细胞生物学课件--精简版
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� 编码序列(主要是非重复的单一DNA序列) � 调控序列
DNA分子一级结构具有多样性 不同物种的基因组比较
物种 基因组大小 ( Mb ) 6 4. 4.6 12 1 80 3 200 基因数目 4288 4800~6000 13600 30000~40000 P-320 蛋白编码序列 88 ％ 60~70％ 13 ％ 1~1.5 ％ �蛋白编码序列 (非重复的单一DNA序列 ) , tRNA和组蛋白等的串联重复序列 �编码 rRNA rRNA, ------可分为两类： �含有重复序列的DNA DNA-----� 简 单序列 DNA （simple seque nce DNA ） � 散 在重复 序列（ intersp erse d re peat s）
gp210 Pom121 Nup153
孔膜区，跨膜蛋白 能与麦胚凝集素（WGA）结合；C 端有 FXFG 重复序列 “鱼笼”结构 胞质环及其纤维 核质面与胞质面 中央颗粒
Nup180 Nup155 p 62
gp210：结构性跨膜蛋白
�介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复 合体锚定在 “孔膜区” ，从而为核孔复合体装 配提供一个起始位点； �在内、外核膜融合形成核孔的过程中起重要 作用； �在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定 作用。
� 短散在元件（s hort i nterspers ed el ement， SINE）小于500 bp � 长散在元件（ long i nters pers ed element，LINE）6 ~ 8 kb
大肠杆菌 酵 果 人 母 蝇
�未分类的间隔DNA序列 �高度重复DNA序列 (每个基因组至少含105拷贝)
p62：功能性的核孔复合体蛋白
�具有两个功能结构域 �疏水性N 端区：可能在核孔复合体功能活动中 直接参与核质交换； � C端区：可能通过与其它核孔复合体蛋白相互 作用，从而将p62 分子稳定到核孔复合体上， 为其 N端进行核质交换活动提供支持。
核孔复合体的功能
�核质交换的双向ຫໍສະໝຸດ Baidu亲水通道
核孔复合体的物质运输功能示意图
- Pr o - Lys -Lys -Arg -Lys - Val -Pro ProoLysLysArgLysVal-Lys - Leu -Ser SerLysLeu-
以 分成 两段， 两段之 间间隔 约 10 个氨基酸 残基 （核质 蛋白） 。
� NLS序 列 可存 在于 亲核 蛋 白的 不同部 位 ，在 指导 完成 核输入 后并
-314 3P 3P-
通过核孔复合体进行物 质运输的示意图（a） 自由扩散； （b）协助扩散； （c）信号介导的核输 入； （d） 信号介导的核输 出。
亲核蛋白与核定位信号
�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。 �核质蛋白（nucleoplasmi n）的入核转运 ) �核定位信号 (nuclear localization signal ，NLS NLS)
染色质DNA
�基因组（genome） �DNA分子一级结构具有多样性 �DNA二级结构具有多形性
基因组（ genome）
� 概念：凡是具有细胞形态的所有生物，其遗传 物质都是 DNA 。在真核细胞中，每条未复制的 染色体组装一条DNA分子，一个生物贮存在单 倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基 因组。 �基因组大小通常随物种的复杂性而增加。 �基因组中两类遗传信息
�三种构型 DNA的主要特征 �DNA 构型的生物学意义
染色质蛋白 � 染色质DNA 结合蛋白负责DNA分子遗
传信息的组织、复制和阅读。 ) ◆组蛋白(histone histone) ) ◆非组蛋白(nonhistone nonhistone) ◆非组蛋白的不同结构模式
组蛋白（histone）
