10.细胞核

细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞结构，是细胞遗传与代谢的调控中心，是真核细胞区别于原核细胞最显著的标志之一）。它主要由核膜、染色质、核仁、核基质等组成。

细胞核

• 概述
  • 形态/大小/数量/位置
  • 体积:核质指数:细胞核体积占细胞质体积的比例。 细胞核的体积约占细胞总体积的10%左右,这被认为是制约细胞最大体积的主要因素之一。
  • 组成:间期核由核膜、核纤层、核骨架、染色质和核仁组成。分裂期的核不完整。
• 核膜 (Nuclear envelope)
  • 核膜的主要化学成分
    • 蛋白质65%~75% 脂类次之 少量的DNA和RNA 所含酶类和脂类与内质网相似
  • 核膜的亚微结构
    • 电镜下,核膜是由两层互相平行的单位膜组成的双层膜结构。
    • (一)内、外核膜
      • 核膜外层:面向细胞质,表面附有核糖体,部分与RER相连,其形态、组分 及含有的酶的种类也与内质网无明显区别，故核膜也属于内膜系统的一部分
      • 核膜内层:面向细胞核,表面光滑,无核糖体附着,通透性小于外层。
    • (二)核周间隙
      • 内、外膜之间的腔隙,内部充满液态物质。可与内质网腔相通。
    • (三)核孔复合体 核质交换的双向选择性亲水通道。
      • 内、外膜局部融合形成许多小孔,称为核孔(nuclear pore)。
      • 一个典型的哺乳动物细胞核膜上有3000~4000个核孔。
      • 合成功能旺盛的细胞其核孔数目较多。
      • 电镜下,核孔是一个复杂且有规律的盘状结构体系,称为核孔复合体(nuclear pore complex)
  • 核膜的功能
    • (一)区域化作用
      • 核膜作为细胞质和细胞核之间的界膜将细胞分成核与质两大结构与功能区域。
    • (二)控制细胞核与细胞质的物质交换
      • 水分子 一些离子(K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、CI⁻等) 分子质量50KDa以下的小分子(单糖、氨基酸、核苷酸等)
        • 自由通过核膜
    • (三)合成生物大分子
    • (四)在细胞分裂中参与染色体的定位与分离
• 核纤层 (nuclear lamina)
  • 核纤层是广泛存在于高等真核细胞中的一层紧贴核膜内层的高电子密度纤维蛋白网。
  • 在细胞核内与核骨架相连,在细胞核外与中间纤维连接,构成贯穿于细胞核与细胞质的网架结构体系, 整体观呈球形网络,切面观呈片层结构。
  • (一)核纤层的组成成分
    • 组成核纤层的主要成分是核纤层蛋白(lamin),其实质就是一种中间纤维蛋白。
    • 在脊椎动物中有3种类型:laminA、B、C。 核纤层蛋白属中间纤维,在细胞核中编织成纤维网络状,衬于内层核膜下面。
    • 核纤层从整体来看为球形网络,切面观为片层结构。
    • laminβ与核内膜上的镶嵌蛋白结合在一起,laminα和laminγ又挂靠着laminβ, 染色质纤维一个或几个部位与laminα和laminβ连接在一起, 核纤层蛋白还可以与核基质中的蛋白质形成联接。
  • (二)核纤层的功能
    • 1.维持核膜的形态与染色质的核周锚定
    • 2.与核膜重建及染色质凝集关系密切
      • 促成熟因子(maturation promoting factor, MPF) 使核纤层蛋白磷酸化,最终导致核纤层解体、核膜消失
    • 3.参与细胞核的构建与DNA复制
• 染色质与染色体 (Chromatin and chromosome)
  • 一、染色质与染色体的化学组成
    • ·主要成分:DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA。
    • (一)DNA
    • (二)组蛋白(histone)
      • 属碱性蛋白质,与DNA的结合不要求特殊的核苷酸序列。
      • 种类:H₁、H₂A、H₂B、H₃、H₄;除H₁外,其余4种组蛋白在进化上高度保守。。
      • 功能
        • H₁与染色质高级结构形成有关;其余四种组蛋白参与核小体核心颗粒的构成。
        • 组蛋白对DNA复制、转录活性有抑制作用。。
    • (三)非组蛋白(nonhistone)
