间期细胞核的结构doc

第五章细胞核与染色体
（Nucleus and Chromosome）
细胞核是细胞内最大的细胞器，是细胞生命活动的控制中心，真核细胞和原核细胞最大的区别在于核出现核被膜，从而把胞质与核质分开，使遗传物质区域化，这就将遗传信息的复制、转录与翻译在时间、空间上完全分开，这是生物进化过程中的一大飞跃，是真核细胞结构完善的主要标志。

每个细胞一般含有一个核，但也有二个或更多的核，如肝细胞多为双核，肌细胞多达数百个核。

核的形态，一般为圆形或椭圆形（图1）；还有杆状、折叠状或锯齿状；但有些核形态不规则，如中性粒细胞为多叶核，一些癌细胞常表现为畸形核。

图1 细胞核（城兰色的结构）
核在细胞周期中也会发生很大变化，处于两次分裂之间的时期的核称为间期核，正常人体细胞，大部分处于间期状态。

这时，在光镜下，活细胞中能见到核的轮廓和核仁，固定染色后可见网状染色质与核液，在电镜下可以观察到核的全貌，精细而复杂，典型的间期核包括：内外核膜，核周间隙，核孔，核纤层，核基质，核骨架，染色质，核仁。

第一节间期核超微结构及各部功能
在电镜下，细胞核具有十分精细而复杂的结构，基本由四个部分组成：核被膜、染色质、核仁、核基质（图2）。

图2 细胞核超微结构
一、核被膜Nuclear envolope
是真核细胞内膜系统的一种特化的形式，核膜的产生是细胞区域化的结果，它将核物质包围在一个相对稳定的环境中，成为独立的系统。

（一）结构
核被膜由双层多孔性膜构成，即二层单位膜同心排列，每层厚约7.5nm，分为外膜、内膜，二膜间为核周间隙，膜上有许多核孔复合体，下面分别看看各部分结构：
1.核膜
外层核膜面向胞质，外表面附有大量核糖体，经常与RER相连，形态和生
化性质方面与细胞质中的粗面内质网相似。

因此，认为是包围核物质的特化内质网，能合成蛋白质，用免疫电镜技术，发现抗体合成首先出现在核外膜。

核膜的面积常随细胞功能的变化而迅速扩大或缩小，如静止细胞开始大量合成RNA或DNA时，核膜面积迅速扩大。

在细胞有丝分裂过程中，核膜能快速崩解形成核膜小泡，分裂进入末期时，小泡互相融合构成新的核膜。

2.核周间隙(核周腔) perinuclear space
内外膜之间所夹的腔：宽约20nm－40nm，常随生理、病理以及其他因素的变化而改变。

在核围腔中，一般见不到有形物质，含有一些可溶性蛋白、酶、抗体蛋白等，其腔与RER腔通过，是核质间活跃的物质交换渠道。

3.核孔复合体Nuelear pore Complex
（1）核孔(nuclear pores)，核膜上有规律地分布着许多由内、外膜局部融合而成的圆形开口，是沟通核与质间物质交流的通道，即核膜孔，孔中约70-75nm，数目与细胞种类及生理状态有关。

如典型哺乳类细胞约3000-4000个/cell，孔多的细胞，核仁也大，一般来说，分化低、生长旺盛细胞核孔多，特化程度高的细胞，如精子，成熟红细胞核膜上几乎无核孔（图3）。

图3核孔复合体
（2）核孔复合体，
核膜孔并非是个简单的孔洞，而是一个复杂的盘状结构体系，一般认为它是由蛋白质颗粒和纤维状物质排列成的8角形孔区（图4）。

可见有电子密度较高的物质弥散分布于孔周围呈简状，此为环状物质。

经研究认为它是由一些颗粒、
细丝构成，在孔内、外缘各有8个圆形小颗粒，相互对应排列成两圈，称为环孔颗粒，上下环孔颗粒之间还有8个边围颗粒，颗粒之间有许多纤维互相连系，实际上是颗粒。

也是由一些细丝缠绕而成的，它们都能被蛋白酶消化，说明是蛋白质成份，有时在孔中央还可见一颗粒，中央颗粒，因其对RNA酶和蛋白酶敏感。

所以认为可能是正向外移的核糖体前体，是暂时性结构。

图4核孔复合体的精细结构
（二）核被膜的功能
1、区域化作用：使RNA合成与蛋白质合成分开
原核细胞中，转录和蛋白质合成同时进行，即RNA还没完全转录完时，蛋白质已被翻译出来了。

