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第八章：细胞核与染色体1、概述细胞核的基本结构及其主要功能。
1）核被膜（包括核孔复合体）：外核膜，附有核糖体颗粒；内核膜，有特有的蛋白成份（如核纤层蛋白B受体）；核纤层；核周间隙、核孔（nuclear pore）。
其功能为：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；核质之间的物质交换与信息交流。
2）染色质：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。
⑴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的形态结构⑵染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同，构象不同。
3）核仁：纤维中心(fibrillar centers,FC)、致密纤维组分(dense fibrillar component,DFC)、颗粒组分(granular component,GC)、核仁相随染色质(nucleolar associated chromatin)、核仁基质（(nucleolar matrix)。
其功能为：核糖体的生物发生(ribosome biogenesis)，包括rRNA的合成、加工和核糖体亚单位的装配；rRNA基因转录；rRNA 前体的加工。
4）核基质或核骨架(nuclear skeleton)：｛包括核基质、核纤层(或核纤层-核孔复合体结构体系),以及染色体骨架。
｝；核骨架是存在于真核细胞核内真实的结构体系；核骨架与核纤层、中间纤维相互连接形成贯穿于核与质的一个独立结构系统；核骨架的主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的, 含有多种蛋白成分及少量RNA；核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系。
2、试述核孔复合体的结构及其功能。
核孔复合体结构包括：胞质环（cytoplasmic ring）、外环、核质环（nuclear ring）、内环、辐（spoke）、柱状亚单位（column subunit）、腔内亚单位(luminal subunit)、环带亚单位（annular subunit）、中央栓（central plug）。
细胞核与染色体学习方法归纳：第一、认识细胞生物学课程的重要性，正如原子是物理性质的最小单位，分子是化学性质的最小单位，细胞是生命的基本单位。
50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家，可见细胞生物学的重要性。
如果你将来打算从事生物学相关的工作，学好细胞生物学能加深你对生命的理解。
第二、明确细胞生物学的研究内容，即：结构、功能、生活史。
生物的结构与功能是相适应的，每一种结构都有特定的功能，每一种功能的实现都需要特定的物质基础。
如肌肉可以收缩、那么动力是谁提供的、能量从何而来的？第三、从显微、超微和分子三个层次来认识细胞的结构与功能。
一方面每一个层次的结构都有特定的功能，另一方面各层次之间是有机地联系在一起的。
第四、将所学过的知识关联起来，多问自己几个为什么。
细胞生物学涉及分子生物学、生物化学、遗传学、生理学等几乎所有生物系学过的课程，将学过的知识与细胞生物学课程中讲到的内容关联起来，比较一下有什么不同，有什么相同，为什么？尽可能形成对细胞和生命的完整印象，不要只见树木不见森林。
另一方面细胞生物学各章节之间的内容是相互关联的，如我们在学习线粒体与叶绿体的时候，要联想起细胞物质运输章节中学过的DNP、FCCP 等质子载体对线粒体会有什么影响，学习微管结构时要问问为什么β微管蛋白是一种G蛋白，而α微管蛋白不是，学习细胞分裂时要想想细胞骨架在细胞分裂中起什么作用，诸如此类的例子很多。
第五、紧跟学科前沿，当前的热点主要有“信号转导”、“细胞周期调控”、“细胞凋亡”等。
细胞生物学是当今发展最快的学科之一，知识的半衰期很短（可能不足5年），国内教科书由于编撰周期较长，一般滞后于学科实际水平5-10年左右，课本中的很多知识都已是陈旧知识。