      • 是染色质中除组蛋白以外所有蛋白质的统称,属酸性蛋白质,带负电荷。
      • 非组蛋白可识别染色体上高度保守的特异DNA序列并与之结合,故又称序列特异性DNA结合蛋白。
      • 种类
        • 种类繁多,含量少。有种属和组织特异性。
      • 功能
        • 非组蛋白能特异解除组蛋白对DNA活性的抑止作用,促进DNA复制和转录。
  • 二、染色质和染色体的亚微结构
    • (一)染色质和染色体的基本结构单位——核小体
      • 核小体(nucleosome)是构成染色质的基本结构单位。
      • 组成:五种组蛋白和200bp左右的DNA组装形成。
      • 核心颗粒:2(H₂A、H₂B、H₃、H₄)组成的八聚体+1.75圈(约146bp)DNA
      • 连接部:H₁+连接DNA(约60bp)
    • (二)螺线管是染色质和染色体的二级结构
      • 每6个核小体绕成一圈,形成螺线管(solenoid)。
    • (三)染色体的构建
      • 染色体支架—放射环结构模型
        • 非组蛋白支架→袢环→微带→染色单体
      • 多级螺旋模型
        • DNA→压缩7倍→核小体→压缩6倍→螺线管→压缩40倍→超螺线管→压缩5倍→染色单体
        • DNA→压缩近万倍→染色单体
        • —级结构:核小体串 二级结构:螺线管 三级结构:超螺线管 四级结构:染色单体
  • 三、常染色质和异染色质 (Euchromatin and Heterochromatin)
    • (一)常染色质
      • 一般位于核的中央。是间期核中处于伸展状态的DNA分子部分, 由于其螺旋化程度低,所以着色较浅,具有转录活性,是经常处于功能活跃状态的染色质。
    • (二)异染色质
      • 多分布在核周缘,紧靠核内膜,少数与核仁相结合或散在于核中。是间期核中高度螺旋化的DNA分子部分, 呈凝集状态,由于其螺旋化程度高,所以着色很深,很少转录,功能上处于静止状态,是低活性的染色质。
      • 结构异染色质
        • 在所有类型细胞的全部发育阶段中都为异染色质。常见于染色体的着丝粒、端粒、次缢痕等部位。 不进行转录,可能与控制细胞分裂、分化及结构蛋白基因表达有关。是异染色质的主要类型。
      • 兼性异染色质(功能性异染色质)
        • 在某些类型的细胞中或在细胞发育的一定阶段,由原来的常染色质失去转录活性, 转变成为凝集状态的异染色质。如:女性的X染色质(X小体/巴氏小体)。
  • 四、染色体(chromosome)
    • (一)中期染色体的形态结构
      • 描述染色体形态结构以中期染色体为标准。
      • 每一条中期染色体都是由两条相同的染色单体构成, 这两条单体由一个DNA分子复制而来,彼此互称姐妹染色单体。
      • 1.着丝粒和动粒 2.臂(p、q) 3.次镒痕(副缢痕) 4.随体和随体柄 5.端粒
      • 每条染色体都必须具备着丝粒、臂和端粒
    • (二)染色体的分类
      • 根据着丝粒的相对位置,染色体可分为四种类型
        • 中央着丝粒染色体
        • 亚中着丝粒染色体
        • 近端着丝粒染色体
        • 端着丝粒染色体
    • (四)染色体的数目与核型
      • 不同物种具有不同数目的染色体,每一物种的染色体数目是恒定的。
      • 人类正常体细胞中有46条染色体,可以配成23对。 即:人类正常体细胞中含两个染色体组属于二倍体细胞,2n=46。
      • 核型(karyotype)是指一个体细胞中全部中期染色体的总和, 包括染色体的数目、大小和形态特征。
• 核仁 (Nucleolus)
  • 一、核仁的化学组成与超微结构
    • (一)核仁的化学组成
      • 主要为蛋白质(80%)、RNA (10~11%)、DNA (8%)和少量脂类。
        • 蛋白质主要是核仁染色质的组蛋白和非组蛋白、核糖体蛋白质、RNA聚合酶等
        • RNA主要为rRNA
        • DNA中主要是rRNA基因(又称rDNA)
    • (二)核仁的超微结构
      • 核仁为非膜性结构。 光镜下:通常为单一或多个均质的球形小体。 电镜下:为一种无界膜包被的、由纤维丝构成的海绵状球体结构。