�特点：� 与DNA结合但没有序列特异性； � 真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的精氨 酸、赖氨酸等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的 DNA紧密结合（非特异性结合）。 )： H2B 、H2A、H3 和 �核小体组蛋白 (nucleosomal histone histone) H4，帮助 DNA卷曲形成核小体的稳定结构； � 没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。 �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，有一定的种属及组织特异性。
蛋白名称 对应的核孔 复合体结构 孔膜区，跨膜蛋白
（3P-31 3）
功 能 与 特 性
能与刀豆蛋白（Con）A 结合；N 端位于膜间腔，C 端将核 孔复合体锚定在核膜上 能与 WGA 结合；N 端有 FXFG 重复序列；具有锌指结构， 能在体外结合 DNA 不能与 WGA 结合；其抗体 对核质交换没有抑制作用；介导 NPC 与胞质骨架的联系 不能与 WGA 结合 能与 WGA 结合；具有 FXFG 重复序列；其抗体对核质交换 有抑制作用；能与 p58，p5 4，p45 形成 p62 复合体；与酵母 的 Nsp1p 同源
核孔复合体成份的研究
� 核孔复合体主 要由蛋白质构成，其总相对分 子 质量约为 125 ×10 6 ，推测可能含有 30 余种 不同的多肽，共1 000 多个蛋白质分子。 � gp210：结构性跨膜蛋白。 � p62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个 功能结构域。
-311 3P 3P-
脊椎动物核孔复合体的部分蛋白成份
第一节 核被膜与核孔复合体
● 核被膜 ● 核孔复合体（ nuclear pore complex，NPC）
染 染色 色体 体 第五节 第五节 第五节 核 核仁 仁 第六节 质 第六节 核 核基 基质 质
核 被 膜
●结构组成 ●核被膜的功能 ●核被膜在细胞有丝分裂过程中有规律地 解体与重建
糖体颗粒
结构组成
� NLS是 存 在于 亲核 蛋白 内 的一 些短的 氨 基酸 序列 片段 ，富含 碱性
蛋白质分选信号
信号功能 蛋白进入 ER 滞留在 ER 中 蛋白进入线粒体 进入细胞核
进入 过氧化物 酶体
-316 3P 3P+
信号序列
-Me t -Ser - Phe -Val -Ser -Le u -Ler -Leu - Va l H 3N- Met MettSerPheValSeruLerLeul-Ile -Leu - Phe - Trp - Ala - Thr - Gl u - Ala -Glu - Gl n - Leu Gly GlyIleLeuPheTrpAlaThruAlaGlun-Lys -Cys -Glu -Val - Phe - Gln -Thr ThrLysCysGluValPheGln-
第二节
染色质
●染色质的概念及化学组成 ●染色质的基本结构单位—核小体 ●染色质组装的模型 ●常染色质和异染色质
染色质的概念及化学组成
●染色质的概念 ●染色质 DNA �染色质蛋白
染色质的概念
◆染色质 (chromatin) ：指间期细胞核内由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棒状结构。 � 染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段 可以相互转变的形态结构。 � 染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但 组装程度不同，构象不同。
第十章
细胞核与染色体
第十章 细胞核与染色体
细胞核是真核细胞内最大、最重要的 细胞器，是细胞遗传与代谢的调控信 息中心。
第一节 第一节 第二节 第二节 第三节 第三节 第三节 第四节 第四节 第四节
核被膜 与 核孔 复合体 与 与 复合体 核被膜 核被膜与 核孔 核孔复合体 染 质 染色 色质 质
染色质结构与基因活化 染色质结构与基因活化
◆外核膜（ outer nuclear membrane ），附有核 �内核膜（ inner nuclear membrane），有特有 的蛋白成份（如核纤层蛋白 B受体） ◆核纤层（ nuclear lamina ） ◆核周间隙（perinuclear space） �核孔（nuclear pore ）