有很多办法可以使你紧跟学科前沿：一是选择国外的最新教材，中国图书进出口公司读者服务部那里可以买到很多价廉物美的正宗原版教材（一般200-400元，只相当于国外价格的1/5）；二是经常读一些最新的期刊资料，如果条件所限查不到国外资料，可以到中国期刊网、万方数据等数据库中查一些综述文章，这些文章很多是国家自然科学基金支助的，如在中国期刊网的检索栏输入关键词“细胞凋亡”，二次检索输入关键词“进展”，你会发现一大堆这样的文章，都是汉字写的比读英文省事。
第八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中心。
自1831年R．Brown首次命名细胞核(nucleus)以来，对于细胞核的研究始终倍受重视。
所有真核细胞，除高等植物韧皮部成熟的筛管和哺乳动物成熟的红细胞等极少数例外，都含有细胞核。
一般说来，真核细胞失去细胞核后不久即导致细胞胞核直径一般为5～20 μm，低等植物细胞核直径约1—4μm。
细胞核主要由核被膜、染色质、核仁及核骨架组成(图8—1)。
细胞核是遗传信息的贮存场所，在这里进行基因复制、转录和转录初产物的加工过程，从而控制细胞的遗传与代谢活动。
第一节核被膜与核孔复合体核被膜(nuclear envelope)位于间期细胞核的最外层，是细胞核与细胞质之间的界膜。
由于它的特殊位置决定了它有两方面的功能，一方面核被膜构成了核、质之间的天然选择性屏障，它将细胞分成核与质两大结构与功能区域：DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，蛋白质翻译则局限在细胞质中。
这样就避免了彼此相互干扰，使细胞的生命活动更加秩序井然；同时核被膜还能保护核内的DNA分子免受由于细胞骨架运动所产生的机械力的损伤。
另一方面，核被膜并不是完全封闭的，核质之间有频繁的物质交换与信息交流，这主要是通过核被膜上的核孔复合体进行的。
核被膜在普通光学显微镜下难以分辨，在相差显微镜下，由于细胞核与细胞质的折光率不同，可以看出核被膜的界限，只有在电子显微镜下才能看清核被膜的细微结构。
关于核被膜的结构组成，目前有两种看法，一种意见认为核被膜有三种结构组分，即双层核膜、核孔复合体与核纤层(图8—1)。
核纤层(nuclear lamina)紧贴内层核膜下，是一层由纤维蛋白构成的网络结构，它与胞质中间纤维、核内骨架有密切联系。
当真核细胞用非离子去垢剂、核酸酶及高盐溶液等分级抽提后，核纤层往往与核孔复合体、胞质中间纤维、核内骨架一起被保存下来，成为贯穿于细胞核与细胞质的骨架结构体系；由此又有人认为核纤层不应该属于核被膜的一种结构组分。
第八章细胞核与染色体●核被膜与核孔复合体●染色质●染色体●核仁●染色质结构和基因转录●核基质与核体1781年Trontana发现于鱼类细胞；1831年Brown发现于植物，命名为细胞核；大小：低等植物1～4um，动物10um。
常以核质比（NP）来估算核的大小。
植物分生组织NP约0.5；分化的细胞比值降低，成年细胞降到最低。
形状：圆形，胚乳细胞（网状），蝶类丝腺细胞（分支状）位置：细胞中央，成熟植物细胞（边缘）数目：通常一个细胞一个核，成熟的筛管和红细胞（0），肝细胞和心肌细胞（1～2个），破骨细胞（6～50），骨骼肌细胞（数百），毡绒层细胞（2～4）结构：①核被膜②核仁③核基质④染色质⑤核纤层功能：①遗传②发育第一节核被膜与核孔复合体核被膜的结构组成◆外核膜（outer nuclear membrane），胞质面附有核糖体，是特殊的内质网（ER）υ内核膜（inner nuclear membrane），有特有的蛋白成分◆核纤层（nuclear lamina），内核膜核质面的一层纤维蛋白构成的网络状◆核周间隙（perinuclear space），与内质网相通υ核孔（nuclear pore），内外膜融合的部位核纤层的功能为核膜提供支架有助于维持间期染色质高度有序的结构是联系胞质中间纤维与核骨架之间的桥梁核被膜的功能υ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，使生命活动更加井然有序"保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤υ核质之间的物质交换与信息交流核被膜的崩解与装配υ新核膜来自旧核膜υ核被膜的去组装是非随机的，具有区域特异性◆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。
核孔复合体（NPC）核孔至少有50种不同的蛋白（nucleoporin)构成，称为核孔复合体（nuclear pore complex, NPC)一般哺乳动物细胞核平均有3000个核孔。
