细胞核讲课用PPT课件

教学目的和要求1.掌握核被摸、核孔复合体的化学组成、结构模型及功能2.掌握染色质与染色体的概念、化学组成、构建过程及染色体的形态结构3.掌握核仁的形态结构和功能，核纤层的结构与功能，核骨架的化学构成及功能4.了解细胞的核型与染色体带型，细胞核与疾病的关系第1页/共57页本章内容包括:第一节 核膜第二节 染色质与染色体第三节 核仁第四节 核骨架第五节 细胞核的功能第六节 细胞核与疾病第2页/共57页细胞核的一般特征细胞核是真核细胞最重要的细胞器，是细胞生命活动的控制中心，是真核细胞与原核细胞最大的区别1.数量：绝大多数种类细胞1个，肝细胞、心肌细胞可有2个，破骨细胞650个，骨骼肌几百个。2.大小：高等动物细胞核的直径常在510 m，大小随细胞的类型及生理状态而异。3.形态：细胞核的形状与细胞的形状及发育时期有关，多为圆形或椭圆形，粒细胞分叶核，单核细胞马蹄形核。4.结构：间期核的结构包括核膜、核仁、染色质及核基质。5.动态变化：细胞核的结构随细胞周期进程发生周期性变化。第3页/共57页第4页/共57页第一节 核膜一、核膜的化学成分二、核膜的结构与区域化作用三、核孔复合体与核-质间的物质运输四、核纤层的结构与功能第5页/共57页一、核膜的化学组成核膜的化学成分主要为蛋白质和脂类，所含的酶类和脂类与内质网相似。（一）蛋白质1.含量：约占65%75%2.种类：20多种蛋白质，包括组蛋白、基因表达调节蛋白、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（磷脂酰胆碱）和脑磷脂（磷脂酰乙醇胺）含量低；胆固醇和甘油三酯含量高。第6页/共57页二、核膜的结构与区域化作用（一）核膜的结构1.外核膜：与粗面内质网相延续，胞质面附着核糖体以及与核定位有关的微管和中间纤维。2.内核膜：与外核膜在核孔位置相延续，核质面有核纤层。3.核间隙：内外膜之间的腔隙，与内质网腔相通；充满液态不定形物，含多种蛋白质和酶。4.核孔：内外膜融合处的孔（复合体），一个哺乳动物细胞有30004000个核孔。第7页/共57页细胞核的超微立体模式图Return to page 8第8页/共57页The nuclear envelope超微结构，切面图第9页/共57页冷冻断裂法制备的核被膜，显示核孔复合体第10页/共57页第11页/共57页三、核孔复合体与核-质间的物质运输（一）核孔复合体的结构1.胞质环 (cytoplasmic ring) ：胞质面环状结构，相连8条蛋白纤维伸向胞质。2.核质环 (nuclear ring)：核质面环状结构，相连8条蛋白纤维伸向核质，末端形成核蓝。3.辐(spoke)：包括柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位。4.中央拴 (central plug)：可能是被运输的物质第12页/共57页核孔复合体(1)胞质环(cytoplasmic ring) (2)核质环(nuclear ring)(3)辐(spoke)(4)中央拴(central plug)第13页/共57页其它成分被抽提后核孔复合体胞质面（A）与核质面（B）的结构AB第14页/共57页（二）核孔复合体的物质运输功能核孔复合体是核内外物质交换的主要通道。不同物质可通过被动运输和主动运输出入核膜。1.被动运输：无机离子（如K+、Cl-、Ca2+、Mg2+）和小分子物质（如单糖、氨基酸等）2.主动运输：大分子物质（如RNA、蛋白质），是一个信号识别与载体介导的耗能过程。第15页/共57页3.亲核蛋白入核转运亲核蛋白（karyophilic protein）：在细胞质内合成、在细胞核内发挥功能的一类蛋白质。转运条件： 胞质中有核转运受体（入核素），它可以与亲核蛋白及核孔复合体结合。 核内有RanGTP酶，它是G-蛋白，能水解GTP提供能量，核转运受体，使其释放亲核蛋白至核内。 