1、第五章 細(xì)胞核與遺傳信息的流向,細(xì)胞核（nucleus）是細(xì)胞遺傳物質(zhì)的集中區(qū),細(xì)胞生命活動(dòng)的控制中心。 間期核，由核被膜、染色質(zhì)、核仁、核液和核基質(zhì)五部分組成。,第一節(jié) 核被膜 核被膜（nuclear envelope），核膜（nuclear membrane）。 核被膜由外核膜、內(nèi)核膜、核周間隙、核孔和核纖層五部分組成。,一、外核膜（outer nuclear membrane） 胞質(zhì)面上有核糖體附著，有些部位與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜連續(xù)。,二、內(nèi)核膜（inner nuclear membrane） 三、核周間隙（perinuclear space） 四、核孔（nuclear pore） 核孔復(fù)合體

2、（nuclear pore complex）。 核孔蛋白（nucleoporin）。,（一）核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu) 纖絲模型：孔環(huán)顆粒；邊圍顆粒；中央顆粒；細(xì)纖絲。 核籃模型：柱狀成分亞單位；環(huán)形成分亞單位；腔成分亞單位；環(huán)帶亞單位；細(xì)纖維，端環(huán) ，核籃（nuclear basket）。,（二）核孔復(fù)合體的功能 細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)間的物質(zhì)運(yùn)輸。 1、通過核孔復(fù)合體的被動(dòng)運(yùn)輸 通過核孔復(fù)合體的擴(kuò)散速度與分子大小成反比。 小于5kDa的小分子：可以自由進(jìn)出；17kDa的蛋白質(zhì)：2min內(nèi)可達(dá)到核質(zhì)間平衡；44kDa的蛋白質(zhì)：30min左右達(dá)到平衡；大于60kDa的蛋白質(zhì)：幾乎不能進(jìn)入核內(nèi)。由此推斷，核孔復(fù)合

3、體通道的直徑為9nm左右。,蛋白質(zhì)分子量變化范圍很大，從大約6kDa到1,000kDa或更大一些。真核生物DNA聚合酶的分子量為110-220kDa，RNA聚合酶的分子量為500kDa左右。,2、通過核孔復(fù)合體的主動(dòng)運(yùn)輸 （1）核輸入 核質(zhì)蛋白（nucleoplasmin, 165kDa）。直徑20nm的膠體金顆粒。,核定位信號(hào)（nuclear localization signal, NLS）：指導(dǎo)蛋白質(zhì)由細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核的氨基酸序列，可以位于蛋白質(zhì)的任何部位，一般由4-8個(gè)氨基酸組成，富含帶正電荷的賴氨酸、精氨酸，通常還有脯氨酸。,病毒SV40的T抗原（92kD）的NLS：脯-賴-賴-賴-

4、精-賴-纈。 核質(zhì)蛋白的NLS：賴-精-10氨基酸-賴-賴-賴-賴。,丙酮酸激酶（pyruvate kinase），SV40 NLS。,核輸入受體（nuclear import receptor）：能識(shí)別并與NLS結(jié)合。,（2）核輸出 核輸出信號(hào)（nuclear export signal,NES）。 核輸出受體（nuclear export receptor）。,五、核纖層（nuclear lamina） 核纖層蛋白（lamin）A、B和C。,第二節(jié) 染色質(zhì)和染色體 染色質(zhì)（chromatin）是指間期細(xì)胞內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白蛋白質(zhì)及少量RNA組成的線性復(fù)合結(jié)構(gòu)，是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存

5、在的形式。染色體（chromosome）是指細(xì)胞在有絲分裂或減數(shù)分裂過程中，由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)。 所以，染色質(zhì)與染色體是同一物質(zhì)周期性相互轉(zhuǎn)化的不同形態(tài)表現(xiàn)。,一、染色質(zhì)的化學(xué)組成及種類 （一）染色質(zhì)的化學(xué)組成 染色質(zhì)的化學(xué)組成主要是DNA、RNA、組蛋白和非組蛋白蛋白質(zhì)，比例大致為1:0.05:1:0.5-1.5。 1、DNA,染色體DNA穩(wěn)定遺傳的三個(gè)必需序列： 復(fù)制源序列。 著絲粒序列。 端粒序列。 四膜蟲：TTGGGG，重復(fù)約20-70次。 人類：TTAGGG，重復(fù)約500-5000次。 能夠保證DNA分子兩個(gè)末端復(fù)制的完整性。 端粒酶，由RNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成。反轉(zhuǎn)錄酶。,2、蛋