若转录有错，则细胞就不可能也来不及修正错误。

这样，蛋白质也将是错误的；在真核细胞中，转录是在核内进行的，RNA转录后，校正系统可校正RNA，也可剪接、修饰和加工，再到胞质中翻译成。

核膜的出现及其区域化作用可以说是细胞进化的一个关键步骤（图5）。

图5核被膜的区域化作用
2、保护性屏障：将遗传物质区域化，使纤细的DNA不被破坏。

3、调节核质之间的物质交换
核质间不断进行着物质的交流。

一般来说，水分子和一些离子如K＋、Ca2+，Mg2+，Cl-等，以及相对分子质量5000以下的小分子，如单糖、氨基酸、核苷和核苷酸等，可以自由通过核孔。

如DNA聚合酶，RNA泵合酶，组蛋白以及其他多种核蛋白质均在细胞质中合成，再转运至核;而在核中合成的RNA，核糖体亚单位颗粒则被运送到胞质中（图6）。

图6核被膜调节核质之间的物质交换的作用
核质间的物质交流主要通过核孔复合体，并有某种选择机制控制着物质通过。

认为可能在核孔复合体上存在有受体蛋白，通过识别结合、改变大分子构象，使孔道扩大或缩小。

例如核质蛋白（nucleoplasmin ）是一种核内蛋白质，可以用某种酶将其切成头、尾两部分，同位素标记后，用显微注射法把它们各自注入细胞质中，电镜下可见核质蛋白的尾部出现在核内，其头部仍然留在细胞质中，用直径20nm 的胶体金颗粒用尾部包裹，虽然它们的直径已大大超过核孔复合体，但仍可看到胶体金颗粒从核孔中通过并进入核内。

这一实验表明，核质蛋白的尾部具有某种分选（输入）信号，能与核孔边缘的受体结合，使核控暂时性扩大，允许较大的蛋白质进入细胞核。

这中入和信号是一4－8个氨基酸的短肽，可以位于蛋白质的任何部位
另外，核膜还控制细胞核内合成的RNA 和核糖体的亚基相细胞质内的运输，这些直径达15nm 的颗粒可能通过核孔上的某些受体主动运输RN 分子到细胞质中。

核孔对生物大分子的运输是双向的，如果把一套用RNA 包裹的胶体金颗粒注射到蛙卵细胞核中，把另一套用入核习好肽包裹的胶体金颗粒注射到同一细胞的细胞质中，可以在同一核孔复合体中观察到双向运输。

mRNA DNA 聚合酶 核糖体
亚单位
RNA 聚合酶 小分子
无机离子
有些还可能经核内膜外突形成泡，将物质运至核间腔，再进入内质网管腔内转运，也可由外膜外突形成夹泡，而运入胞质，同样方式也可反方向入核。

4、具某些生物合成功能
外层核膜常有核粒体和多聚核糖体附着。

因此认为核膜也能合成蛋白质，近年免疫电镜技术证实，抗体的形成首先出现在外层核膜，所以核膜与内质网具有共同的功能特点，它们都是细胞内膜相系统的一个特化部分。

5、在细胞分裂中的作用
细胞有丝分裂时，核膜崩解，它们以小泡和膜相结构的形式分散在细胞质中，所以子细胞形成时，一个核的周围又围起了核膜，很显然是由分散的细胞质小泡和内质网膜联成的。

同样，外层核膜也能以出芽的方式将膜成分并入内质网。

6、在染色质(体)定位中的作用
染色体在异常活跃的细胞核中有条不紊的原因之一可能是与染色质的络未细丝常连接在核孔上有关。

二、核纤层与核骨架（nuclear lamina and nuclear matrix or skeleton）
核纤层是细胞核内核膜下高电子密度的纤维蛋白壳层，在细胞核内与核基质相连，在细胞核外与中间纤维相连，构成贯穿于细胞和与细胞质的网架结构体系，整体观成球形网络，切面管成片层结构，厚约10-100nm，几乎所有真核细胞都有这一结构（图7）。