      • (1)纤维中心
        • 纤维中心(FC) 在电镜下呈低密度区,被密集纤维部分包围成圆形结构小岛。 纤维中心主要由核仁内染色质组成。
        • 核仁组织者区(NOR) 核仁内染色质DNA上含有大量rDNA的区域,这些dna可通过 高速转录产生大量RNA,进而在组成、形成核仁的过程中发挥作用。 人类NOR位于5对有随体的染色体(13、14、15、21、22号)的副缢痕部位。
      • (2)致密纤维成分
        • 致密纤维部分(DFC) 是核仁中电子密度最高的部分,呈环状或半月状包围纤维中心。 主要成分是rRNA,是rRNA合成活跃的区域。
      • (3)颗粒区
        • 为高电子密度颗粒,位于纤维结构的周围直到核仁边缘。 主要是成分是rRNA和蛋白质,是正在加工、处于不同成熟阶段的核糖体亚单位的前体颗粒。
    • (三)核仁的周期性变化
      • 核仁是一种动态结构,其形态和功能在细胞周期中发生周期性变化。
      • 分裂间期有完整结构,分裂前期核仁消失,分裂末期核仁重现。
  • 二、核仁的功能(The function of the nucleolus)
    • 核仁是rRNA合成、加工和核糖体大、小亚基装配的场所。
    • (一)核仁是细胞核中rRNA基因转录和加工的活动中心
      • 核仁是细胞核中rRNA合成的活动中心
    • (二)核仁是装配核糖体大、小亚基的工厂
      • 核糖体大、小亚基的前体物质在核仁内合成并运输到细胞质中。
      • 核糖体大、小亚基前体在进入细胞质以后才被加工成熟,使蛋白质的合成只能在细胞质中进行, 这有利于防止核内加工不完全的hnRNA与有功能的核糖体接近和发生作用。
• 核骨架 (Nuclear skeleton)
  • 核骨架(nuclear skeleton),又称核基质(nuclear matix)是间期细胞核内除去染色质、核膜与核仁以外的 由非组蛋白组成的纤维网架结构,其基本形态与细胞骨架类似,在结构上与核孔复合体、核纤层、核仁、 染色质以及细胞质骨架等结构均有密切的联系
  • 核骨架的功能
    • ①核骨架是DNA复制的支架 ②核骨架在基因转录中发挥重要作用 ③核骨架参与染色体与核膜的构建 ④核骨架与病毒复制有关
• 核糖体小亚基 (40S)
  • 18S rRNA
    • 来自核仁
  • 33种蛋白质
• 核糖体大亚基 (60S)
  • 28S rRNA 5.8S rRNA
    • 来自核仁
  • 5S rRNA
    • 来自核仁以外区域
  • 49种蛋白质
• 核孔复合体
  • 大分子物质和一些小颗粒物质可以通过核孔复合体
  • 核孔复合体对大分子物质的运输具有双向性和选择性。
  • 核→质
    • 1、成熟RNA;如:tRNA、mRNA。 2、核糖体大、小亚基。
  • 质→核
    • 1、DNA复制、RNA转录所需要的酶类。 2、染色体组装所需的蛋白质。 3、核糖体蛋白。
  • 亲核蛋白(核蛋白质)
    • 是一类在细胞质中合成,需要或能够进入细胞核发挥功能的蛋白质。
  • 核蛋白质的运输
    • 真核生物细胞核中的一种酸性热稳定蛋白。可同组蛋白H₂A和H₂B结合,协助核小体的装配。
  • 核定位信号(nuclear localization signal, NLS)
    • 是亲核蛋白自身所携带的由4-8个氨基酸组成的短肽序列,可以位于蛋白质的任何部位。 不同的亲核蛋白的NLS有一定差异,但都富含带正电荷的氧基酸(赖氨酸、精氨酸),以及脯氨酸。
    • 质→核:核定位信号(NLS)。核孔复合体可识别核定位信号。
  • 核输出信号
    • 可能是RNA分子或与RNA分子结合的蛋白质。核孔复合体有识别RNA分子的受体。
    • 核→质:核输出信号
• "捕鱼笼式"的核孔复合体模型
  • 1.胞质环
    • 位于核孔边缘的胞质一面,与外核膜相连,故称外环,环上有8条短的胞质纤维,对称分布,伸向细胞质
  • 2.核质环
    • 位于核孔边缘的核质面,与内层核膜相连,又称内环,环上对称地连有8条细胞纤维,伸向核质, 在纤维未端形成一个小环。这样,核质面的核孔复合体就像一个捕鱼笼式的结构故称为核篮。
  • 3.辐
    • 由核孔边缘伸向中心,呈辐射状八重对称,其结构复杂。
  • 4.中央栓
    • 位于核孔中心,呈颗粒状或棒状,推测它在核质交换中起一定的作用。