细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目多，反之则少在电镜下，核孔呈圆形或八角形，现在一般认为其结构如fish-trap。
结构模型υ胞质环（cytoplasmic ring），外环υ核质环（nuclear ring），内环υ辐（spoke）"柱状亚单位（column subunit）"腔内亚单位（luminal subunit）"环带亚单位（annular subunit）υ中央栓（central plug）：transporter核孔复合体成分的研究核孔复合体主要由蛋白质构成，推测有100余种不同的多肽，共1 000多个蛋白质分子。
υ gp210：结构性跨膜蛋白υ p62：功能性蛋白，具有两个功能结构域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”，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中起重要作用"在核孔复合体的核质交换功能活动中起作用p62：功能性的核孔复合体蛋白"疏水性N端区：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，将p62分子稳定到核孔复合体上，为N端进行核质交换活动提供支持。
核孔复合体的功能核孔复合体是双功能（被动扩散和主动运输）、双向性（入核和出核）的亲水性核质交换通道。
被动运输（passive transport）一般10nm的分子可以被动运输的方式自由出入核孔复合体，有的则由于含有信号序列或者和其它的分子结合成大分子而不能自由出入核孔复合体。
核孔复合体功能直径9nm，长约15nm的通道。
主动运输（active transport）通过核孔复合体的主动运输主要是指亲核蛋白的入核，RNA分子及核糖核蛋白颗粒（SNP）出核运输。
选择性：①对运输颗粒大小的限制；10～20nm，最大26nm有效直径可调。
②是信号识别和载体介导的过程；③双向性：蛋白质的入核；RNA和核糖体亚单位的出核。
亲核蛋白的入核转运机制亲核蛋白（karyophilic protein）是指在细胞质内合成之后，需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。
类型：进入核之后一直滞留在其中执行功能；穿梭于核质之间行使功能。
1982年R. Laskey发现核内含量丰富的核质蛋白的C端有一个信号序列，可引导蛋白质进入细胞核，称为核定位信号（nuclear localization signal，NLS）。
核定位信号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。
NLS对连接的蛋白质无特殊要求，完成输入后不被切除。
NLS由4-8个氨基酸组成，含有Pro、Lys和Arg。
核输出信号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。
"入核转运与出核转运之间有某种联系，它们可能需要某些共同的因子。
亲核蛋白的转运步骤：结合（binding）（不需能量）转移（translocation）（需能量）参与转运的因子：NLS、GTP结合蛋白等含有丰富亮氨酸核输出信号的货物蛋白的输出模型RNA的出核转录的RNA需加工、修饰成为成熟的RNA分子后才能被转运出核。
"RNA聚合酶I转录的rRNA分子：以RNP的形式离开细胞核；"RNA聚合酶III转录的5s rRNA与tRNA的核输出由蛋白质介导；"RNA 聚合酶II转录的hn RNA，在核内进行5’端加帽和3’端附加多聚A序列以及剪接等加工过程，然后形成成熟的mRNA出核，5’端的m7GpppG“帽子”结构对mRNA的出核转运是必要的；无论在质还是核内，各种RNA均与相关蛋白质结合在一起，以RNP的形式存在。
"细胞核中既有正调控信号保证mRNA的出核转运，也有负调控信号防止mRNA的前体被错误地运输，后者与剪接体有关。
" mRNA的出核转运过程是有极性的，5’端-3’端。
"核输出信号(Nuclear Export Signal，NES)：RNA分子的出核转运需要蛋白分子的帮助，这些蛋白因子本身含有出核信号。
chironomous tentans (摇蚊) Balbiani rings mRNA合成时螺旋状的hn-RNP的形成文档来自于网络搜索(a) 活跃转录的染色质环的电镜照片, 显示特征性颗粒(箭头所指);(b) 单个转录环的形成, 其上结合许多RNP颗粒;(c)BRhnRNP的结构和生物发生模型。