DNA二级结构具有多形性
�三种构型 DNA
� B型 DNA（右手双螺旋 DNA） : 是活性最高的 DNA构 象； � A型DNA: 是B型DNA的重要变构形式，仍有活性； � Z型DNA: Z型DNA是左手螺旋，是B型DNA的另一种变 构形式，活性明显降低。
DNA构型的生物学意义
� 沟（特别是大沟）的特征在遗传信息表达过程 中起着关键作用； � 沟的宽窄及深浅影响着调控蛋白对 DNA 信息的 识别； � 三种构型的 DNA处于动态转变之中； � DNA 二级结构的变化与高级结构的变化是相互 关联的，这种变化在DNA 复制与转录中具有重 要的生物学意义。
�通过核孔复合体的主动运输 �亲核蛋白与核定位信号 �亲核蛋白入核转运的步骤
通过核孔复合体的主动运输
� 生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的 主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双 向的。 � 选择性表现在以下三个方面： �对 运 输 颗 粒 大小 的 限 制 ： 有效 功 能直 径为 10nm，但有时最大可被调节至26 nm； �主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需 要消耗能量，并表现出饱和动力学特征； �主动运输具有双向性，即核输入与核输出。
不 被切 除。
� NLS只 是亲 核蛋白入 核的 一个必 要条件 ，而并 非充 分条件。
（上图说明：亲核的输入信号存在于尾部片段中）
亲核蛋白入核转运的步骤
� 结合：需核定位信号（ NLS）识别并结合 核输入蛋白（ importin）； �转运：需 GTP水解提供能量。 : 核输入蛋白，是核定位信号的受体蛋白； ( importin importin: -317 Ran 是一种GTP结合蛋白 ) 3P 3P-
� 卫 星DNA(satellit e DNA)： 主要 分布 在染色体 着丝 粒部位； � 小 卫星 DNA(minisatellite DNA) ： 又 称 数量 可 变的 的 串联重 复 序 - prin ting)作个 体鉴定 ； 列， 常用于 DNA 指纹技 术( DNA fin ge r r� 微 卫星DNA(mic rosatellite DNA) ：重复 单位序 列最 短，具有 高度 多态 性，在 遗传上 高度保 守，为 重要 的遗传标 志。
�核质之间的物质交换与信息交流通道.
核孔复合体
●结构模型 ●核孔复合体成份的研究 ●核孔复合体的功能
核孔复合体的结构模型
�核孔直径80 ～120 nm，核孔复合体直径150 nm。 �胞质环(cytoplasmic ring): 外环，有8个胞质颗粒位于其 上。 �核质环（nuclear ring）：内环 �辐条(spoke): 由核孔边缘伸向中心，呈辐射状8面对称， 可分为三个结构域： �柱状亚单位（column subunit ） �腔内亚单位(luminal subunit) �环带亚单位（annular subunit） �中央运输蛋白(central transporter)
核被膜的功能
�构成核、质之间的天然选择性屏障
� 避免生命活动的彼此干扰 � 保 护 DNA 不受细胞 骨架 运动所产生的机械 力的损伤
核被膜在细胞有丝分裂中有规律地解体与重建 �新核膜来自旧核膜； �核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性 -specific）。 （ domain domain�核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调 控因子的调节，调节作用可能与核纤层蛋白、 核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。
- Asp -Glu -Leu - COO Lys LysAspGluLeu+
氨 基酸 残基， 如赖氨 酸、精 氨酸 ，此外还 常含 有脯氨 酸。
� NLS 的 氨基 酸残 基 片 段可 以 是一 段 连续 的 序列（ T抗 原） ，也 可
