第八章 细胞核

细胞核的主要结构包括：
①核被膜（nuclear envelope）
②核仁（nucleolus）
③核基质（nuclear matrix）
④染色质（chromatin）
⑤核纤层（nuclear lamina）
只有处在间期的细胞中，才能观察到细胞核的完整
结构。
细胞核的结构，n为核仁，N为常染色质
• 第一节 核被膜 • 第二节 染色质与染色体 • 第三节 核仁
核被膜的TEM照片
（三）核孔复合体
核孔是物质运输的通道，核孔复合体对细胞核与细胞质之 间大分子物质的交流具有选择性运输作用
• 核孔由至少50种不同的蛋白质（nucleoporin）构成，称 为核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）。
• 核孔在核膜上的密度与细胞类型和细胞生理状态有关，一 般哺乳动物细胞平均有3000个核孔。细胞核活动旺盛的细 胞中核孔数目较多，反之较少。 • 在电镜下观察，核孔是呈圆形或八角形，现在一般认为其 结构如fish-trap。 • 核孔在核膜上的分布排列，随生物种类和细胞类型不同而
核孔复合体的主动运输通过一些和特异性的NLS结合的 蛋白质(NLS-binding proteins，NBPs)作为载体而完成
Colloidal gold labeled Nucleoplasmin were transported into nucleus.
第二节 染色质与染色体
• 染色质和染色体是真核细胞的遗传物质在细胞周 期不同时相的不同表现形态。真核细胞中的DNA 与蛋白质等成分结合形成复合体，而原核生物的 DNA是裸露的，没有与蛋白质结合。 • 染色质（体）：核酸（DNA，RNA） 蛋白质（组蛋白，非组蛋白）
• 通过核小体，DNA长度压缩7倍，形成11nm的纤维。
• 但是在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm
的纤维，这种纤维的形成有两种解释：①由核小体螺旋化
形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍；②由核小体纤 维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。 • 对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为 30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上 （或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域 。
– 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。 • Ran蛋白：一类G蛋白，调节货物复合体的解体或形成。
• RNP：细胞核内的RNA 是与蛋白质形成RNP 复合物转
运出细胞核的。RNP 的蛋白质上具有核输出信号 （ nuclear export signal, NES ）， 可与细胞内的受体 exportin 结合， 形成RNP-exportin-Ran-GTP 复合体，输 出细胞核后，Ran-GTP 水解，释放出结合的RNA，RanGDP、exportin 和RNP 蛋白返回细胞核。
• （一）外核膜和内核膜
核被膜(nuclear envelope)是整个内膜系统的一部分，为 不对称的双层膜 。外核膜与粗面内质网膜彼此相连，其 表面附有大量的核糖体颗粒。内核膜面向核质，表面没有 核糖体颗粒，其内侧面附有核纤层，通过活性核纤层与凝 集的染色质紧密接触。
• （二）核周间隙
宽约20~40nm ，与内质网腔相通 。
Lamins
二、核被膜的主要功能
• 核被膜的主要功能，一方面可以作为细胞核和细胞质的界
膜，稳定细胞核的形态和成分；另一方面它还控制着细胞
核和细胞质之间的物质交换。 • （一）区域化作用 • （二）控制细胞核与细胞质之间的物质交接
一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的，通过核孔定向输入细胞核， 另一方面细胞核中合成的各类RNA、核糖体亚单位需要通过核孔运到 细胞质。
肝细胞和心肌细胞可有双核；（2个） __破骨细胞可有6~50个细胞核；（ 6~50个） __骨骼肌细胞可有数百个核；（数百个）
__ __高等植物的毡绒层可有2~4个核；（
2~4个）
位置：
正在生长的细胞中，核位于细胞中央，在分化成熟的细 胞中，常因细胞内含物或特殊结构的存在，核被挤到边缘。
形状：
B. Functions of nucleolus: Ribosomal Biogenesis
Ribosomal Biogenesis:
pre-rRNA synthesis
DNA
染色体
组蛋白
带正电荷，含Arg，Lys，属碱性蛋白，共5种，分为：
– 核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4；
– 连接组蛋白（linker histone）：H1。
结构：高度保守，尤其是H4。