E．G．Balbiani（1881）在摇蚊唾腺染色体上发现的一种构造，整个蛹期都可看到，是多线染色体上的巨大结节状的RNA疏松。
了解得比较清楚的，是第四染色体上的这种构造。
这种巴尔比尼氏环与在双翅目以外的其他多数物种中所看到的RNA疏松同样含有大量RNA，是活跃地合成RNA和释放RNA的地方，当出现巨大的巴尔比尼氏环时，在染色体的特定部位厚厚折叠在一起的许多染色单体纤维各自松开而成为环状，一般认为这是由于旺盛地进行转录而出现的结构。
根据电子显微镜研究提出的Balbiani rings mRNAs 输出核孔复合物的模型螺旋化的mRNP 移向核孔复合物的末端环, 当它通过NPC的中央活塞时解螺旋。
5＇端引导并与核糖体结合, 在运输过程中, NPC发生了构型的变化。
文档来自于网络搜索hn-RNP介导的mRNA输出细胞核的推测模型(a)加工成熟的mRNA-hnRNP的5＇端形成帽结合复合物(CBC), 该端首先通过NPC;(b)在通过核孔时, 核限制hnRNP蛋白与mRNP脱离;细胞质中RanGAP促使RanGTP水解, 穿梭的hnRNP回到细胞核, 释放出的mRNA 同胞质溶胶中的mRNP蛋白, 包括poly(A)结合蛋白[poly(A)-binding perotein,PABP]结合。
第二节染色质1842年，Nali在植物细胞核中发现了杆状的染色体。
1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。
1879年，W. Flemming提出了染色质（chromatin）。
1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。
一、染色质的概念及化学组成●染色质DNA染色质组蛋白染色质非组蛋白染色质的概念◆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)指细胞在分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构。
染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白、RNA组成，各组分的含量比例为1：1：0.6：0.1。
其中DNA与组蛋白是染色质的稳定成分，非组蛋白和RNA的含量随细胞生理状态不同而发生变化。
（一）染色质DNA真核细胞中，每条未复制的染色体包装一条DNA分子。
DNA序列可分为三种类型：①单一序列②中度重复序列（101-5）③高度重复序列（大于105）DNA二级结构的类型：B-DNA、Z-DNA、A-DNA（二）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：H2A,H2B,H3,H4－连接组蛋白：H1*结构：高度保守，尤其H4。
－核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸二酯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，尾部含有大量的Arg和Lys，为组蛋白转译后进行修饰的部位。
－H1具多样性，具有属和组织特异性。
大多数细胞中都有部分组蛋白的某些碱性氨基酸侧链被磷酸化、乙酰化或甲基化以及ADP-核糖化等修饰, 这些修饰中和了侧链的正电荷或被转变成带负电。
（三）非组蛋白序列特异性DNA结合蛋白特性：1.含有较多天冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质。
2.整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S 期与DNA复制同步进行。
3.能识别特异的DNA序列，识别与结合籍氢键和离子键。
功能：帮助DNA折叠；协助DNA复制；调节基因表达。
序列特异性DNA结合蛋白的结构特征顺式作用元件与反式作用因子相互作用与基因转录起始复合物的形成二、染色质的基本结构单位—核小体1974年Kornberg等人根据染色质的酶切降解和电镜观察，发现核小体（nucleosome）是染色质包装的基本结构单位，并提出染色质结构的“串珠“模型。
X射线衍射、中子散射和电镜三维重建核小体的结构要点◆每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋、一个组蛋白八聚体和一分子H1。
