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细胞核
详细介绍了细胞核的结构和功能，主要介绍了核膜、染色质与染色体。
编辑于2020-04-03 10:33:05
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细胞核
概述
细胞核：是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是细胞生命活动的控制中心，是真核细胞和原核细胞的最大区别。
数量：每个细胞通常只有一个核，但有些细胞为双核甚至多核，如人的肝细胞和骨骼肌细胞。
大小：高等动物细胞核的直径通常在5～10μm。在不同生物体细胞核大小有所不同，生长旺盛的细胞，核较大；分化成熟的细胞则核较小。
形态：各不相同，常与细胞形状、细胞类型、发育时期有关。
第一节 核膜
一、核膜的化学组成
核膜的化学成分主要为蛋白质和脂类，此外还有少量的DNA和RNA。所含有的酶类和脂类都与内质网相似。
(一) 蛋白质
含量：约占65%~75%
种类：核膜含有20多种蛋白质，包括组蛋白、基因调节蛋白、DNA和RNA聚合酶、RNA酶以及电子传递有关的酶类等。
(二) 脂类
卵磷脂和磷脂酰乙醇胺，含量低
胆固醇和甘油三酯，含量高
二、核膜的结构
在电镜下，核膜是由内外层核膜、核周隙、核孔复合体和核纤层等结构组成。
（一）外核膜
外核膜与糙面内质网相连，表面有核糖体附着，被认为是糙面内质网的特化区域。
外核膜胞质面附着有中间纤维和微管等细胞骨架成分，与细胞核定位有关。
（二）内核膜
内核膜与外核膜平行排列，表面光滑；
内核膜核质面附着有致密的核纤层纤维网络结构。
（三）核周隙
核周隙是内、外核膜之间的缓冲区；
核周隙为内外两层核膜之间的腔隙；
核周隙与糙面内质网相通，内含有多种蛋白质和酶类。
（四）核孔复合体
核孔概念：核内外核膜融合之处形成的环状开口。
核孔数量：典型的哺乳动物细胞核核膜上分布有3000～4000个核孔，活动旺盛的细胞核孔数目较多。
结构组成：由多个蛋白质颗粒以特定方式排列而成的蛋白分子复合物，也称为核孔复合体
目前普遍接受的捕鱼笼式（fish-trap）结构模型认为核孔复合 体主要由四种组分构成：
胞质环（cytoplasmic ring）：位于核孔复合体结构边缘胞质面一侧的环状结构，与柱状亚单位相连，环上对称分布8条短纤维，并伸向细胞质。
核质环（nuclear ring）：位于核孔复合体结构边缘核质面一侧的孔环状结构,与柱状亚单位相连，在环上也对称分布8条纤维，伸向核内，纤维末端形成一个由8个颗粒组成的小环，构成捕鱼笼似的结构，称“核篮”。
辐（spoke）：由核孔边缘伸向核孔中心，呈辐射状八重对称分布。
辐主要由3部分构成：
柱状亚单位（column subunit）：位于核孔边缘，连接胞质环与核质环，起到支撑核孔的作用；
腔内亚单位（luminal subunit）：穿过核膜伸入核周间隙，起锚定作用；
环状亚单位（annular subunit）：在柱状亚单位内侧靠近核孔中央，是核-质交换的通道。
中央栓（central plug）：位于核孔中央，呈棒状或颗粒状，其在核质交换中发挥一定的作用。
（五）核纤层
概念：位于内核膜内侧与染色质之间的一层由高电子密度纤维蛋白质组成的网络片层结构。
分子组成：核纤层蛋白，属于中间纤维。
哺乳动物和鸟类细胞的核纤层由三种蛋白构成：
核纤层蛋白A——仅见于分化细胞
核纤层蛋白B——所有体细胞
核纤层蛋白C
功能：
1.核纤层在细胞核中起支架作用
维持核的轮廓；
使胞质骨架和核骨架形成连续网络结构。
2.核纤层与核膜的崩解和重建密切相关
细胞分裂前期，核纤层蛋白被磷酸化解聚，核膜崩解为小泡；
细胞分裂末期，核纤层蛋白去磷酸化，重新组装介导核膜重建。
3.核纤层与染色质凝集成染色体相关
细胞分裂间期，染色质与核纤层紧密结合，染色质不能螺旋化为染色体；
细胞分裂前期，核纤层蛋白解聚，染色质与核纤层蛋白丧失，染色质逐渐凝集成染色体。
4.核纤层参与DNA的复制
三、核膜的功能
（一）核膜为基因表达提供了时空隔离屏障
使DNA复制、RNA转录与蛋白质的翻译在不同的时间和空间上进行；
维持细胞核相对稳定的内环境。
（二）核膜参与蛋白质合成
