列，构建成染色单体

四、染色体——染色质盘曲、折叠压缩近万倍，包装成大小不等形态各异的短棒状结构。 1.中期染色体的形态

— 2 条染色单体、着丝粒、染色体臂 (q & p)、随体和次缢痕 2.中期染色体 ( metaphase chromosomes ) 的类型 类型 中着丝粒染色体 近中着丝粒染色体 近端着丝粒染色体 端着丝粒染色体* 着丝粒位置 ½～⅝ ⅝～⅞ ⅞～末端 末端 3.染色体的主要结构

（1）着丝粒-动粒复合体 ① 动粒结构域

位于着丝粒表面，由外板( outer plate )、内板( inner plate )、中间区( interzone )和围绕外层的纤维冠( fibrous corona )构成。 动粒微管与外板相连，无动粒微管存在时，外板可见由微管蛋白构成的纤维冠（由微管蛋白构成）。

② 结构域 位于动粒结构域内侧

人类染色体着丝粒 DNA,是着丝粒区的主体。

由171 bp 富含 AT 的序列(α-卫星 DNA)构成，在着丝粒中串联重复上千次。 着丝粒 DNA 与特异蛋白结合（后述），在细胞时分开姐妹染色单体。

③ 配对结构域

位于中心结构域内表面，染色单体连接的部位。

该区域有2种蛋白，在细胞时协助染色单体的配对和分离。 内着丝粒蛋白 ( inner centromere protein, INCENP ) 染色单体连接蛋白 ( chromatid linking protein, CLIP )

着丝粒-动粒复合体为染色体有序地配对和分离提供了基础。

（2）次缢痕 (secondary constriction)分布在近端着丝粒染色体的短臂上，是主缢痕以

外的缢缩部位。

◦ 位置、大小恒定

◦ 作为鉴定某些染色体的标记

◦ 多数染色体的次缢痕是核仁组织区

（3）核仁组织区(nuclear organizer region, NOR) — 人类染色体 NOR 位于次缢痕

◦ 包含编码 18S, 28S rRNA 的基因 ( rDNA ) ◦ 细胞间期组织核仁的形成

— 存在13、14、15、21、22号染色体上 （4）随体 (satellite)

— 染色体末端的棒状或球状结构，由高度重复 DNA 序列组成，通过次缢痕染色质丝与染色体相连。

— 形态、大小恒定，是识别染色体的重要特征之一。 （5）端粒 (telomere)

由端粒 DNA 和端粒结构蛋白组成的染色体端部特化结构，在染色体的每一端形成一个“帽子” 。

是富含 GC的 5～8 bp 的一段特定重复序列。

人类的端粒含有 5’ TTAGGG 3’ 该序列重复500～5 000 次 3’ AATCCC 5’

维持染色体结构的稳定性，确保染色体DNA的完全复制，“帽子”保护染色体免受核酸酶的攻击。

参与染色体在核内的空间排布。

— 在正常细胞中，染色体每复制一次，端粒 DNA 序列丢失50～100bp。 皮肤活组织→从真皮分离成纤维细胞→体外培养→传代→无限传代？ — 约90%的人类肿瘤是由含有活性端粒酶的细胞组成的。

端粒酶含有一段与富含 G 的单链互补的 RNA，它延伸到富含 G链的末端，形成突出。该 RNA 结合到富含 G 单链的突出末端（步骤1），作为在链的 3’端加入核苷酸的模板（步骤2）。当一段 DNA 合成后，端粒 RNA 滑向正在延伸的这条链的新末端（步骤3），作为额外核苷酸渗入的模板（步骤4）。互补链的缺口由细胞的常规复制机制来填补。 三、核型与染色体显带 一）核型 (karyotype)

— 指一个体细胞中的全套染色体，按其形态特征进行分组排列。

按国际统一标准分为七组23对，1～22对为常染色体，X, Y 为性染色体。 — 人类染色体分组及主要形态特征

— 表示方法：写出染色体总数，标出性染色体组合。

◦ 正常女性 46, XX. ◦ 正常男性 46, XY.