-Leu - Ser -Leu - Arg -Gln -Ser -Ile - Arg -Phe H 3N- Met MetLeuSerLeuArgGlnSerIleArgPhe-Lys - Pro -Ala -Thr -Ar g - Thr - Leu -Cys -Ser - Ser -Arg Phe PheLysProAlaThrgThrLeuCysSerSer-Leu -Le u -Tyr TyrLeuu-
DNA分子一级结构具有多样性 不同物种的基因组比较
物种 基因组大小 ( Mb ) 6 4. 4.6 12 1 80 3 200 基因数目 4288 4800~6000 13600 30000~40000 P-320 蛋白编码序列 88 ％ 60~70％ 13 ％ 1~1.5 ％ �蛋白编码序列 (非重复的单一DNA序列 ) , tRNA和组蛋白等的串联重复序列 �编码 rRNA rRNA, ------可分为两类： �含有重复序列的DNA DNA-----� 简 单序列 DNA （simple seque nce DNA ） � 散 在重复 序列（ intersp erse d re peat s）
gp210 Pom121 Nup153
孔膜区，跨膜蛋白 能与麦胚凝集素（WGA）结合；C 端有 FXFG 重复序列 “鱼笼”结构 胞质环及其纤维 核质面与胞质面 中央颗粒
Nup180 Nup155 p 62
gp210：结构性跨膜蛋白
�介导核孔复合体与核被膜的连接，将核孔复 合体锚定在 “孔膜区” ，从而为核孔复合体装 配提供一个起始位点； �在内、外核膜融合形成核孔的过程中起重要 作用； �在核孔复合体的核质交换功能活动中起一定 作用。
� 短散在元件（s hort i nterspers ed el ement， SINE）小于500 bp � 长散在元件（ long i nters pers ed element，LINE）6 ~ 8 kb
大肠杆菌 酵 果 人 母 蝇
�未分类的间隔DNA序列 �高度重复DNA序列 (每个基因组至少含105拷贝)
p62：功能性的核孔复合体蛋白
�具有两个功能结构域 �疏水性N 端区：可能在核孔复合体功能活动中 直接参与核质交换； � C端区：可能通过与其它核孔复合体蛋白相互 作用，从而将p62 分子稳定到核孔复合体上， 为其 N端进行核质交换活动提供支持。
核孔复合体的功能
�核质交换的双向ຫໍສະໝຸດ Baidu亲水通道
核孔复合体的物质运输功能示意图
- Pr o - Lys -Lys -Arg -Lys - Val -Pro ProoLysLysArgLysVal-Lys - Leu -Ser SerLysLeu-
以 分成 两段， 两段之 间间隔 约 10 个氨基酸 残基 （核质 蛋白） 。
� NLS序 列 可存 在于 亲核 蛋 白的 不同部 位 ，在 指导 完成 核输入 后并
-314 3P 3P-
通过核孔复合体进行物 质运输的示意图（a） 自由扩散； （b）协助扩散； （c）信号介导的核输 入； （d） 信号介导的核输 出。
亲核蛋白与核定位信号
�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。 �核质蛋白（nucleoplasmi n）的入核转运 ) �核定位信号 (nuclear localization signal ，NLS NLS)
染色质DNA
�基因组（genome） �DNA分子一级结构具有多样性 �DNA二级结构具有多形性
基因组（ genome）
� 概念：凡是具有细胞形态的所有生物，其遗传 物质都是 DNA 。在真核细胞中，每条未复制的 染色体组装一条DNA分子，一个生物贮存在单 倍染色体组中的总遗传信息，称为该生物的基 因组。 �基因组大小通常随物种的复杂性而增加。 �基因组中两类遗传信息
�三种构型 DNA的主要特征 �DNA 构型的生物学意义
染色质蛋白 � 染色质DNA 结合蛋白负责DNA分子遗
传信息的组织、复制和阅读。 ) ◆组蛋白(histone histone) ) ◆非组蛋白(nonhistone nonhistone) ◆非组蛋白的不同结构模式
组蛋白（histone）
