细胞核及蛋白质合成

DNA分子：140～ 160bp、1.75圈 组蛋白：H1 DNA分子：50～ 60bp
核小体模型(from C. j. Arers, 1981)
核小体(：10nm) = 核心颗粒 + 连接部; 核心颗粒 =(H2A、H2B、H3、H4)×2 + 146bp; 连接部 = H1+54bp;
组蛋白H1对核小体DNA的进出端进行锁定
2.核孔(nuclear pore)：
核膜上的圆形盘状小孔，是核—质的直接通 道；孔径：70nm，不与核周隙相通； 其数量主要是与细胞核的转录水平有关，密 度大约35-65个/㎛2； 电镜下核孔复合体主要由蛋白质构成，其总 相对分子质量约为1.25× 108，推测可能含有100余 种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。主要分 为结构性跨膜蛋白和功能性的核孔复合体蛋白；
功能
分布比例
作为mRNA合成的模板
在分裂旺盛的细胞中占较 大的比例
主要起间隔单一序列 DNA的作用
在分化程度高的细胞 中占较大的比例
2.染色质的化学成分： (1).DNA (2).组蛋白 (3).非组蛋白 (4).RNA
DNA
染色质的 化学组成: 核蛋白
核酸
RNA
组蛋白
蛋白质 非组蛋白
染色质的化学组分分析：
DNA : RNA : 组蛋白 : 非组蛋白
1
: 0.05～0.1 : 1
:
0.5～1.5
原核细胞和真核细胞的DNA比较:
原核细胞 真核细胞
与RNA和蛋白质形成 组成 单一、裸露的DNA； 复合体； 闭合环状的双链分子 结构 线性的双螺旋分子; ; DNA 仅有单一序列； 序列 无内含子； 既有单一序列,又有 重复序列； 构成断裂基因；
核小体结构要点:
球状组蛋白核心
核 小 体
H3
H2B
10nm
H4
H2A
H2A H2B
H3
H1
H4
连接DNA (50-60bp)
H3
DNA双螺旋(140～160bp、 1.75圈) 组蛋白：2(H2A、H2B 、H3、H4)：八聚体 核心部
H4
H2B H2A
H1
H2A
H4
H2B
H3
核 小 体
连接部

组蛋白(histone)：
富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸， 属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合(非特 异性结合)；抑制DNA的复制和转录； 无种属及组织特异性，在进化上十分保守; 核小体组蛋白(nucleosomal histone)： H2B、H2A、H3和H4，帮助DNA卷曲形成核小体 的稳定结构; H1组蛋白：在构成核小体时H1起连接作用 , 它赋予染色质以极性; 在S期与DNA同步合成；
膜 核
外 周 嵌
蛋 腔
膜
白
复 合 体 白
核 孔
核纤层 染色质
镶
内
膜膜
蛋



lamin
lamin
lamin
核纤层蛋白的组成及其与核内膜、染色质纤维的关系
核纤层纤丝
核纤层四聚体
细胞分裂促进因子
磷酸化的 核纤层二聚体
核纤层的结构
一. 细胞核的结构
(二).染色质与染色体
a)
b)
a).Nucleus of normal human female cells(XX), showing Barr bodies; b).Nucleus of normal human male cells(XY), showing no Barr bodies.
多形核白细胞中的“鼓槌”状结
组蛋白与非组蛋白的比较
特征 性质 组蛋白 分子量：2.15105 非组蛋白 分子量：1.5104-105 约有500多种 具有种属和组织的特异性 富含碱性氨基酸，带正电; 富含酸性氨基酸，带负电
种类 H1、H2A、H2B、H3、H4
H1：进化上保守；有种属 和组织的特异性; 特性 核小体组蛋白：无种属和 组织的特异性;

异染色质(heterochromatin):
概念：指间期细胞核中，折叠压缩程度高 ，处于聚缩状态的、碱性染料染色时着色较深的染 色质组分。类型包括： 结构/组成型异染色质(constitutive heterochromatin)：除复制期以外，在整个细胞周期 均处于聚缩状态，形成多个染色中心； 兼性异染色质(facultative heterochromatin)；
H1：与染色质高级结构形 与组蛋白结合，促进DNA 成有关；核小体组蛋白:参 的复制和转录; 功能 与维持染色体的结构；与 DNA紧密结合，抑制DNA 的复制和转录；