外核膜的表面附着核糖体，可进行蛋白质的合成 。
（三）核孔复合体介导核-质间的物质交换
被动扩散
转运成分：无机离子、小分子及直径小于10nm的物质，如 水分子、K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、单糖、氨基酸等。
转运特点：通过直径9～10nm的亲水性通道自由转运。
主动运输
转运成分：大分子物质，如RNA、核糖体、蛋白质等。
转运特点：
具有选择性
直径大小是可调节
信号识别与载体介导
消耗能量
双向性
1.亲核蛋白的输入
亲核蛋白（karyophilic protein）：在细胞质内合成后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。
核定位信号（nuclear localization signal, NLS）：存在于亲核蛋白内的特殊氨基酸序列，可引导蛋白质通过核孔复合体被转运到核内。
转运条件：
核定位信号
核转运受体：入核素——存在于胞质中，既可以与核孔复合体结合，又可以与被转运物质结合。
RanGTP酶：水解GTP，为核转运提供能量；激活入核素，使其释放亲核蛋白至核内。
①亲核蛋白通过NLS识别核输入受体α，与核输入受体α/β异二聚体结合，形成转运复合物；
②在核输入受体β的介导下，转运复合物与核孔复合体的胞质纤维结合；
③转运复合物在核孔复合体中移动，从胞质面转移到核质面；
④转运复合物在核质面与Ran-GTP结合，导致复合物解离，亲核蛋白释放；
⑤受体的亚基与结合的Ran-GTP返回细胞质，在胞质内Ran-GTP水解形成Ran-GDP并与核输入受体β解离，Ran-GDP返回核内，再转换成Ran-GTP状态。
2.RNA及核糖体亚基的核输出
核孔复合体除了把亲核蛋白输入核内以外，还要把新合成的核糖体大小亚基、mRNA和tRNA等输出到细胞质。
核孔复合体上的受体识别被转运的RNA分子（输出蛋白，exportin）
第二节 染色质与染色体
概述
染色质（chromatin）：是间期细胞遗传物质的存在形式，由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA等构成的细丝状复合结构，形态不规则，弥散分布于细胞核内。
染色体（chromosome）：是细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，染色质复制后反复缠绕凝聚而成的条状或棒状结构。
染色质与染色体是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同存在形式。
一、染色质的组成成分
染色质组分：DNA和组蛋白占98%，少量RNA和非组蛋白。
(一) DNA是遗传信息的载体
染色质中的DNA是遗传信息的载体。
真核细胞每条未复制的染色体均由一条线性DNA分子构成。
一个真核细胞单倍染色体组中所含的全部遗传信息，叫做基因组（genome）。
单一序列和重复序列
真核细胞中染色质DNA序列可分为单一序列和重复序列两大类型，重复序列又分为中度重复序列和高度重复序列。
①单一序列（unique sequence）：在基因组中一般只有单一拷贝或少数几个拷贝。
②中度重复序列（middle repetitive sequence）：重复次数在101～105之间，序列长度由几百到几千个碱基对（bp）不等。
③高度重复序列（highly repetitive sequence）：长度较短，一般为几个至几十个bp，但重复拷贝数超过105，分布在染色体的端粒、着丝粒区。
染色质DNA的三类功能序列：
①复制源（replication origin）序列：
是细胞进行DNA复制的起始点。
维持染色体在世代传递中的连续性。
②着丝粒（centromere）序列：
是复制完成的两姐妹染色单体的连接部位。
在分裂中期，与纺锤丝相连，使复制后的染色体平均分配到两个子细胞中。
③端粒（telomere）序列：
存在于真核生物染色体末端的一个富含G的简单重复序列。
维持染色体的稳定性。
维持DNA分子两末端复制的完整性。
(二)组蛋白是真核细胞染色质中的基本结构蛋白
1、组蛋白的特点
真核生物染色体的基本结构蛋白。
