细胞生物学第十章细胞核与染色体_思维导图模板

细胞核

细胞核概述

细胞核的概念：细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，是真核细胞中遗传信息储存的场所，是真核细胞与原核细胞最根本的区别。除极少数高度特化的细胞外，真核细胞均具有细胞核。例如：高等植物细胞韧皮部成熟的筛管细胞；哺乳动物成熟的红细胞

细胞核的组成：核被膜、染色质/染色体、核仁、核基质

细胞核的功能：细胞核是真核生物遗传物质的主要储存场所，是细胞遗传与代谢的调控中心。细胞核通过复制、分裂将遗传信息传递给子细胞。同时，细胞核中还进行遗传信息的转录，进行初始转录产物的加工，并经由核孔进入细胞质中转译，以此调控细胞的生命活动

细胞核的意义：真核细胞与原核细胞最大的区别即含有完整的细胞核，使遗传物质与细胞质相分离，遗传物质的复制在细胞核中进行，而遗传物质的表达则拥有严格的阶段性与区域性，受到多个层次的调控，这对于真核细胞复杂的生命过程至关重要

核被膜

核被膜的概念：核被膜是指包被于细胞核最外层的，分离核、质的界膜，能够选择性控制物质进出细胞核，分为内外两层。核被膜的组成：外膜、核周腔、内膜、核纤层、核孔

核被膜的功能

核被膜将细胞分为核、质两大功能区域，使遗传信息的表达具有严格的阶段性与区域性，避免核、质之间相互干扰，同时起到保护遗传物质的作用

核被膜构成核、质间选择性屏障，细胞核通过核孔复合物调控核、质间物质运输与信息交流

核被膜周期性解体与重建：真核细胞有丝分裂时，核被膜于前期解体，末期重现，进行规律性的解体与重建

有丝分裂前期：核被膜非随机、有区域特异性的解体，形成单层膜泡，核孔复合物消失，核纤层去组装

有丝分裂末期：核被膜围绕染色体重建，旧核膜与膜泡参与这一过程。首先附着于染色体表面，并相互融合形成双层核膜，同时膜上的某些功能区域相互融合，与蛋白质组装形成核孔复合体

核被膜的解体与重建受到细胞促进成熟因子（MPF）的调控，与核纤层蛋白、核孔复合物蛋白磷酸化与去磷酸化有关

核被膜的结构

核被膜的基本结构：核被膜由两层平行不连续的单位膜构成，两层膜之间存在20~40nm的空隙，称为核周腔或核周间隙，其宽度随细胞种类与功能的不同而变化。外膜外表面通常伴随核糖体附着，并与粗面内质网相连，核周腔与粗面内质网腔相通。内膜外表面光滑，无核糖体附着。内表面附着有一层致密的纤维网状结构，称为核纤层，其本质为中间丝，具有组织特异性。

核纤层的功能

核纤层向外与整联蛋白相连，对核被膜起到机械支撑的作用，使遗传物质不因细胞形态的改变而改变。高盐溶液、非离子型去污剂、核酸酶等去除大部分核物质后，核纤层仍能维持核的轮廓。

核纤层内连核骨架，外接细胞质中间丝，使核骨架与细胞质骨架形成连续的整体结构。

核纤层向内与染色体骨架相连，在分裂间期为染色体锚定提供结合位点，稳定染色质。

在有丝分裂前期与末期，核纤层蛋白通过磷酸化与去磷酸化,介导核被膜解体与重建。

核孔复合物

核孔复合物的概念

两层核膜间平行但不连续，在某些功能区域内，内、外核膜局部融合形成环状孔洞，称为核孔。核孔与一些蛋白质相互整合，形成核孔复合体(NPC), 以调控核、质间的物质运输与信息交流。

核孔复合体的结构：核孔复合体由四部分组成:胞质环、核质环、中央栓、辐

胞质环:胞质环位于核孔边缘细胞质基质一侧，又称外环。环上有八条纤维对称分布伸向细胞质基质

核质环:核质环位于核孔边缘细胞核基质一侧，又称内环。环上有八条纤维对称分布伸向细胞核基质，其末端形成由八个蛋白质构成的环，称为核篮。

中央栓:中央栓位于核孔中心，呈颗粒状or棒状，在核质交换过程中起重要作用。

辐:辐由核孔边缘伸向核孔中心，呈辐射状八重对称，由三个结构域构成，包括柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位。
核孔复合体在核膜的轴向呈辐射状八重对称:
核孔复合体在核膜的平行向不对称，即胞质面与核质面不对称，这与其功能的不对称性相一致。