RNA：包括
tRNA rRNA 不均一核RNA(heterogenous nuclear RNA，hnRNA) 核内小分子RNA(small nuclear RNA， snRNA)
Ø 内10nm
H1组蛋白
Ø外 30nm
• 螺线管：每 6个核小体 螺旋一圈;
• 外：30㎚ ; • 内：10㎚ ;
从DNA双螺旋到染色单体的形成过程
形成过程 DNA双螺旋
(70㎚≈0.34㎚×200bp)
压缩方法 螺旋化 螺旋化
压缩比例
核小体Ø ：10㎚ 螺线体Ø ：30㎚ 超螺线体Ø ：400㎚ 长：11-60㎛ 染色单体长：2-10㎛ 合计压缩:
自然结构：30㎚的纤丝
解聚的串珠状结构，念珠直径10㎚
盐处理前后的染色质丝的电镜照片
解旋的染色质20-30㎚线
进一步解旋成DNA链
DNA连接部
组wk.baidu.com白串珠
在低盐亲水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体(JA，Gall 1981)
DNaseⅠ超敏 感区域，无 核小体。
由X-射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构(引自K.Luger等，1997) a. 通过DNA超螺旋中心轴所显示的核小体核心颗粒8个组蛋白分子的位臵； b. 垂直与中心轴的角度所见到的核小体核心颗粒的盘状结构； c. 半个核小体核心颗粒的示意模型，一圈DNA超螺旋(73bp)和4种核心组蛋白 分子，每种组蛋白由3个α螺旋和一个伸展的N-端尾部组成。N-端尾部有序排列 ，参与核小体之间的相互作用，以形成螺线管等高级结构。
4.染色体的组装----染色质的四级结构模 型： 一级结构：核小体(nucleosome) 二级结构：螺线管(solenoid) 三级结构： 超螺线管(super-solenoid) 支架放射环结构模型 折叠 四级结构：染色单体(chromatid)
螺线管(solenoid)，每6个核小体形成一个螺 旋，将串珠状小体长度压缩6倍; H1位于内部，对螺线管的形成和稳定起重要 作用;
常染色质与异染色质的比较
特征 常染色质 异染色质 大部分位于核膜内缘; 少量位于核孔周围或 形成核仁周围染色质 Ø ：约20-30㎚ 呈紧密缠绕,卷曲状态 含重复序列的DNA S期晚期 大部分位于核中央； 位置 少量介于异染色质之间， 以及核仁内; 大小 Ø ：约10㎚ 螺旋程度 呈伸展,疏松,非卷曲状态 DNA序列 含单一序列的DNA 复制时间 S期早期
辐
胞质纤维
腔内亚单位
核质环 核纤层
核孔复合体结构模型
NPC的电镜三维模型
3.核纤层(nuclear lamina)：
由lamin、lamin、lamin三种多肽组成 的纤维网状结构； lamin与核内膜上的镶嵌蛋白结合在一起 ，lamin和lamin又挂靠着lamin，并且染色 质纤维一个或几个部位与lamin和lamin连接在 一起； 核纤层蛋白还可以与核基质中的蛋白质形 成联结；与中间纤维、核骨架相连;
常染色质和异染色质
结构异染色质的特征： 在中期染色体上多定位于着丝粒区、端粒 、次缢痕及染色体臂的某些节段； 由相对简单、高度重复的DNA序列构成, 如卫星DNA； 具有显著的遗传惰性, 不转录也不编码蛋 白质； 在复制行为上与常染色质相比表现为晚复 制早聚缩； 在功能上参与染色质高级结构的形成，导 致染色质区间性，作为核DNA的转座元件，引起遗 传变异。