富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，属碱性蛋白质。
可与酸性DNA紧密结合（非特异性结合）。
2.组蛋白的分类
⑴ 核小体组蛋白
核小体组蛋白包括H2A 、 H2B、H3和H4。
无种属及组织特异性，进化上高度保守。
协助DNA卷曲成核小体的稳定结构。
⑵ H1组蛋白
有种属特异性与组织特异性。
与核小体的进一步包装有关。
(三)非组蛋白能从多方面影响染色质的结构和功能
概念：除组蛋白之外的染色质结合蛋白的总称。
特点：
数量较少，种类较多；
可与特异的DNA序列结合，能从多方面影响染色质的结构和功能；
协助DNA折叠，参与启动DNA复制，调控基因的转录与表达。
二、常染色质与异染色质
间期染色质按其形态特征与染色性质的不同可分为两类：常染色质与异染色质。
(一)常染色质（euchromatin）是处于功能活跃呈伸展状态的染色质纤维
定义：为间期核内碱性染料染色时着色较浅，螺旋化程度较低，处于伸展状态的染色质细丝，含有基因转录活跃部位。
细胞内分布：在核内均匀分布，多位于核中央。
(二)异染色质（heterochromatin）是处于功能惰性呈凝缩状态的染色质纤维
定义：间期核中处于凝缩状态，结构致密，无转录活性，用碱性染料染色时着色较深的染色质组分。
细胞内分布：多位于核周近核膜处
分类：
组成性异染色质（constitutive heterochromatin）：是异染色质的主要类型，在所有细胞类型及各个发育阶段中均处于凝集状态。
兼性异染色质（facultative heterochromatin）：是在某些细胞类型或一定的发育阶段，原有的常染色质凝聚并丧失转录活性后转变而成的异染色质，可转化为常染色质。
三、染色质组装成染色体
(一)核小体—染色质的一级结构（基本结构单位）
核小体（nucleosome）：是染色体的基本结构单位，为由200bp左右的DNA分子及一个组蛋白八聚体构成的圆盘状颗粒。
组装：
核小体组蛋白H2A 、 H2B、H3和H4各两分子组成八聚体；
146bp的DNA分子盘绕组蛋白八聚体1.75圈，形成核小体；
两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度为60bp；
组蛋白H1结合于连接DNA，位于核小体核心DNA双链的进出端，起稳定核小体的作用。核小体串珠的形成使DNA分子压缩了约7倍。
(二)螺线管———染色质的二级结构
概念：螺线管（solenoid）是在组蛋白H1协助下，由核小体串珠结构盘旋而成的中空结构。
组装：螺线管每圈6个核小体，螺距11nm，外径30nm，内径10nm。
组蛋白H1：由一个球形中心及两个氨基酸臂组成，球形中心可与核小体上的特异性位点结合，两个臂则与相邻核小体组蛋白核心上相应的位点结合，以协助核小体包装成有规律的重复排列结构。
螺线管的形成使核小体串珠结构压缩了约6倍。
(三)螺线管的进一步包装
关于螺线管如何进一步包装成染色体，目前有两种模型：多级螺旋化模型和染色体骨架-放射环模型。
1.多级螺旋化模型
一级结构——核小体
二级结构——螺线管
三级结构——超螺线管（supersolenoid）：由螺线管进一步螺旋化形成的圆筒状结构
四级结构——染色单体（chromatid）：超螺线管进一步螺旋折叠形成
2.染色体骨架-放射环模型
一级结构——核小体
二级结构——螺线管（30nm染色质纤维）
高级结构
袢环结构
染色单体
螺线管以后的高级结构由30nm染色质纤维折叠成的袢环构成
袢环沿染色体纵轴由中央向周围伸出，形成放射环；
每18个袢环呈放射状排列形成微带（miniband），微带是染色质高级结构的组成单位；
约106个微带沿纵轴排列形成染色单体。
四、染色体的形态结构
在有丝分裂中期，染色质高度凝集，染色体形态、结构特征明显，可作为染色体一般形态和结构的标准。
中期染色体是由着丝粒相连的两条姐妹染色单体构成，主要包括以下几部分：
(一)着丝粒
1.主缢痕（primary constriction）：指中期染色体的两条姐妹染色单体的连接处，一向内凹陷、着色较浅的缢痕。
2.着丝粒：主缢痕的染色质部分，由高度重复的异染色质组成。
依据着丝粒在染色体的位置，将中期染色体分为4类：
中着丝粒染色体（metacentric chromosome）