�特点：� 与DNA结合但没有序列特异性； � 真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的精氨 酸、赖氨酸等碱性氨基酸，属碱性蛋白质，可以和酸性的 DNA紧密结合（非特异性结合）。 )： H2B 、H2A、H3 和 �核小体组蛋白 (nucleosomal histone histone) H4，帮助 DNA卷曲形成核小体的稳定结构； � 没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。 �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，有一定的种属及组织特异性。
蛋白名称 对应的核孔 复合体结构 孔膜区，跨膜蛋白
（3P-31 3）
功 能 与 特 性
能与刀豆蛋白（Con）A 结合；N 端位于膜间腔，C 端将核 孔复合体锚定在核膜上 能与 WGA 结合；N 端有 FXFG 重复序列；具有锌指结构， 能在体外结合 DNA 不能与 WGA 结合；其抗体 对核质交换没有抑制作用；介导 NPC 与胞质骨架的联系 不能与 WGA 结合 能与 WGA 结合；具有 FXFG 重复序列；其抗体对核质交换 有抑制作用；能与 p58，p5 4，p45 形成 p62 复合体；与酵母 的 Nsp1p 同源
核孔复合体成份的研究
� 核孔复合体主 要由蛋白质构成，其总相对分 子 质量约为 125 ×10 6 ，推测可能含有 30 余种 不同的多肽，共1 000 多个蛋白质分子。 � gp210：结构性跨膜蛋白。 � p62：功能性的核孔复合体蛋白，具有两个 功能结构域。
-311 3P 3P-
脊椎动物核孔复合体的部分蛋白成份
第一节 核被膜与核孔复合体
● 核被膜 ● 核孔复合体（ nuclear pore complex，NPC）
染 染色 色体 体 第五节 第五节 第五节 核 核仁 仁 第六节 质 第六节 核 核基 基质 质
核 被 膜
●结构组成 ●核被膜的功能 ●核被膜在细胞有丝分裂过程中有规律地 解体与重建
糖体颗粒
结构组成
� NLS是 存 在于 亲核 蛋白 内 的一 些短的 氨 基酸 序列 片段 ，富含 碱性
蛋白质分选信号
信号功能 蛋白进入 ER 滞留在 ER 中 蛋白进入线粒体 进入细胞核
进入 过氧化物 酶体
-316 3P 3P+
信号序列
-Me t -Ser - Phe -Val -Ser -Le u -Ler -Leu - Va l H 3N- Met MettSerPheValSeruLerLeul-Ile -Leu - Phe - Trp - Ala - Thr - Gl u - Ala -Glu - Gl n - Leu Gly GlyIleLeuPheTrpAlaThruAlaGlun-Lys -Cys -Glu -Val - Phe - Gln -Thr ThrLysCysGluValPheGln-
第二节
染色质
●染色质的概念及化学组成 ●染色质的基本结构单位—核小体 ●染色质组装的模型 ●常染色质和异染色质
染色质的概念及化学组成
●染色质的概念 ●染色质 DNA �染色质蛋白
染色质的概念
◆染色质 (chromatin) ：指间期细胞核内由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棒状结构。 � 染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段 可以相互转变的形态结构。 � 染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但 组装程度不同，构象不同。
第十章
细胞核与染色体
第十章 细胞核与染色体
细胞核是真核细胞内最大、最重要的 细胞器，是细胞遗传与代谢的调控信 息中心。
第一节 第一节 第二节 第二节 第三节 第三节 第三节 第四节 第四节 第四节
核被膜 与 核孔 复合体 与 与 复合体 核被膜 核被膜与 核孔 核孔复合体 染 质 染色 色质 质
染色质结构与基因活化 染色质结构与基因活化
◆外核膜（ outer nuclear membrane ），附有核 �内核膜（ inner nuclear membrane），有特有 的蛋白成份（如核纤层蛋白 B受体） ◆核纤层（ nuclear lamina ） ◆核周间隙（perinuclear space） �核孔（nuclear pore ）
DNA二级结构具有多形性
�三种构型 DNA