图7核纤层与核骨架
（一）核纤层的组成成分
脊椎动物中它主要由三种核纤层蛋白(lamin A.B.C)的多肽组成，分子为纤维状、相互垂直的二套纤维形成格状网架，并与内膜上镶嵌蛋白相随，具有保持核膜外形，固定核孔位臵，并为染色质提供附着位点。

（二）核纤层的主要功能
根据核纤层的结构、位臵和生化行为，推测其功能与核膜、染色质乃至整个细胞核的构建有关。

1、与核膜重建的关系：核纤层蛋白硷酸化时，导致核膜解体，去硷酸
化时又重新组装核膜，并与其结合在一起。

2、染色质凝集的关系：细胞分裂间期，可与染色质上的特殊位点结合，
是染色质锚定在核纤层的内面，阻碍染色质螺旋化的发生；在分裂间期，
核纤层解聚，染色质失去与核纤层的联系，染色体形成。

设计实验如何证明核纤层的这一作用？只要将核纤层蛋白质抗体注射如分裂其细胞中，就会阻断核膜的重建和染色体的解螺旋。

3、与细胞核构建的关系：用免疫学方法在非细胞体系中选择性除去核
纤层蛋白，就会抑制核膜和核孔复合体围绕染色体的组装。

（三）核骨架的组成成分
20世纪70年代，D.S.Coffey等处理高纯度的细胞核，得到一个基本保留了核的外形和大小，以纤维蛋白成分为主的参余核结构，将其命名为和机制，因其基本形态和细胞骨架相似，而且结构上有一定的联系，故又称为核骨架。

核骨架是指细胞核内除去核膜、核纤层、染色质和核仁后的核基质。

核骨架纤维直径3－30nm，单纤维直径3－4nm，粗纤维直径3nm的倍数。

与核纤层、细胞质中的中间丝形成贯穿与核质之间的复合网格系统。

由数十种蛋白质组成，主要包括核基质蛋白和核基质结合蛋白，二者相互结合才能完成其生物学功能，核机制结合蛋白包括：与核基质结合的酶，细胞调控蛋白、RNA，病毒蛋白等。

（RNA的去除可以使核基质的三维结构发生很大变化）。

（四）核骨架的功能
与DNA复制，基因表达，染色质重建、细胞分裂、分化有关。

（五）核骨架异常与细胞癌变
致癌物进入细胞核后，可结合在核骨架上，通过影响核骨架导致细胞的恶性转变。

三、染色质（chromatin ）
染色质和染色体是遗传物质在细胞内的存在形式，能被碱性染料着色的物质，有共同的组成成分，是同一物质在细胞周期的不同功能阶段中呈现出的不同构象。

染色质存在于间期细胞核，呈伸展、分散的细丝网状结构，当细胞进入有丝分裂期时，染色质高度螺旋化，折叠、盘曲形成特殊形态的短棒状小体，即染色体。

在真核细胞的细胞周期中，大部分时间以染色质的形式存在。

（一）化学组成
1、DNA：携带有大量的遗传信息，性质稳定，数量恒定。

真核细胞染
色体组中所包含的全部遗传信息称为1个基因组（genome）。

2、组蛋白（histone）：真核细胞特有的染色体基本结构蛋白，富含有带
正电荷的精氨酸和赖氨酸，属碱性蛋白质。

有5种：H1，H2A，H2B，
H3，H4。

后四种参与构成核小体的核心颗粒，没有种属特异性和组织特
异性，在进化上高度保守。

3、非组蛋白：又称序列特异性DNA结合蛋白（sequenc-special
DNA-binding protein），包括染色质中出组蛋白以外的所有蛋白质，是酸
性蛋白质。

含量少，种类多，功能各异，包括了与核酸代谢及染色体化
学修饰有关的酶类、部分结构蛋白和调节蛋白。

4、RNA：含量低，而且杂不同的物种中含量变化较大，大部分是新合
成的各类RNA前体。

（二）亚微结构
人的基因组约含有3×109个碱基对，长度可达1.74m，而细胞核的直径只有5um，显然这些DNA分子经过了有序的折叠和包装，才能行使正常的功能。

1、核小体(nucleosome)：染色质超微结构的基本单位，即染色体包装的一级结构（图8）。

扁球形，直径10nm，由核心颗粒和200bp左右的DNA
构成。

其中核心颗粒是由组蛋白八聚体(H2A，H2B，H3，H4各二分子)外缠绕约146bpDNA，约1.75圈构成，另外的H1与核小体之间的连接部60bp的DNA 结合，位于核小体的出入口，起到稳定核小体的作用。