亚中着丝粒染色体（submetacentric chromosome）
端着丝粒染色体（telocentric chromosome）
近端着丝粒染色体（acrocentric chromosome）
（二）着丝粒-动粒复合体介导纺锤丝与染色体的结合
1.动粒（kinetochore ）：位于主缢痕两侧的特化的圆盘状结构，由蛋白质构成，是纺锤丝微管的附着部位，参与分裂后期染色体向两极的迁移。
2.着丝粒-动粒复合体：由着丝粒与动粒共同组成的一种复合结构 ，包括三种结构域：
动粒结构域（kinetochore domain）：位于着丝粒表面，支配染色体的运动和分离。
中央结构域（central domain）：是着丝粒区的主体，富含高度重复序列DNA，对复合体结构的形成和功能活性的维持有重要作用。
配对结构域（pairing domain）：位于着丝粒内表面，与姐妹染色单体的配对及分离关系密切。
(三)次缢痕并非存在于所有染色体上
次缢痕（secondary constriction）：指染色体上除主缢痕之外的缢缩部位，数量、位置和大小可作为鉴别染色体的标记。
(四)随体是位于染色体末端的球状结构
随体（satellite）：人类近端着丝粒染色体短臂的末端的球状结构，主要由异染色质构成，它通过次缢痕区与染色体主体部分相连。
核仁组织区（nucleolar organizing region）：
是含有rRNA基因的染色体区域；
该部位 rRNA基因转录活跃，染色质凝集程度低，表现为浅染的次缢痕；
与核仁形成有关。
(五)端粒是染色体末端的特化部分
端粒（telomere）指染色体末端的特化部位，由富含鸟嘌呤核苷酸（G）的端粒DNA和蛋白质构成。
生物学意义：维持染色体的稳定性与完整性，参与染色体在核内的空间排布及同源染色体的正确配对。
五、核型与带型
核型（karyotype）：指某一个体细胞的全部染色体在有丝分裂中期的表型，包括染色体的数目、大小和形态特征。
带型（band）：指将染色体经过一定处理、用特定的染料染色后，使染色体沿其长轴显示深浅各异、宽窄不等的带纹。
染色体显带技术最重要的应用就是明确鉴别任何一条染色体，甚至某一易位片断。
第六节 细胞核与疾病
一、细胞核结构异常与疾病
由染色体数目和结构异常所引起的疾病称染色体病(chromosomal disease)。
由基因突变引起的疾病称为基因病，包括单基因病、多基因病。
（一）肿瘤细胞核异常
高的核质比
核结构呈异型性
染色质聚集在近核膜处
核仁体积大，数目多
（二）核纤层蛋白异常与早衰
在人类早老症患者的表皮细胞中，电镜观察发现核纤层增厚的现象。
核纤层主要由两类蛋白组成: A型核纤层蛋白和B型核纤层蛋白。
当编码核纤层的基因发生突变，可以直接引起细胞核纤层的损伤，造成细胞衰老，也将引发机体一系列与衰老相关的退行性病变。
lamin A及其结合蛋白的突变将影响核膜蛋白的定位和功能，或影响基因组的稳定性，导致早老的发生。
人类早老症患者lamin A 合成障碍，有毒性的lamin A前体的累积。人类正常衰老细胞中同样存在lamin A 减少。
二、核转运异常与疾病
雄激素受体(AR)在男性第二性征的发育及前列腺的生长过程中起着重要的作用，其核定位对个体正常的生理状态非常重要。
AR或者AR的NLS位点的突变体造成的AR异常，导致AR不能正常入核，与前列腺癌以及雄激素不敏感症相关。
三、端粒异常与疾病
研究发现高血压患者内皮细胞中端粒长度存在异常。对体外高血压动物模型研究发现，血管平滑肌细胞的端粒消耗加速，由此可能对血管平滑肌细胞增殖与凋亡失衡产生影响。
第五节 细胞核的功能
一、遗传信息的贮存和复制
细胞核内的DNA是生物体遗传信息的携带者，决定着生物体的遗传性状与生物学行为。
DNA分子与组蛋白结合形成染色体，使DNA分子稳定在细胞核内。
细胞核将遗传物质包裹在核内，保证了细胞的稳定性。
(一) DNA复制是在多个起始点上进行的半保留复制
从多个复制起点开始，在DNA解旋酶、拓扑异构酶的协助下，解开双螺旋形成复制叉，进行双向复制。
复制后的两个DNA分子中的碱基顺序与复制前的DNA分子相同，而且每一个DNA分子都含有一条旧链和一条新合成的链。
(二)DNA复制为半不连续性复制
DNA聚合酶催化合成DNA链的方向只能是5′→3′