– 核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二脂骨架间 的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部 含有大量Arg和Lys，为组蛋白转译后进行修饰的部位。
一、常染色质与异染色质
• 间期核中染色质可分为异染色质（heterochromatin）和 常染色质（enchromatin）。
碱性染料 形态
功能 部位
异染色质 染色深 浓缩程度高 卷曲成粗大颗粒 转录不活跃 核被膜内表面
常染色质 染色浅 浓缩程度低 解旋的细纤维丝 转录活跃 核中央
异染色质的特点：
最小的细胞核1nm左右。一般植物1~4μm，动物10μm。 常以核质比来估算核的大小。正常细胞NP≈0.5，分裂期 细胞NP>0.5，衰老细胞NP<核小。核质比与 细胞类型、发育时期、生理状态及染色体倍数等有关，一 般来说，细胞核占据细胞体积的10％左右。淋巴细胞、胚 胎细胞和肿瘤细胞的核质比较大，而表面角质化细胞、衰 老细胞的核质比较小。
• solenoid
Chromatin Packing
Chromatin Packing
染色体的四级组装
第三节 核仁(Nucleolus)
是真核细胞间期核中最明显的结构，光镜下为均质、 无包膜的球形小体
nucleolus cycle（核仁的化学组成） ultramicrostructure of nucleolus(核仁的超 微结构) nucleolar function （核仁的功能）
barr body
二、染色质的化学组成
• 组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA
• 比例：1:1:(1-1.5):0.05。
（一）染色质 DNA
• 3种序列：①单一序列；②中度重复序列（101~5）；③高度 重复序列（>105）。
• 3种构像：①B-DNA、②Z-DNA、③A-DNA。
• 3种基本元素：
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。
– 第一个被确定的NLS是病毒SV40的T抗原，序列为：pro-pro-lys-
lys-lys-Arg-Lys-val。
– ①自主复制序列(ARS)，是DNA复制的起点。
– ②着丝粒序列(CEN) ，含α卫星DNA。 – ③端粒序列(TEL)。
• 酵母人工染色体(YAC )：含上述3种成分，用于转基因。
其中B-DNA双螺旋二级结构较稳定
Three DNA conformations
（二）染色质蛋白质
组蛋白 DNA结合蛋白 ＋ 非组蛋白
– ①在间期核中处于凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。 – ②在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（异固缩现象）。
– ③分为两类：结构（恒定）异染色质（constitutive
heterochromatin）、兼性（功能）异染色质（facultative heterochromatin）
• 巴氏小体（barr body）。 雌性哺乳动物细胞中一条 异固缩化的X染色体。 • 人的胚胎发育到16天以后， 出现巴氏小体。
在原核细胞中，DNA集中，但无核膜包围，故称拟核 （nucleiod）。核一般呈圆形，但因生物的种类而异。在旺 盛分裂的组织中，核呈圆形，在长形细胞中多呈椭圆形，在 扁平细 胞中多为扁圆形，在蛾蝶类的丝腺细胞中为分枝状， 在胚乳细胞中呈网状。
大小：大小差异较大，苏铁科的卵细胞核500-600nm，
一、核仁的化学组成
• 核仁的化学成分以蛋白质为主，约占核仁 干重的80％，有核糖体蛋白、组蛋白、非 组蛋白及RNA聚合酶等多种酶系。RNA约 占核仁干重的10％，多与蛋白质结合，以 核蛋白的形式存在。DNA占核仁干重的8％。 脂类含量极少。
二 、 Ultramicrostructure(超微结构)
• 1．保持核的形态：
• 2．参与染色质和核的组装：核纤层在细胞分裂时呈现出周期性的变 化，在间期核中核纤层提供了染色质（异染色质）在核周边锚定的位 点。在前期结束时，核纤层被磷酸化，核膜解体。其中B型核纤肽与 核膜残余小泡结合，A型溶于胞质中。在分裂末期，核纤肽去磷酸化 重新组装，介导了核膜的重建。
• 第四节 细胞核骨架
• 第五节 基因表达的调控(略）
第一节 核被膜 (nuclear envelope)
一、核被膜的结构组成
• 核被膜的主要化学成分：蛋白质，约占65％~75％ 脂类次之。
• 核被膜结构组成：
（一） 外核膜
（二） 内核膜
（三） 核周间隙
（四）核孔复合体
（五）核纤层
核被膜是双层膜结构
异。
抽提后核孔胞质面的结构
抽提后核孔核质面的结构
• （四）核纤层
核纤层：位于内核膜的内表面的纤维网络，可支持核膜，并与染色质及 核骨架相连。 • 结构：外表面与核被膜的特殊结构结合，内表面与染色质的特殊位点 结合。 • 分子组成:核纤层由核纤肽（lamin）构成，核纤肽一类中间纤维，分 为A、B、C三型。作用：