亲核蛋白有核定位信号（nuclear localization signal, NLS），对亲核蛋白的转运起引导作用。 第16页/共57页 第17页/共57页（二）核膜的功能1.区域化作用：使遗传物质处于更稳定的环境，得到更有效的保护。2.合成生物大分子：核外膜上的核糖体是合成蛋白质的场所。3.控制核内外物质和信息交流：（1）对不能自由出入核内的物质起到屏障作用；（2）核孔复合体可选择性的运输核糖体蛋白、RAN等大分子物质；（3）核膜受体有调控基因表达的作用。第18页/共57页四、核纤层的结构与功能（一）核纤层的结构衬于内核膜的核蛋白纤维网，属中间纤维。脊椎动物细胞中有核纤层蛋白A、B、C三类，哺乳动物和鸟类细胞中有核纤层蛋白A、B核纤层蛋白A：仅见于分化细胞核纤层蛋白B：存在于所有体细胞第19页/共57页（二）核纤层的功能1.在细胞核中起支架作用，维持核的轮廓；2.连接细胞质骨架和核骨架，是细胞骨架系统的一部分；3.细胞周期中参与核膜解体与重建（通过磷酸化与去磷酸化）；4.为染色质提供锚定位点，与DNA解旋和染色质凝集有关第20页/共57页第二节 染色质和染色体一 、染色质与染色体的主要化学成分二、常染色质与异染色质三、染色质组装成染色体四、染色体的形态特征五、染色体的核型和带型第21页/共57页概述染色质（chromatin）：是间期细胞遗传物质的存在形式，由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA构成的细丝状结构，弥散分布于细胞核内。染色体（chromosome）：是细胞分裂过程中遗传物质的存在形式，是染色质反复缠绕凝集而成的棒状或粒状结构。染色质和染色体是遗传物质在细胞周期不同阶段的不同存在形式。第22页/共57页一 、染色质的组成成分（一）DNA1.遗传信息的携带者，永久性成分，含量稳定。一条复制后的染色体含有2个DNA分子。2.染色质DNA有三个重要功能序列（1）端粒DNA序列：保持染色体结构稳定（2）着丝粒DNA序列：确保细胞分裂中染色体能平均分配到子细胞中去。 （3）自主复制DNA(复制源）序列：是DNA复制起始点，确保染色体在细胞周期中能够自我复制，维持染色体在细胞世代传递中的连续性。第23页/共57页Three key regions of a chromosome第24页/共57页（二）组蛋白（histone）1.特性（1）基本结构成分，含量稳定；（2）富含Arg和Lys的碱性蛋白质，带正电荷；（3）与DNA非特异性结合，有降低DNA转录活性的作用。2.类别（1） H1：有种属和组织特异性，位于核小体连接部，功能与染色体构建有关。 （2）H2A，H2B，H3和H4：构成核小体核心，进化上高度保守，无种属及组织特异性； 第25页/共57页（三）非组蛋白1.概念：除组蛋白之外的染色质蛋白的总称。2.特性：（1）为酸性蛋白质，数量少，种类多（500多种），具有种属特异性和组织特异性。（2）与DNA特定序列特异性结合，调控基因转录与表达，基因表达活跃的组织非组蛋白含量高。（四）RNA是否为固定组份尚有争论。第26页/共57页二、常染色质与异染色质间期染色质按其染色特性和形态特征分两类：常染色质(euchromatin)和异染色质(heterochromatin)常染色质常染色质异染色质异染色质螺旋缠绕程度螺旋缠绕程度 螺旋程度低，呈螺旋程度低，呈疏松的纤维状疏松的纤维状螺旋程度高，呈螺旋程度高，呈团块状团块状间期染色深度间期染色深度 染色浅染色浅染色深染色深间期核中的分间期核中的分布布主要分布于主要分布于核中核中央央主要分布于主要分布于核周核周边边转录活性转录活性转录活性高转录活性高转录活性低转录活性低复制时间复制时间S S期的早、中期期的早、中期S S晚期晚期第27页/共57页常染色质异染色质第28页/共57页异染色质的类型：1.结构异染色质(constitutive heterochromatin) ：在所有类型细胞和各个发育阶段均呈异染色质状态凝集状态，是异染色质的主要类型。2.