非组蛋白(nonhistone)：
富含带负电荷的Asp和Glu等酸性氨基酸， 属酸性蛋白质； 有种属及组织特异性，在整个细胞周期中 都能合成; 具多样性和异质性; 对DNA具有识别特异性，又称序列特异性 DNA结合蛋白(sequence specific DNA binding proteins); 具有多种功能，包括基因表达的调控和染 色质高级结构的形成;
3.核小体(nucleosome)----染色质的基 本结构单位：
铺展染色质的电镜观察：未经处理的染色 质自然结构为30nm的纤丝，盐溶液处理解聚后的 染色质呈现10nm串珠状结构； 核小体颗粒是扁园柱体，具有二分对称性; 核心组蛋白的构成是先形成2(H3)·2(H4)四聚体， 然后再与两个H2A·H2B异二聚体结合形成八聚体;
第四节 细胞核
NUCLEUS
Microtubules in green and DNA in blue in Xenopus Melanophore
透射电子显微镜下的细胞核
扫描电子显微镜下的细胞核
第四节 细胞核
细胞核的结构
核膜
染色质与染色体
核仁 核基质与核骨架

1/7 1/6 1/40 1/5 1/(8400-104倍)
褶叠;螺旋
折叠;螺旋

染色体的骨架----放射环结构模型
非组蛋白构成的染色体骨架(chromsomal scaffold)和由骨架伸出的无数的DNA侧环； 30nm的染色线折叠成环, 沿染色体纵轴, 由中央向四周伸出，构成放射环； 由螺线管形成DNA复制环，每18个复制环 呈放射状平面排列，结合在核基质上形成微带 (miniband)。微带是染色体高级结构的单位，大约 106个微带沿纵轴构建成子染色体；
1.常染色质和异染色质： 常染色质(euchromatin)： 异染色质(heterochromatin)：

常染色质与异染色质的比较：

常染色质(euchromatin):
概念：指间期核内染色质纤维折叠压缩程 度低, 处于伸展状态(典型包装率750倍), 用碱性 染料染色时着色浅的那些染色质。 DNA包装比约为1/2 000～1/1 000； 单一序列DNA和中度重复序列DNA(如组 蛋白基因和tRNA基因)； 并非所有基因都具有转录活性，常染色质 状态只是基因转录的必要条件而非充分条件；
细胞核的功能
一. 细胞核的结构
(一).核膜
1.核膜(nuclear membrane/envelope)：
外层核膜(outer nuclear membrane)，膜厚 约4-10nm，较核膜内层厚，附有核糖体颗粒；形 似粗面内质网，并与其相通故为粗面内质网的一部 分，膜可与胞质中的某些微管、微丝相连起固定核 位臵的作用； 内层核膜(inner nuclear membrane)，有特 有的蛋白成份(如核纤层蛋白B受体)； 核周间隙(perinuclear space)，充满液态物 质为各种蛋白质和酶，与内质网有临时通道，可进 行核—质物质交换；

1848年，Hofmeister发现于鸭跖草的小孢
子 母细胞； 1879年，Flemming提出Chromatin； 1888年，Waldyer提出Chromosome；
染色质(Chromatin)：真核细胞的间期核内 由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性 复合结构, 是间期细胞遗传物质存在的形式。 染色体(chromosome)：指细胞在有丝分裂 或减数分裂过程中, 由染色质聚缩而成的短棒状结 构。 染色质与染色体的化学组成相同，是在细胞 周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构。

核膜
周围异染色质
银粒
Silver grains show the sites of RNA synthesis

兼性异染色质:
在某些细胞类型或一定的发育阶段, 原来 的常染色质聚缩, 并丧失基因转录活性, 变为异染 色质，如X染色体随机失活； 异染色质化可能是关闭基因活性的一种途 径；
内(层)膜
外(层)膜
核孔复合体颗粒 磷脂双层
核孔复合体
细胞质 整合蛋白 外(层)膜 内(层)膜 核糖体
核孔复合体
膜间腔
核纤层
异染色质
冰冻蚀刻示扫描电镜下核孔复合体 抽提后核孔胞质面的结构 抽提后核孔核质面的结构
核孔复合体颗粒 （八对）
中央颗粒 （一个） 核孔隔膜
转运器 胞质环 胞质颗粒