核孔复合物的功能：核孔复合体是亲水性核、质交换通道，具有双向性,包括亲核蛋白入核和RNA. RNPs的出核。

被动运输

易化扩散:分子量小于50x1000D的小分子可以通过易化扩散出入NPC,不与之发生相互作用，不消耗代谢能量。

协助扩散:某些蛋白质可以在中央栓作用下通过协助扩散出入NPC，与NPC发生相互作用，但不消耗代谢能量。

主动运输

亲核蛋白的输入
亲核蛋白是指在细胞中中合成后，需要进入细胞核发挥功能的蛋白质，含有核定位序列.(NLS)。NLS富含碱性氨基酸，可位于亲核蛋白的不同位置。可连续存在，也可间断存在。亲核蛋白的单向输入:亲核蛋白的NLS通过特异性识别输入蛋白a中的特异性序列,.与输入蛋白a/β异二聚体相结合，形成转运复合物。在输入蛋白β的介导下，转运复合物与胞质环结合，改变构象，由胞质面转运至核质面，在核质面与Ran-GTP结合，转运复合物分离，亲核蛋白释放。输入蛋白异二聚体与结合的Ran-GTP返回细胞质，Ran-GTP 水解，与输入蛋白β分离，返回核内，重新形成Ran-GTP。
亲核蛋白单向输入的原因:
A.核孔复合体本身结构不对称;
B.胞质与核质中的Ran-GTP的浓度梯度。
亲核蛋白入核与胞质中蛋白质分选的差异性:
A.亲核蛋白由核孔复合体介导入核，受到核孔复合体调控，而非载体蛋白。B.亲核蛋白的信号序列NLS在入核后不被切除。
C.亲核蛋白以完全天然的构象入核，无需分子伴侣协助其解折叠。

RNA and RNPs的输出
由RNA pol I转录形成的rRNA，需要在核内装配形成核糖核蛋白亚单位(RNPs), 再经由核孔复合体转运至细胞质，此过程消耗代谢能量。
由RNA pol II转录形成的hnRNA，需要经过转录后加工，即3'端加尾，5'端加帽以及剪接等过程后由核孔复合体输出。
由RNA pol II转录形成的ss rRNA、tRNA, 经中央栓蛋白转运输出。

染色质与染色体

染色质与染色体概述

染色质与染色体的概念：
在细胞中DNA不是单独存在的，而是与蛋白质相结合形成复合物，称为染色质。染色质是有丝分裂间期细胞遗传物质的主要存在形式。
在有丝分裂分裂期，染色质高度螺旋化，压缩为构象最紧密的状态，彼此间相互独立，称为染色体。

DNA与蛋白质结合，包装为染色质的意义

压缩DNA以适应其所处空间的大小，降低DNA的可接近性，为DNA行为的调控提供了可能。

保护DNA免受核酸酶等物质的损伤。

确保DNA在细胞分裂时平均分给两个子细胞，保持细胞遗传上的稳定性

有助于基因表达以及亲代染色体间的重组，增加遗传多样性。

染色质的分类

常染色质：
常染色质是指，在分裂间期细胞内折叠、压缩程度较低，形态较伸展，用碱性染料染色时着色较浅的染色质。
常染色质有利于转录，但并非都能够转录。

异染色质：异染色质是指，在分离间期细胞内折叠、压缩程度较高，形态较收缩，用碱性染料染色时着色较深的染色质。分为结构异染色质and 兼性异染色质。

结构异染色质：
结构异染色质是指，除复制期外，在整个细胞周期中均处于压缩程度较高的染色质，不转录，其功能为参与染色质高级结构的形成，使染色质具有区间性。可作为DNA转座元件。eg: 着丝粒区、端粒区等

兼性异染色质：
兼性异染色质是指，在某一类细胞或细胞发育的不同阶段中，由常染色质压缩而来的丧失表达功能的染色质，是细胞关闭相关基因的一种形式。
eg:巴氏小体等

巨大染色体

多线染色体(双翅目昆虫)：
来源于核内有丝分裂，DNA复制多次而细胞不分开，且同源染色体配对，从而阻止染色质的压缩，此类细胞永久处于分裂间期。
多线染色体某些区域疏松膨大，形成胀泡，是基因表达活跃的标志。

灯刷染色体(两栖类卵母细胞)：
两栖类卵母细胞减数第1次分裂停在双线期的染色体,每条染色体上含有4条染色单体，由于联会未解除，因而可以交叉。
灯刷染色体大部分以颗粒状存在，无表达活性，侧环表达活性较高。

染色质与染色体的组成

染色体基因组

基因组的概念：
基因组是指一个生物体或细胞中一套完整遗传物质的总合。
对于病毒:核酸(DNA或RNA)
对于原核生物:拟核+质粒
对于真核生物:配子中染色体组+另一条性染色体+细胞器DNA