6、白質(zhì) 組蛋白（histone）和非組蛋白蛋白質(zhì)（nonhistone protein）。 （1）組蛋白 等電點(diǎn)pH10，帶有正電荷，屬堿性蛋白質(zhì)。H1、H2A、H2B、H3、H4和H5，其中H5只存在于魚類、兩棲類和鳥類的紅細(xì)胞中。 （2）非組蛋白蛋白質(zhì) 等電點(diǎn)pH4-9，與組蛋白相比，為酸性蛋白質(zhì)。 3、RNA,（二）染色質(zhì)的種類 可以分為兩類：常染色質(zhì)（euchromatin）和異染色質(zhì)（heterochromatin）。 1、常染色質(zhì) 在間期細(xì)胞中結(jié)構(gòu)較為松散,堿性染料著色較淺的染色質(zhì)。 2、異染色質(zhì) 在間期細(xì)胞中結(jié)構(gòu)較為緊密,堿性染料著色較深的染色質(zhì)。 異染色質(zhì)通常具有三個(gè)特點(diǎn)：（1）

7、在間期中處于凝縮狀態(tài)；（2）是遺傳惰性區(qū)，不轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄不活躍；（3）復(fù)制時(shí)間晚于常染色質(zhì)。,可將異染色質(zhì)劃分為兩種類型：結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)（constitutive heterochromatin）和兼性異染色質(zhì)（facultative heterochromatin）。 （1）結(jié)構(gòu)異染色質(zhì) 各種類型細(xì)胞中在整個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)都處于凝集狀態(tài)的染色質(zhì),即永久性地呈現(xiàn)凝集狀態(tài)的染色質(zhì)。 （2）兼性異染色質(zhì) 在一定的細(xì)胞類型或一定的發(fā)育階段呈現(xiàn)凝集狀態(tài)的異染色質(zhì)。 巴氏小體（Barr body）:雌性哺乳動(dòng)物間期細(xì)胞中異固縮的X染色體。巴氏小體的形成保證了雌性和雄性都只有一條具有完全活性的X染色體,合成基本等

8、量的X染色體基因編碼的產(chǎn)物。,二、染色質(zhì)的包裝 （一）染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位-核小體（nucleosome）,核小體結(jié)構(gòu)要點(diǎn)： 每個(gè)核小體是由200bp左右的DNA鏈結(jié)合有9個(gè)組蛋白分子組成。 核小體的核心結(jié)構(gòu)由組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子所組成的八聚體和在八聚體上纏繞約13/4圈的146bp左右DNA所組成。在八聚體中，2個(gè)H3-H4二聚體相互結(jié)合在中央形成四聚體，2個(gè)H2A-H2B二聚體位于H3-H4四聚體的外側(cè)。結(jié)合上1個(gè)分子的組蛋白H1，則DNA雙螺旋共纏繞約2圈，有166bp左右。 連接DNA（linker DNA）長度為0-80bp不等。 核小體的直徑約為10nm。,（二

9、）染色質(zhì)包裝的結(jié)構(gòu)模型 以人為例，每條DNA分子的平均長度約5cm，而細(xì)胞核的直徑只有5-10m左右（5-1010-4cm左右）。這就意味著包裝要壓縮近萬倍。 1、染色質(zhì)包裝的多級(jí)螺旋模型 核小體串珠結(jié)構(gòu)，一級(jí)結(jié)構(gòu)。 每圈6個(gè)核小體，螺線管（solenoid），直徑約30nm，二級(jí)結(jié)構(gòu)。 超螺線管（supersolenoid），三級(jí)結(jié)構(gòu)。 染色單體（chromatid），四級(jí)結(jié)構(gòu)。,壓縮約7倍 壓縮約6倍 DNA-核小體-螺線管 壓縮約40倍 壓縮約5倍 -超螺線管-染色單體 四級(jí)包裝結(jié)構(gòu)共壓縮了約8，400倍。 2、染色質(zhì)包裝的袢環(huán)結(jié)構(gòu)模型 核小體串珠結(jié)構(gòu)。 螺線管。 染色體支架（chrom