（二）染色体显带

— 染色体经物理、化学技术处理后，再进行分化染色，使其在长轴上呈现宽窄不同、深浅不一的带纹(band)的方法。

— 分带技术可分为两类：

◦ 染色带分布在整条染色体的长度上：Q, G & R 带 ◦ 局部显带：C, T & N 带 — 染色体显带技术

巴黎会议染色体命名规则

— 界标(landmark): 染色体明显而恒定的形态学特征。 — 界标把染色体臂 (p, q) 分成若干区和带

◦ 从着丝粒起，向外沿着染色体臂按顺序编号分成区，区内再分成带 — 亚带

◦ 带内再按顺序细分。亚带再细分，则只加数字，不用标点。 — 如14q32.31，表示：14号染色体长臂3区2带3亚带1位

— 核仁（Nucleolus）：

存在于真核细胞间期核中，光镜下为均匀、海绵状的球体。 数量及大小：通常1-2个，或多个。蛋白合成旺盛的细胞核仁大 如分泌细胞、神经元等

位置：不固定。生长旺盛的细胞中常趋边。 核仁的形态结构和化学组成

• 主要化学组成：

RNA（11%） DNA（8%） 蛋白质（80%） 酶类

• 核仁无膜包裹，是多种成分

构成的巨大网络结构

• 电镜下可分为三个区域： 纤维中心、致密纤维组分、颗粒成分

核仁的纤维中心是分布有rRNA基因的染色质区

• 纤维中心（fibrillar center，FC）

在电镜下包埋于颗粒组分内部的，低电子密度的圆形结构体，是rRNA基因——rDNA的存在部位。

核仁组织者/区（nucleolar organizer/region, NOR）

• 每一个rRNA基因的袢环称为一个核仁组织者。

• 人类rRNA基因位于5条染色体上为13, 14, 15, 21, 22号染色体。 • 核仁组织区定位在核仁染色体次缢痕部位。 核仁结构的致密纤维含有处于不同转录阶段的rRNA分子

• 致密纤维组分（dense fibrillar component，DFC）：

是核仁内电子密度最高的区域，由致密的纤维构成，呈环形或半月形包围纤维中心；

主要含正在转录的rRNA分子、核糖体蛋白。

核仁结构的颗粒成分 由正在加工和成熟的 RNA及蛋白质构成

• 颗粒成分（granular component，GC）：

呈致密的颗粒，主要由正在加工、成熟的核糖体亚单位的前体颗粒构成，多位于核仁的外周；

决定间期核仁的大小差异。

• 核仁基质（nucleolar matrix）：

是核仁区内的一些无定形物质，包裹着纤维中心、致密纤维组分、颗粒组分。

• 核仁周围染色质（perinucleolar chromatin）：

是包围在核仁周围的异染色质。

• 核仁相随染色质（nucleolar associated chromatin）：

是核仁周围染色质与含rDNA的常染色质的统称。

• 纤维中心（FC）——rDNA 存在区域

• 纤维中心 与 致密纤维组分（DFC）交界处—— rRNA转录 • 致密纤维组分 及 颗粒成分（GC）中——rRNA的加工及核糖体大小亚基装配 核仁的功能：（一） 核仁是rRNA基因转录和加工的场所

• 每个基因转录长13000bp 的初始转录产物 ——即45S rRNA。

• rDNA成簇串联重复排列，有利于 RNA聚合酶Ⅰ的 高效、连续运作。 • 新合成的rRNA 沿rDNA长轴 垂直分布，类似 圣诞树。 核仁周期（nucleolar cycle）：在进行有丝的细胞中，核仁出现 一系列结构和功能的周期性变化。