原核生物与真核生物的基因组

原核生物基因组相对较小，结构简单。
真核生物基因组相对较大，结构复杂。

原核生物中DNA不与组蛋白结合。
真核生物中DNA与组蛋白结合，形成复杂的染色体。

原核生物中非编码区比例较小，基因为连续基因，不含内含子。真核生物中非编码区比例较大，基因为断裂基因，含有内含子。

原核生物基因表达产物可能为多顺反子mRNA，可转译多种蛋白。真核生物基因表达产物为单顺贩子mRNA，只转译为一种蛋白。

原核生物基因组表达在时空上有连续性，同时进行。
真核生物基因组表达在时空，上严格分开，具有阶段性与区域性。

染色体组蛋白

组蛋白的概念：组蛋白是真核生物染色体的主要成分，富含碱性氨基酸，参与构成核小体的核心结构。包括: H1、H2A、H2B、H3、H4五种组蛋白。

核小体组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)
核小体组蛋白又称核心组蛋白，包括H2A、H2B、H3、H4,每个核小体各含两个拷贝。分子量约为11~15kD，没有组织特异性，高度保守，尤其是H3、H4。
核小体组蛋白由C-端折叠域and N-端尾巴构成。

C端折叠域:核小体组蛋白中高度保守的结构域，介导组蛋白中间体的组装。

N端尾巴:核小体组蛋白N端可变区域，DNA与组蛋白的结合无需N端尾巴。N端尾巴的功能:

N端尾巴能够从核小体特定位置伸出,指导DNA以左手螺旋方式缠绕核小体组蛋白，以储存负超螺旋，有利于DNA局部解旋。

N端尾巴与相邻核小体的相互作用对染色体30nm纤维的形成至关重要。

N端尾巴中存在多个化学修饰位点，能够改变核小体的功能与可接近性。

非核小体组蛋白(H1)：非核小体组蛋白又称连接组蛋白，包括H1，每个核小体中含有一个拷贝。分子量约为20kD，有一定组织特异性，保守性较低，与连接DNA结合，保护约20bp DNA免于被核酸酶降解。

染色体非组蛋白

非组蛋白的概念：
非组蛋白是指与特异性DNA序列相结合的蛋白质，参与染色体高级结构的形成与基因表达的调控，其识别的DNA序列在演化上是保守的。
非组蛋白的几种基序:螺旋_转角-螺旋、螺旋_突环螺旋、锌指、亮氨酸拉链

染色体的结构

染色体的一级结构：染色体的一级结构是指10nm核小体串珠结构，基本单位为核小体。
核小体由8个核心组蛋白构成的八聚体核心和缠绕在核心组蛋白上的核心DNA构成。核小体之间由连接DNA相连，组蛋白H1与之结合。

核心八聚体由(H2A、H2B、H3、H4) x2构成。

核心DNA约含147 个碱基对，缠绕核心组蛋白1.75周，无物种特异性。

连接DNA约含20~60个碱基对，H1与之结合，稳定核小体，有物种特异性。

DNA与组蛋白的结合不依赖DNA的序列特异性，是动态结构。

DNA中没有被包装到核小体中的部分与基因表达、调控等行为相关，通常与非组蛋白结合。

染色体的高级结构

染色体高级结构的基础

组蛋白H1与核小体的结合对染色体高级结构的形成至关重要。H1的结合使DNA与核心组蛋白的缠绕更为紧密，以介导形成染色体的高级结构，并使其可接触性降低，结构稳定。

核心组蛋白N端尾巴与相邻核小体间的相互作用对形成染色体高级结构至关重要。

染色体的二级结构：染色体的二级结构是指30nm螺线管结构，以6个核小体为一圈，旋转排列形成外径约30nm的螺线管。由10nm核小体串珠到30nm螺线管，DNA压缩了6倍。

染色体的高级结构模型:共压缩8400倍

多级螺旋模型：
30nm螺线管进一步盘区缠绕，形成外径约400nm的超螺线管结构，再由超螺线管组装形成染色单体。

绊环模型：
30nm螺线管进一步盘曲折叠，形成DNA复制环，每18个复制环平面放射状排列，与核基质结合形成微带，约106个微带沿纵轴排列形成染色单体。

有丝分裂中期染色体的结构

着丝粒与动粒
着丝粒又称主缢痕，是染色体中一段非编码DNA，介导中期两条染色单体的连接。着丝粒包含三个结构域，即动粒结构域、中央结构域和配对结构域。

次缢痕
次缢痕是指染色体中除去主缢痕外其他缢缩的部分,位置不固定,可用于染色体的鉴定。

核仁组织区(NOR)
核仁组织区通常位于染色体次缢痕处，但并非所有次缢痕都是NOR，有丝分裂完成时，核仁定位于NOR。
核仁组织区编码rRNA，与间期核仁形成有关。