兼性异染色质(facultative heterochromatin)：只在某些类型细胞和一定发育阶段呈现异染色质状态，可转化为常染色质。第29页/共57页三、染色质组装成染色体多级螺旋结构模型：1.1.染色体的一级结构核小体(nucleosome)成分与结构：核小体核心部连接部H2A、H2B、H3、H4 (各2分子)146 bp DNAH1（1分子）60 bp DNA第30页/共57页2. 染色质的二级结构螺线管(solenoid) : 核小体串绕成的管状结构，每圈有6个核小体，螺距11nm，外径30 nm，内径10 nm。3.染色质的三级结构超螺线管(supersolenoid): 螺线管进一步螺旋化成外径400 nm的超螺线管。4.染色质的四级结构染色单体(chromatid): 超螺线管经复杂折叠成染色单体。DNA核小体螺线管超螺线管染色单体压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 压缩5倍第31页/共57页染色体形成过程图解第32页/共57页由核小体装配成螺线管的装配过程第33页/共57页染色体结构的多级螺旋结构模型第34页/共57页四、染色体的形态结构 染色单体(chromatid)与姐妹染色单体 主缢痕(primary constriction) 染色体臂(arm) 着丝粒(centromere)与染色体的分类 动粒(kinetochore)与染色体移动 次缢痕(secondary constriction) 随体(satellite) 端粒(telomere)姐妹染色单体短臂(p)长臂(q)着丝点(动粒)随体主缢痕次缢痕端粒染色单体螺旋折叠结构着丝粒端粒明暗带第35页/共57页（一）染色单体(chromatid)与染色体臂(arm)（二）着丝粒区的相关形态结构1.主缢痕(primary constriction)：每条染色体的着丝粒部位的狭窄缢痕。2.着丝粒(centromere)：位于染色体主缢痕中心部位，由高度重复的异染色质构成，其位置是染色体分类的重要依据：（1）中着丝粒染色体（2）亚中着丝粒染色体（3）近端着丝粒染色体（4）端着丝粒染色体第36页/共57页3.动粒(kinetochore)：位于着丝粒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，参与细胞分裂后期染色体向两极的迁移。4.着丝粒-动粒复合体：是位于着丝粒-动粒区域的高度有序的整合结构，有三个结构与功能结构域。（1）动粒结构域(kinetochore domain)：位于着丝粒表面，是纺锤丝附着的结构（2）中央结构域(central domain)：是着丝粒区的主题，对复合体结构与功能有重要作用（3）配对结构域(pairing domain)：姐妹染色单体连接部位，与姐妹染色单体分离有关第37页/共57页Pairing domaincentral domainkinetochore domainThree domains of centromere region第38页/共57页（三）次缢痕次缢痕(secondary constriction)是染色体上除主缢痕之外的缢缩部位，其位置和数量可作鉴别染色体的标记。并非所有染色体都有次缢痕。（四）随体随体(satellite)是位于染色体末端与次缢痕连接的球形或棒状结构，主要由异染色质构成。第39页/共57页（五）端粒1.端粒(telomere)是染色体两端的特化部位；2.DNA为富含鸟嘌呤核苷酸的重复序列；3.维持染色体的完整性和稳定性，与细胞增殖能力相关；参与染色体在核内的空间排布及同源染色体配对。用含TTAGGG序列的DNA探针进行荧光原位杂交显示人染色体端粒第40页/共57页（六）核仁组织区核仁组织区(nucleolar organizer region, NOR)是染色体上参与核仁形成的区域，是含有rRNA基因的染色体区域。人染色体中13，14，15和21，22号染色体有核仁组织区，表现为恒定的次缢痕。