10、osome scaffold）, 螺線管形成的袢環(huán)（loop）。袢環(huán)基部連在染色體支架上最后形成染色單體。,三、染色體 （一）染色體的形態(tài)特征 1、中期染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu) （1）染色單體 姐妹染色單體（sister chromatid）。 （2）著絲粒（centromere）和主縊痕（primary constriction） 動(dòng)粒（kinetochore）。 短臂（p）和長臂（q）。,中著絲粒染色體; 近中著絲粒染色體; 近端著絲粒染色體; 端著絲粒染色體。 （3）次縊痕（secondary constriction） （4）核仁組織區(qū) 核仁組織區(qū)（nucleolar organizing r

11、egion，NOR）：具有組織形成核仁的能力的染色質(zhì)區(qū)，其含有rRNA基因。 （5）隨體（satellite） （6）端粒（telomere）,2、染色體的數(shù)目 人類46條染色體。 n，2n。 （二）基因組與核型 基因組（genome）：指一種生物的細(xì)胞中所包含的全部遺傳信息。通常以細(xì)胞核內(nèi)單倍數(shù)染色體帶有的所有遺傳信息作為一個(gè)基因組，它含有一種生物完整的一套基因。 核型（karyotype）：一個(gè)個(gè)體或細(xì)胞所具有的獨(dú)特的染色體的形態(tài)特征和數(shù)目。,第三節(jié) 核液和核基質(zhì) 核液（nucleoplasm）。 核基質(zhì)（nuclear matrix），核骨架（nuclear skeleton）。 一、核

12、基質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成,二、核基質(zhì)的功能 （一）核基質(zhì)與DNA的復(fù)制 核基質(zhì)是DNA復(fù)制的基本位點(diǎn)和空間支架。,（二）核基質(zhì)與基因表達(dá)調(diào)控 基因轉(zhuǎn)錄也是在核基質(zhì)上進(jìn)行的。 核基質(zhì)還可能是細(xì)胞核內(nèi)RNA前體的加工場(chǎng)所。 （三）核基質(zhì)與染色體的構(gòu)建,第四節(jié) 核仁 核仁（nucleolus）。,一、核仁的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成 （一）纖維中心（fibrillar center） 是核仁組織區(qū)所在的部位，其含有rRNA基因。 （二）致密纖維成分（dense fibrillar component） 含有新合成的rRNA及與其結(jié)合的蛋白質(zhì)。 （三）顆粒成分（granular component） 是處于不

13、同成熟程度的核糖體亞基的前體。,核仁相隨染色質(zhì)（nucleolar associated chromatin），包括核仁內(nèi)染色質(zhì)（intranucleolar chromatin）和核仁周圍染色質(zhì)（perinucleolar chromatin）。,核仁基質(zhì)（nucleolar matrix）。,二、核仁的功能 rRNA的合成、加工和核糖體亞基的組裝。 核仁功能活動(dòng)的順序是纖維中心致密纖維成分顆粒成分。 三、核仁周期,第五節(jié) 基因與基因轉(zhuǎn)錄 一、遺傳的中心法則 遺傳信息：核酸分子核苷酸的排列順序。 中心法則（central dogma）：遺傳信息流動(dòng)的基本法則。,二、基因與基因轉(zhuǎn)錄 基因（ge