随体
随体是位于染色体末端的球型片段，通过次缢痕与染色体相连。可用于染色体的鉴定。

端粒：端粒是染色体末端的特化结构，由短重复串联序列构成，富含TG,在演化中高度保守。其作用作用维持染色体的独立性与稳定性。

维持染色体稳定的三元件

复制起点序列：复制起点序列是细胞周期中DNA复制的起点,维系染色体在细胞分裂过程中的连续性。原核生物只有一个复制起点。真核生物有多个复制起点。

着丝粒序列
着丝粒序列介导姐妹染色单体相连，并通过动粒与纺锤体微管相连，以确保染色体能够平均分配到两个子细胞中。
一个染色体只有一个着丝粒，由串联重复序列构成，具有物种特异性。

端粒序列
端粒序列位于染色体末端，多以单链形式存在，由简单重复序列串联而成，有物种特异性。人类端粒序列为5'-TTAGG-3'。
端粒能够保护染色体末端，避免末端被降解或重组。
端粒是高度特化的复制起点，通过端粒酶复制，不依赖染色体DNA复制，由此解决线性染色体末端复制问题。

染色体的行为：真核细胞染色体的复制与分离发生在细胞周期中的不同时相，有严格的阶段性与区域性。

G1期:DNA准备合成。

S期:DNA合成期，每条染色体DNA完整复制，形成两条染色单体，通过着丝粒相连。

G2期:染色体准备分离。

M期:分裂期，姐妹染色单体通过动粒介导与纺锤体微管相连，动粒牵引两条染色单体分离，向细胞两极移动，在子细胞中平均分配

核仁与核基质

核仁的概念：
核仁是真核细胞有丝分裂间期最显著的结构，是细胞核中rRNA转录以及核糖体亚基加工的场所，在细胞周期中有规律的消失与重现。

核仁的结构

纤维中心(FC):FC是包埋于颗粒组分内的一一个或几个电子密度较低的结构区域，染色较浅。内含rDNA与DNA聚合酶。

致密纤维组分(DFC): DFC是包埋于颗粒组分内的电子密度较高的结构区域，rDNA在FC于DFC交界处转录为pre-rRNA。

颗粒组分(GC): GC由核糖核蛋白(RNP) 构成，是核仁的主要成分，是核糖体亚基的装配、成熟与储存的场所，负责pre-rRNA的加工。

核仁相随染色质:包括核仁周边染色质与核仁内染色质，构成核仁组织区

核仁基质:核仁中的无定形物质，FC、 DFC、GC等均包埋其中。

核仁的功能：
核仁的主要功能为核糖体的发生，包括rRNA的合成、加工以及核糖体亚单位的装配等。

rDNA的转录(于FC、DFC 交界)
核仁组织区(NOR)是指细胞核中染色体的特异性片段，通常位于染色体次缢痕处, .是核仁的产生部位，内含rDNA。
rDNA中含有大量rRNA基因拷贝串联而成的重复序列，成簇分布于染色体中，被组织与NOR内，一.方面能够增加基因浓度，另一方面能够实现RNApolI作用下的连续转录。真核细胞四种rRNA中，5.8S、 18S、 28S rRNA在核仁中转录。

pre-rRNA的加工（于DFC、GC交界）
在核仁中一类小分子核仁核糖核蛋白（snoRNPs）的作用下，由 gRNA 指导，进行 rRNA前体的编辑与加工。这一过程涉及一系列核酸的降解与碱基修饰。

核糖体亚单位的组装

核仁周期性消失与重现
核仁是高度动态的结构，在有丝分裂中周期性的消失与重现。

有丝分裂前期：核膜解体，核仁缩小，随着染色体的聚集，核仁消失，rDNA转录停止。

有丝分裂末期：核膜重建，核仁物质聚集，之后于NOR周围融合形成新的核仁，rDNA重现开始转录。

核基质

核基质的概念
核基质是指真核细胞细胞核除核被膜、染色体与核仁以外的，一个由蛋白质为主构成的空间网络结构，与DNA的复制、基因表达、染色质的包装等过程密切相关。

核骨架

核骨架是存在于真核细胞细胞核中的，由蛋白质构成的空间网络结构。

核骨架与核纤层、中间丝相连，是贯穿于细胞核与细胞质的相对独立的整体结构。

核骨架的主要成分为非组蛋白构成的纤维蛋白，含有少量RNA。