� B型 DNA（右手双螺旋 DNA） : 是活性最高的 DNA构 象； � A型DNA: 是B型DNA的重要变构形式，仍有活性； � Z型DNA: Z型DNA是左手螺旋，是B型DNA的另一种变 构形式，活性明显降低。
DNA构型的生物学意义
� 沟（特别是大沟）的特征在遗传信息表达过程 中起着关键作用； � 沟的宽窄及深浅影响着调控蛋白对 DNA 信息的 识别； � 三种构型的 DNA处于动态转变之中； � DNA 二级结构的变化与高级结构的变化是相互 关联的，这种变化在DNA 复制与转录中具有重 要的生物学意义。
�通过核孔复合体的主动运输 �亲核蛋白与核定位信号 �亲核蛋白入核转运的步骤
通过核孔复合体的主动运输
� 生物大分子的核质分配主要是通过核孔复合体的 主动运输完成的，具有高度的选择性，并且是双 向的。 � 选择性表现在以下三个方面： �对 运 输 颗 粒 大小 的 限 制 ： 有效 功 能直 径为 10nm，但有时最大可被调节至26 nm； �主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需 要消耗能量，并表现出饱和动力学特征； �主动运输具有双向性，即核输入与核输出。
不 被切 除。
� NLS只 是亲 核蛋白入 核的 一个必 要条件 ，而并 非充 分条件。
（上图说明：亲核的输入信号存在于尾部片段中）
亲核蛋白入核转运的步骤
� 结合：需核定位信号（ NLS）识别并结合 核输入蛋白（ importin）； �转运：需 GTP水解提供能量。 : 核输入蛋白，是核定位信号的受体蛋白； ( importin importin: -317 Ran 是一种GTP结合蛋白 ) 3P 3P-
� 卫 星DNA(satellit e DNA)： 主要 分布 在染色体 着丝 粒部位； � 小 卫星 DNA(minisatellite DNA) ： 又 称 数量 可 变的 的 串联重 复 序 - prin ting)作个 体鉴定 ； 列， 常用于 DNA 指纹技 术( DNA fin ge r r� 微 卫星DNA(mic rosatellite DNA) ：重复 单位序 列最 短，具有 高度 多态 性，在 遗传上 高度保 守，为 重要 的遗传标 志。
�核质之间的物质交换与信息交流通道.
核孔复合体
●结构模型 ●核孔复合体成份的研究 ●核孔复合体的功能
核孔复合体的结构模型
�核孔直径80 ～120 nm，核孔复合体直径150 nm。 �胞质环(cytoplasmic ring): 外环，有8个胞质颗粒位于其 上。 �核质环（nuclear ring）：内环 �辐条(spoke): 由核孔边缘伸向中心，呈辐射状8面对称， 可分为三个结构域： �柱状亚单位（column subunit ） �腔内亚单位(luminal subunit) �环带亚单位（annular subunit） �中央运输蛋白(central transporter)
核被膜的功能
�构成核、质之间的天然选择性屏障
� 避免生命活动的彼此干扰 � 保 护 DNA 不受细胞 骨架 运动所产生的机械 力的损伤
核被膜在细胞有丝分裂中有规律地解体与重建 �新核膜来自旧核膜； �核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性 -specific）。 （ domain domain�核被膜的解体与重建的动态变化受细胞周期调 控因子的调节，调节作用可能与核纤层蛋白、 核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化修饰有关。
- Asp -Glu -Leu - COO Lys LysAspGluLeu+
氨 基酸 残基， 如赖氨 酸、精 氨酸 ，此外还 常含 有脯氨 酸。
� NLS 的 氨基 酸残 基 片 段可 以 是一 段 连续 的 序列（ T抗 原） ，也 可
-Leu - Ser -Leu - Arg -Gln -Ser -Ile - Arg -Phe H 3N- Met MetLeuSerLeuArgGlnSerIleArgPhe-Lys - Pro -Ala -Thr -Ar g - Thr - Leu -Cys -Ser - Ser -Arg Phe PheLysProAlaThrgThrLeuCysSerSer-Leu -Le u -Tyr TyrLeuu-