前导链——连续复制； 后随链——片断复制
(三) 端粒酶能够保持DNA复制时染色体末端的完整性
端粒：染色体线性DNA分子末端的结构，在维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性方面有重要作用。
端粒酶：由RNA与具有逆转录酶活性的蛋白质组成的核酸蛋白复合体，主要存在于未分化细胞和肿瘤细胞中。
在复制终止时，染色体DNA可能由于去除引物而引起末端缩短。端粒酶可通过与端粒序列识别并结合，利用逆转录酶活性，对DNA末端进行加尾延长，避免了多轮复制后造成染色体末端基因的丢失。
二、遗传信息的转录
转录的本质是将遗传信息从DNA传递给RNA分子。
RNA转录与加工在核内进行：
mRNA加工
5´端带帽
3´端加尾
去除内含子
第四节 核基质
一、核基质的组成成分与形态结构
主要成分：蛋白质，少量RNA
核基质蛋白可分为两类：
核基质蛋白（nuclear matrix protein），是各类细胞共有的蛋白成分；
核基质结合蛋白组成与细胞类型、分化状态、生理及病理状态有关
核骨架中还有少量RNA，可维系核骨架三维网络结构的完整性。
二、核基质的功能
(一)核基质参与DNA复制
核基质上锚泊DNA复制复合体；
核基质上结合新合成的DNA ；
核基质上DNA的复制效率提高 。
(二)核基质参与基因转录与加工
核基质与基因转录活性密切相关；
核基质参与RNA的加工修饰。
(三)核基质参与染色体构建
DNA袢环结合在核骨架上构建形成染色体；
核基质相关蛋白参与核膜重建。
(四)核基质与细胞分化相关
第三节 核仁
概述
核仁（nucleolus）：真核细胞间期细胞核中最明显的结构，光镜下为均匀、海绵状的球体。
数目：每个细胞中有核仁1～2个，甚至多个。
大小：蛋白质合成旺盛的细胞核仁大，如卵母细胞、分泌细胞；不具备蛋白合成能力的细胞核仁小。
位置：在细胞核中的位置通常不固定，在生长旺盛的细胞中，常趋向核的边缘。
一、核仁的主要成分
核仁的主要化学组成为RNA、DNA、蛋白质和酶类等。
蛋白质占80%；
RNA占10%，主要是rRNA基因及其转录产物；
DNA约占8%，主要是存在于核仁染色质中的DNA。
二、核仁的结构
核仁无膜包裹，电镜下可见三个特征性区域：
纤维中心（fibrillar center，FC）
（一）核仁的纤维中心是分布有rRNA基因的染色质区
结构特点：包埋于颗粒组分内部的一个或几个低电子密度的圆形结构体。
主要成分：rRNA基因rDNA的存在部位
rDNA是染色体上伸展出的DNA袢环，每一个袢环称为一个核仁组织者。
人类rRNA基因位于5条染色体上，即13、14、15、21、22号染色体。
致密纤维组分（dense fibrillar component，DFC）
（二）核仁的致密纤维组分包含处于不同转录阶段的rRNA分子
结构特点：核仁内电子密度最高的区域，由致密的纤维构成环形或半月形结构。
主要成份：主要含有正在转录的rRNA分子，核糖体蛋白及某些特异性的RNA结合蛋白。
颗粒成分（granular component，GC）
（三）核仁的颗粒组分由正在加工的rRNA及蛋白质构成
结构特点：呈致密颗粒，位于核仁的外周。
主要成分：由正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒构成， 颗粒成分的数量决定核仁的大小。
三、核仁的功能
(一)核仁是rRNA基因转录和加工的场所
rRNA基因转录：哺乳动物核仁中串连重复排列的rRNA基因，在RNA聚合酶I作用下进行转录，每个基因都转录出长度为13,000bp的初始转录产物，即45S rRNA。
(二)核仁是核糖体亚基装配的场所
核糖体大亚基（60S）
来自核仁
28S rRNA
5.8S rRNA
来自核仁以外区域
5S rRNA
49种蛋白质
核糖体小亚基（40S）
来自核仁
18S rRNA
33种蛋白质
四、核仁周期
核仁周期（nucleolar cycle）：在进行有丝分裂的细胞中，核仁出现一系列结构与功能的周期性变化。
核仁的周期性变化：
前期：核仁变小，染色质凝集，RNA合成停止
中期和后期：核仁消失
末期：rRNA重新开始合成，形成小核仁
极小的核仁进一步合并最终形成核仁。