图8核小体的模式图
若干个核小体重复排列，便形成直径约为10nm的串珠状纤丝，即电镜下所见的10nm的染色质纤丝。

(2)螺线体
由串珠状10nm的纤丝螺旋盘曲，每6个核小体为一圈形成中空管状结构，称为螺线管(体)，H1位于中空螺线管内P，电镜下所见的30nm的染色质纤丝即为螺线体，这是染色质的二级结构(长度被压缩36倍)（图9）。

图9螺线体的模式图
（3）三级结构：超螺线管和襻环
关于染色体的包装问题上，由30nm的螺线管如何进一步压缩成染色体仍存在争议。

多级螺旋模型认为，螺线管再行盘绕，即形成超螺线管，管径约400nm，即为染色质的三级结构，从螺线管到超螺线管，DNA长度又压缩了约40倍（图10）。

图10襻环的模式图
最近又有另一个模型解释染色质的结构，即袢环结构模型——螺线管在骨架的许多位点上形成许多半径为0.6u左右的袢环，一般以18个袢环呈放射状平面排列结合在骨架上，形成微带（即为染色体高级结构单位）。

(3)染色单体
超螺线管再进一步盘绕、折叠，就可形成染色单位，怒染色质的四级结构。

此时，DNA又压缩了5倍。

这样，由DNA到染色单体，DNA的长度大约压缩了8000-10000倍，从108 对核苷酸约5cm长的DNA双螺压缩到仅5μm的核内结构。

3.常染色质与异染色质euchromatim，heterochromatin
根据染色法凝聚状态和功能状态的不同，在电镜下可以分辨二者，在光镜下则只能见到异染色质。

(1)异染色质：具有强的嗜碱性，着色深，是处于凝聚状态的染色质部分，常分布在核内膜附近及核仁周围（图11）。

在分裂期位于染色体的着丝粒，端粒或染色体臂的常染色体之间，无功能活性或少功能活性，也即DNA转录不活跃或无转移录活性的染色质、异染色质又可分为：
结构异染色质：占30%，在所有细胞的整个发育阶段都处于高度凝集状态的的染色质。

具有显著的遗传惰性，不转录，也不编码，而且比常染色质晚复制，早凝集，。

兼性异染色质是在某些细胞中或某些发育阶段，由原来的常染色质失去转录活性转变为凝集状态的异染色质，如人类女性体细胞中的两条染色体在胚胎发育早期都是有活性的，月在胚胎发育第16天，其中一条X染色体失活，在核膜内侧形成一个高度凝集的浓染小体，称X小体或bar小体（Barr boby）可用于性别鉴定。

(2)常染色质：染色浅亮、螺旋化程度低，位于核中央，能复制和转录，是功能活跃的染色质（图11）。

在分裂期位于染色体臂。

异、常染色质在结构上是连续的，是一个DNA分子的不同区段，它们未端连丝连在核膜上(附着点)，在细胞的不同生活阶段部分可相互转变，在一个阶段为异染色质，到另一个阶段可以是常染色质，如鸡红Cell，当从休以状态进入活跃状态时，核体积剧增至原来的20-30倍，同时异染色质散剂的螺旋为常染色质。

图11显示常染色质与异染色质
异、常染色质分布比例不同，分化高的Cell，异染色质多，如精子，而分化低的Cell，常染色质多，如肠胎Cell，骨髓Cell、肿瘤Cell，因为生长分裂快，需大量转录RNA，合成蛋白质，供细胞生长和分裂用，但不绝对，也有例外，如分化程度高的NCell，以常染色质为主。

四、核仁（Nucleolus）
1.核仁的一般形态和化学组成：
在光镜下，大多数细胞核中均能见到，一般为1-多个折光性强的圆形致密小体，大小和数目变化与蛋白质合成的旺盛程度有关，旺盛者体积大（图12）。