14、ne）：合成有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的核酸序列（通常指DNA序列）。,（一）原核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu) （二）真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu) 人類基因組，約3109bp，約含2.5萬-3萬個(gè)基因。 斷裂基因（split gene）：基因DNA序列是由編碼順序和非編碼順序構(gòu)成，編碼順序是不連續(xù)的，被非編碼順序分隔開來，稱為斷裂基因。,（1）外顯子（exon）和內(nèi)含子（intron） 外顯子:基因內(nèi)部具有編碼功能的序列。 內(nèi)含子:基因內(nèi)部外顯子之間無編碼功能的序列。 GT-AG法則（GT-AG rule）：每個(gè)內(nèi)含子和外顯子接頭處都有高度保守的一致順序，即內(nèi)含子5末端大多是GT開始，3末端大多是AG結(jié)束，稱

15、為GT-AG法則，是普遍存在于真核基因中RNA剪接的識(shí)別信號(hào)。,內(nèi)含子的作用： （1）進(jìn)化靈活性。 DNA中大量內(nèi)含子的存在提高了不同基因外顯子之間發(fā)生遺傳重組的可能性。這就意味著編碼新蛋白質(zhì)的基因，可通過已有基因的部分組合快速進(jìn)化而來，就象由已有的功能部件組裝成一臺(tái)新型機(jī)器一樣。事實(shí)上，現(xiàn)今細(xì)胞內(nèi)的許多蛋白質(zhì)就象是由一套共同的蛋白質(zhì)片段（蛋白質(zhì)域）組成的拼件一樣。,（2）基因表達(dá)控制機(jī)會(huì) RNA拼接使真核生物比原核生物又多了一重優(yōu)勢(shì)。許多真核生物基因的初級(jí)轉(zhuǎn)錄物可以以不同方式被拼接，從而產(chǎn)生不同的mRNA。這樣從同一基因可以產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。,（2）啟動(dòng)子（promoter） 能衩RNA聚合

16、酶識(shí)別并結(jié)合的特異性DNA序列,決定基因轉(zhuǎn)錄的起始。 TATA框（TATA box） Hogness框（Hogness box）。位于-25-30處，TATAA/TAA/T。 是RNA聚合酶的結(jié)合部位，可決定轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)，保證起始點(diǎn)的精確性。 CAAT框（CAAT box） 位于-70-80處，GGC/TCAATCT。 可決定轉(zhuǎn)錄起始的頻率。,GC框（GC box） 位于-40-110之間，GGGCGG。 可決定轉(zhuǎn)錄起始的頻率。 （3）增強(qiáng)子（enhancer） 能夠促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的序列。,（4）沉默子（silencer） 能夠抑制基因轉(zhuǎn)錄的序列。 （5）終止子（terminator） 存在于基

17、因末端具有轉(zhuǎn)錄終止功能的序列。,（三）基因轉(zhuǎn)錄 轉(zhuǎn)錄（transcription）：以DNA為模板合成RNA的過程。,一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄只能以雙鏈DNA分子中的一條鏈作為模板。作為轉(zhuǎn)錄模板的鏈稱為模板鏈或反義鏈，與其互補(bǔ)的另一條鏈稱為編碼鏈或有義鏈。 RNA聚合酶。 RNA以5-3方向延伸。RNA鏈與模板DNA鏈方向相反。,DNA雙鏈： 5-TACGTAGAAGCG-3 編碼鏈 3-ATGCATCTTCGC-5 模板鏈 轉(zhuǎn)錄的RNA：5-UACGUAGAAGCG-3,第六節(jié) 遺傳信息翻譯 翻譯（translation）：以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)多肽鏈的過程。 一、遺傳密碼與mRNA 密碼子（codon）。 遺傳密碼（genetic code）。,密碼子的特點(diǎn)： 密碼子的通用性； 密碼子的簡(jiǎn)并性（degeneracy）； 遺傳密碼閱讀的無間隔性。,二、反密碼子與tRNA 運(yùn)輸工具，接合器。 反密碼子(anticodon)。,三、反密碼子與密碼子的相互作用 擺動(dòng)假說（wobble hypothesis）。 常見的擺動(dòng)現(xiàn)象有：反密碼子的第一位I-密碼子的第三位C、U或A；反密碼子的第一位G-密碼子的第