• 进入有丝时，核仁先变形变小，颗粒组分、纤维组分 逐渐消失在 周围核质中

• 之后染色质凝集，所有RNA 合成停止，rDNA袢环 收缩回到 相应染色体的 核仁组织者区 • 中期和后期核仁消失

• 有丝末期，核仁组织者区的 rDNA去凝集，重新开始 转录，组成核仁的物质 聚集成 数个分散的 前核仁体（prenucleolar body） • 在核仁组织区附近融合成极小的核仁，进一步融合，形成核仁 核骨架（nuclear scaffold）/ 核基质 （nuclear matrix）：是指真核细胞间期细胞核中除核膜、染色质和核仁外的部分，是一个以非组蛋白为主构成的纤维网架结构；其基本形态与细胞骨架相似，与细胞骨架有一定连系。 核骨架的形态结构与化学组成

• 由3-30nm粗细不一的纤维组成，其纤维单体的直径3-4nm。 • 蛋白成分复杂，多达200多种。

• 核骨架蛋白(非组蛋白的纤维蛋白) 分为两类：

核基质蛋白(nuclear matrix protein)：各类细胞共有的蛋白成分。 核基质结合蛋白(nuclear matrix associated protein)： 其组成与细胞类型、分化状态、生理及病理状态有关。

• 含有少量RNA，对维系核骨架三维结构的完整性是必需的。 核骨架的功能：（1）核骨架是DNA复制（2） 核骨架在基因转录中发挥重要作用（3）核骨架参与染色体核核膜的构建

细胞核是真核细胞最重要的细胞器，是遗传物质DNA存在的主要部位，其主要功能是遗传信息的贮存、复制和转录，是细胞生命活动的控制中心。 遗传物质的复制 • 半保留复制（semiconservative replication）：在以自身为模板复制产生的子代DNA双链中，一条为亲代模板链，一条为新合成链。 • 特征：双向性、多起点和不连续性等。

真核生物的DNA复制是在多个起始点上进行的不连续复制

• 复制叉（replication fork）：松开的两股链和未松开的两股链外形如“Y”字形。

• 复制子（replicon）：复制从起始点开始，双向进行直至到终点所包含的DNA单位。

• 真核生物每条染色体有多个复制起点，人类基因组有104~105个复制起始点。

DNA复制过程中需要多种酶和蛋白质的参与

• 负责DNA的复制：DNA聚合酶Ⅲ（原核生物），

DNA聚合酶α、DNA聚合酶δ （真核生物）。

• DNA解旋酶、拓扑异构酶、引物酶、连接酶、端粒酶、单链结合蛋白 等。 • 一些DNA聚合酶具有3’→5’外切酶活性，切除复制过程中错配的碱基。 端粒酶能保持DNA复制时染色体末端的完整性

• DNA复制终止时，端粒酶 发挥作用，以保持 DNA复制时 染色体末端的完整性

• 端粒酶 由RNA、蛋白质(有逆转录活性) 组成的复合体；RNA长159bp，含 CAACCCCAA序列，是染色体 端粒合成的 模板 端粒酶 在 未分化细胞、肿瘤细胞中 具有活性 细胞核形态异常与肿瘤 肿瘤细胞的核变化：

• 较高的核质比；核结构呈异型性，外形不规则，表面突出或向内凹陷 • 染色质多聚集在近核膜处，并呈粗颗粒状，大小不等，分布不均 • 核仁呈高rRNA转录活性，体积增大、数目增多

• 组蛋白磷酸化程度增加，降低其与DNA的结合，促进转录 核孔数目增加

染色体异常与肿瘤

• 染色体数目和结构异常，出现超二倍体，亚二倍体，多倍体等。 • 形态不规则，表现为易位、重复、缺失、倒位、环状等。

• 出现非整倍染色体和标记染色体，便可确定为恶性变化；如费城（Ph）染色体，慢性粒细胞白血病（CML）95%有费城染色体，是22q 和 9q间 部分区段易位。

• 早年衰老综合症（Hutchinson-Gilford Progeria syndrome）

• 大于80%患者的发病原因是负责转录Lamin A和Lamin C的LMNA基因第608

位的密码子发生突变，引起核形态异常，异染色质组织混乱，造成DNA损伤修复功能的缺失、增加基因组的不稳定性引起核膜畸形。