图12在光镜下的核仁结构
化学组成：主要是蛋白质和RNA(核中RNA集中在此)及少量DNA
2.超微结构
核为膜相结构而核仁为非膜相结构，无膜包被，结构由四部分组成（图13）
图13核仁结构的超微结构
(1)纤维成份(fibrillar Component)
是长度200-400A°，粗约450-100A°的原纤维丝，透亮，占据核仁的中心位臵，构成海绵状网络结构，经实验证明，可被RNA酶和蛋白酶消化。

表明是伸展的RNA分子和蛋白质结合而成的纤维丝(RNP)。

(2)颗粒成份(Granular Component)
由直径150-200A°的致密颗粒所组成，密布于原纤维网架之间或围绕在原纤维成份之外，也能被RNA酶和蛋白消化，表明是RNP的分子团，是核糖体的前体。

(3)核仁相随染色质
原纤维区有DNA存在，这便是染色质DNA伸入到核仁的证据，这部分DNA分子为常染色质，为RNA的转录提供样板。

为核仁内染色质;另有一部分染色质围绕着核仁，无功能活性，为异染色质，称为核仁周围染色质。

前者(常染色质)是后者(异染色质)部分伸到核仁中，其中部分以衣半环形式伸到原纤维区，并解施成20-30A°的细丝。

核中的rRNA由此转录，这部分染色质与核仁形成有关，分裂时被组织到特定的染色体上，称为核仁组织区。

(4)核仁基质
为无定形部分，由可溶性蛋白和无机盐组成，充填在上面三部份中。

3.核仁的功能
核仁是合成rRNA和产生核糖体的场所。

rRNA的基因是rDNA，由rDNA转录形成rRNA，随着rRNA的积累和发育，核二增大，目前认为，在所有真核细胞中，核仁RNA的代谢基本相类似。

由rDNA转录成rRNA功能的形态过程，最早是由miller等在1969、1973年在一种两栖类动物爪蟾卵母细胞的核仁中看到的，他们首先分离出核仁，用低渗液处理使核仁的颗粒区散区。

留下来的纤维成份区展开固定后，制成电镜标本进行观察，发现中心有一根细长的纤维轴丝，沿轴丝上有一系列重复的箭头状结构(或称“圣诞树”结构)，称基质单位，实际上就是rDNA和正在转录的rRNA区段，基质单位中轴纤维为DNA，是一些高度重复(即多拷贝)的DNA，呈串状排列，每一箭头内一段DNA为一个rRNA的基因(rDNA)，二个rDNA之间有不转录的DNA分隔，称为间隔DNA片段，每一基质单位由一组从轴纤维的两侧伸
展出的细纤维组成，约140条，从一端到另一端有规律地增长，为正在转录，不断延长的rRNA，形成明显的梯度状态，似雪松，表明了转录RNA的形态过程，也称为雪松或转录复合体（图14）。

图14核仁是合成rRNA和产生核糖体的场所
转录好的rRNA即rRNA前体分子，即与胞质运来的蛋白质结合，成为核仁的原纤维区，再经过修饰或不同大小的分子继续与蛋白质结合盘绕形成分子团，大小颗粒进入颗粒区，所以颗粒区是由原纤维部分发育来的。

这些大小颗粒是核糖体的前体，成熟后经核孔进入胞质形成核糖体，所以核仁是核糖体制造的“工厂”。

4.核仁的形成
随着细胞周期的进行，核仁发生一系变化，细胞进入分裂期，核仁变形变小，核膜破裂核仁也消失，到分裂未期形成新的子细胞时，核仁又重新出现，此为一个核仁周期，所以，核仁仅见于Cell间期。

核仁为何≤5个：核仁RNA是依染色体一定节段上DNA为模板合成的，它们仅存在于随体染色体上，而人只有13、14、15、21、22号染色体有随体。

分裂开始，RNA合成停止，这些衣半环收缩回到相应的染色体部位，随着染色体凝集，定位回到相应的染色体上，其内部的pro也被运输到细胞其他部份，
核仁消失。

到分裂未期时，这些特定染色体上的核仁组织区的染色质松散解螺旋，重新恢复活性，以rDNA为模板重新合成rRNA，并与相应蛋白结合积累为原纤维成分区和颗粒成份区，使核仁出现。

于是一个新的核仁在核仁组织区被重新装配起来，相互还可进一步融合制成一个大核仁，其中核仁内染色质就包含了多个核仁组织区的DNA襻环。