第41页/共57页How a nucleolus is organized第42页/共57页五、染色体核型与带型1. 核型(karyotype) ：一个物种所特有的染色体数目和每条染色体所特有的形态（包括染色体长度、着丝粒位置、次缢痕的数目及位置、常染色质和异染色质的分布等）特征叫做核型。人的正常核型是46，XX和46，XY2.带型(band pattern)：染色体经显带处理和染色后显示出的带纹特征（带的数量和分布格局）称为带型。用不同的显带技术显示不同的带纹和带型。第43页/共57页非显带核型与显带核型第44页/共57页第三节 核仁一、光镜下的一般特性与化学组成二、核仁的超微结构三、核仁的功能四、核仁周期第45页/共57页一、光镜下的一般特性与化学组成1.1.无包膜的球形小体，染色较深，形态、大小及数目在细胞周期的不同时期变化很大。2.2.含蛋白质(80%), RNA, DNA, 脂类。二、核仁的超微结构1.1.核仁染色质：rDNA(rRNA基因)，核仁组织区(NOR)2.纤维成分：由蛋白质和RNA构成的纤维交织成海绵状网架。3.颗粒成分：由蛋白质和RNA构成的颗粒分布于网架之间；4.核仁基质：无定形的蛋白基质第46页/共57页How a nucleolus is organized第47页/共57页三、核仁的功能1.合成、加工rRNArRNA的初始转录产物是45S的rRNA，经过加工修饰，最终形成5.8S、18S、28SrRNA。第48页/共57页2.装配核糖体亚单位rRNA与核糖体蛋白在核仁内组装成核糖体的大小亚基大亚基(60S)28S rRNA5.8S rRNA5S rRNA来自核仁外DNA49种蛋白质来自核仁小亚基(40S)18S rRNA来自核仁33种蛋白质第49页/共57页四、核仁周期核仁是一种动态结构, 细胞周期中核仁形态结构的周期性变化称为核仁周期。核仁的周期性变化：前期：核仁解体，RNA合成停止中期和后期：无核仁末期：rRNA重新开始合成，核仁逐渐形成第50页/共57页第四节 核骨架一、核骨架的定义、成分与结构1.定义：核骨架(nuclear scafflod)也称核基质(nuclear matrix)，是指细胞核中除核被膜、染色质和核仁以外的物质与结构。2.成分：核基质蛋白，核基质结合蛋白，少量RNA3.结构：直径34 nm的纤维或核糖核蛋白复合体，与核纤层、核孔复合体及胞质骨架相联系。第51页/共57页二、核骨架的功能1.作为DNA复制的支撑结构，DNA复制过程中酶（DNA聚合酶，拓扑异构酶等）与模板均需附着在核骨架上；2.基因复制与转录的场所；3.参与染色体和核的构建第52页/共57页第五节 细胞核的功能一、遗传信息的贮存真核细胞遗传信息的贮存状态有两个特点：1.与蛋白质结合成染色体；2.由核膜包裹在核内。二、遗传信息的复制1.在核膜内复制2.一个分子有多个复制起始点3.复制过程有解旋酶、拓扑异构酶、引物酶、聚合酶、连接酶、端粒酶等多种酶和多种蛋白因子参与。第53页/共57页三、遗传信息的转录1.转录是RNA分子的合成方式和遗传信息的传递方式。2.转录出mRNA需经过加工成熟后才能进入胞质指导蛋白质的合成。第54页/共57页第六节 细胞核与疾病一、细胞核形态异常与肿瘤1.1.高核质比和异形性：核大，表面突出或凹陷，核分叶、出芽、桑椹状、弯月形；核孔数目增加。2.2.染色质特征：染色深，近核膜处颗粒状染色质增多，颗粒大小与分布不均。3.3.基因活性特征：rRNArRNA基因和其他相关基因表达活性增高，组蛋白磷酸化程度增加。第55页/共57页二、染色体异常与疾病1.1.肿瘤细胞普遍存在染色体数目畸变和/ /或结构畸变。2.2.染色体异常是多数临床综合症发病的根本原因。三、细胞坏死(necrosis)(necrosis)过程中细胞核的变化细胞核脱水、体积缩小，染色质浓缩、染色加深，核膜破裂、核碎裂，核物质分解、核消失。第56页/共57页感谢您的观看！第57页/共57页