细胞生物学第八章总结.docx

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细胞生物学第八章总结

细生第八章总结

细胞核：

位置：

细胞中央，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（nuclearenvelope），形成细胞核与细胞质之间的边界。

—构成

◦外核膜（outernuclearmembrane）

◦内核膜（innernuclearmembrane）

◦核周间隙（perinuclearspace）

—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

内核膜

核周间隙

核孔复合体

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。

7.5nm朝向核质，外表面光滑，内表面与核纤层相连。

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。

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（nuclearporecomplex,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（cytoplasmicring）：

胞质面，8条短纤维伸向胞质

—核质环（nuclearring）：

核质面，8条纤维与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）：

中央栓，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（nuclearlamina）。

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

–laminA,laminB1,laminB2&laminC

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：

—分裂前期，核纤层蛋白磷酸化，核纤层解聚，核膜裂解。

laminA&laminC分散到胞质中；laminB解聚后与核膜小泡结合。

—分裂末期，核纤层蛋白去磷酸化，重新装配成10nm纤维；与laminB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（nuclearlocalizationsignal,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（nuclearexportsignal,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：

①B-DNA②Z-DNA③A-DNA

◦3种基本元素

—①1个着丝粒序列（CEN）。

—②2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，如调控基因

—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/bp0.34㎚

—Z-DNA

—左手螺旋，直径1.2㎚垂直升距/bp0.57㎚

—A-DNA

—右手螺旋，直径2.3㎚垂直升距/bp0.26㎚

—

◦着丝粒序列（centromereDNAsequence,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，使细胞分裂时染色体能准确地分离。

—端粒序列（telomereDNAsequence,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（autonomouslyreplicatingDNAsequence,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（corehistone）

—H2A,H2B,H3,H4

◦可变的连接组蛋白（linkerhistone）

—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、调控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，调控基因的表达。

—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。

◦常位于核中央，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（constitutiveheterochromatin）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（facultiveheterochromatin）

仅在某些细胞或细胞的某一阶段出现

—异染色质

常染色质

—Barrbody

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Barrbody.

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RogerKornberg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200bpDNA、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（multiplecoilingmodel）

2.染色体袢环结构模型（loopmodel）

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。

—有丝分裂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（metaphasechromosomes）的类型

类型

着丝粒位置

中着丝粒染色体

½～⅝

近中着丝粒染色体

⅝～⅞

近端着丝粒染色体

⅞～末端

端着丝粒染色体*

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（outerplate）、内板（innerplate）、中间区（interzone）和围绕外层的纤维冠（fibrouscorona）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中央结构域

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171bp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），在细胞分裂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，在细胞分裂时协助染色单体的配对和分离。

内着丝粒蛋白（innercentromereprotein,INCENP）

染色单体连接蛋白（chromatidlinkingprotein,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（secondaryconstriction）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（nuclearorganizerregion,NOR）

—人类染色体NOR位于次缢痕

◦包含编码18S,28SrRNA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5～8bp的一段特定重复序列。

人类的端粒含有5’TTAGGG3’该序列重复500～5000次

3’AATCCC5’

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（fibrillarcenter，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（nucleolarorganizer/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（densefibrillarcomponent，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（granularcomponent，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（nucleolarmatrix）：

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（perinucleolarchromatin）：

是包围在核仁周围的异染色质。

•核仁相随染色质（nucleolarassociatedchromatin）：

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45SrRNA。

•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（nucleolarcycle）：

在进行有丝分裂的细胞中，核仁出现一系列结构和功能的周期性变化。

•进入有丝分裂时，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

•有丝分裂末期，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（prenucleolarbody）

•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（nuclearscaffold）/核基质（nuclearmatrix）：

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（nuclearmatrixprotein）：

各类细胞共有的蛋白成分。

核基质结合蛋白（nuclearmatrixassociatedprotein）：

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（semiconservativereplication）：

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（replicationfork）：

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