细胞核、核糖体与基因表达.ppt

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1、第八第八讲细胞核、核糖体与基因表达胞核、核糖体与基因表达2015.11.19细胞核胞核基因（基因（gene）与基因）与基因组（genome）遗传基本单位，携带某种蛋白质或RNA分子的遗传信息。具有特定功能的连续的(脱氧)核糖核酸(DNA/RNA)，是染色体(chromosome)的组成部分。一个生物储存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该物种的基因组。包括所有基因和基因间序列。人类基因组约30亿碱基对(base pairs，bp)。基因如何控制形状？基因如何控制形状？等位基因（allele）：同源染色体（homologous chromosomes）的相同位置上，控制相对性状的一对基因。非非编

2、码区（区（non-coding DNA）生物种类基因组（M）基因总数蛋白质总数大肠杆菌4.73,0004,300线虫10020,00019,000拟南芥12529,00025,000河豚36538,000-家鼠3,00034,000-人类3,00034,00050,000 细胞核胞核结构构细胞核结构核膜核周间隙核孔复合体核纤层核仁核基质染色质细胞核功能1、遗传物质贮存、复制、表达的场所。2、细胞的控制中心，对细胞的分裂、生长、分化有重要的作用。结构与功能构与功能对应（一）核被膜（一）核被膜（nuclear envelope）核膜：双层膜，外膜延伸与粗面内质网相连控制蛋白质合成核周间隙（peri

3、nuclear space）核纤层（nuclear lamina）：纤维蛋白，紧贴内层膜核孔（nuclear pore complex,NPC）核被膜功能核被膜功能l保护“司令部”l分隔核质l物质信息交流核孔复合体NPC在核被膜上非随机地分布，穿过双层核膜，构成核质之间亲水性的物质转运通道。核孔在核膜分布数目变化较大，和细胞转录活性有关核孔在核膜分布数目变化较大，和细胞转录活性有关 哺乳类细胞平均约哺乳类细胞平均约1111个个m m2 2；人淋巴细胞人淋巴细胞3-43-4个个m m2 2，HelaHela细胞细胞46468 8个个m m2 2；爪蟾卵母细胞高达爪蟾卵母细胞高达5151个个m m

4、2 2NPC分子量？分子量？核孔复合体主要由蛋白质构成，其总相对分子质量约为125106，推测可能含有100余种不同的多肽，共1000多个蛋白质分子。胞质环(cytoplasmic ring)：外环，环上8条短纤维对称分布伸向胞质；核质环(nuclear ring)：内环，8条细长的纤维末端形成一个直径为60 nm的小环；与核质“cable”的网络通道相连通。辐(spoke)：呈辐射状八重对称。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)；栓：或 称 中 央 栓(central plug)

5、，呈颗粒状或棒状，又称为中央颗粒(central granule)。核蓝(nuclear basket)/捕鱼笼(fish-trap)fish-trap末端小环8个颗粒上又发出8条细长的纤维(cable)，相互交叉使cable成为遍布核质、相互贯通的复杂网络核核纤层（nuclear laminanuclear lamina）的功能）的功能1.为核被膜、核孔复合体及染色核被膜、核孔复合体及染色质提供提供结构支持。构支持。2.分分裂裂期期中中核核纤层的的可可逆逆性性解解聚聚与与重重新新装装配配对核核膜的崩解与装配有膜的崩解与装配有调节作用。作用。分裂前期核纤层的解聚为核膜崩解形成膜泡提供了必要的微

6、环境。分裂中期核纤层蛋白结合在核膜小泡上。分裂末期，当核纤层蛋白去磷酸化与重装配时，直接介导了核膜围绕染色体的重装配。（核）仁（核）膜消失双体（染色体、纺垂体）现 核膜在核膜在细胞周期中崩解与装配胞周期中崩解与装配（二）染色（二）染色质（chromatin）染色染色质是是细胞胞间期期细胞核内能被碱性染料染色胞核内能被碱性染料染色的物的物质。由由DNA、蛋白、蛋白质（组蛋白和非蛋白和非组蛋白）蛋白）和少量和少量RNA组成。成。染色染色质类型：常染色型：常染色质、异染色异染色质染色染色质成分：成分：DNA分子分子+蛋白蛋白 蛋白蛋白质：组蛋白、非蛋白、非组蛋白蛋白染色染色质结构：构：念珠状念珠状细

7、丝 核小体：核小体：4对组蛋白（蛋白（H2A、H2B、H3、H4）构成核心，构成核心，DNA分子分子链缠绕在核心外在核心外 H1组蛋白起蛋白起连接作用，接作用，赋予染色予染色质以极性，以极性，推推测在染色在染色质活化活化过程中起作用程中起作用chromosome常染色常染色质(euchromatin)概念：在有概念：在有丝分裂完成之后分裂完成之后,能能够转变成成间期松散状期松散状态的的染色体部分。染色体部分。常染色常染色质在分裂期染色在分裂期染色深深,但在但在间期染色期染色浅浅。一般而言。一般而言,常染色常染色质是是具有具有转录活性区活性区,是基因区是基因区。异染色异染色质(heterochr

8、omatin)概念：在有概念：在有丝分裂完成之后分裂完成之后,大多数高度大多数高度压缩的染色体要的染色体要转变成成间期的松散状期的松散状态。但是，大。但是，大约有百分之十的染色有百分之十的染色质在整个在整个间期仍然保持期仍然保持压缩状状态，将，将这种染色种染色质称称为异异染色染色质。组蛋白蛋白(histone)真核生物染色体的基本真核生物染色体的基本结构蛋白，是一构蛋白，是一类小分子碱性蛋小分子碱性蛋白白质,有五种有五种类型：型：H1、H2A、H2B、H3、H4，它，它们富富含含带正正电荷的碱性氨基酸，能荷的碱性氨基酸，能够同同DNA中中带负电荷的磷荷的磷酸基酸基团相互作用。相互作用。染色染色

9、质中的中的组蛋白与蛋白与DNA的含量之比的含量之比为1:1。组蛋白的基因非常保守。蛋白的基因非常保守。亲缘关系关系较远的种属中，四种的种属中，四种组蛋白蛋白(H2A、H2B、H3、H4)氨基酸序列都非常相似氨基酸序列都非常相似,如如海胆海胆组织H3的氨基酸序列与来自小牛胸腺的的氨基酸序列与来自小牛胸腺的H3的氨基酸序列的氨基酸序列间只有只有一个氨基酸的差异一个氨基酸的差异,小牛胸腺的小牛胸腺的H3的氨基酸序列与豌豆的的氨基酸序列与豌豆的H3也只有也只有4个氨基酸不同。个氨基酸不同。不同生物的不同生物的H1序列序列变化化较大，在某些大，在某些组织中，中，H1被特殊被特殊的的组蛋白所取代。如成熟的

10、蛋白所取代。如成熟的鱼类和和鸟类的的红细胞中胞中H1 则被被H5 所取代，精所取代，精细胞中胞中则由精蛋白代替由精蛋白代替组蛋白。蛋白。非非组蛋白蛋白(nonhistone proteins)非非组蛋白是指蛋白是指细胞核中胞核中组蛋白以外的酸性蛋白蛋白以外的酸性蛋白质。非非组蛋白包括蛋白包括:DNA作作为底物的底物的酶。作用于作用于组蛋白的一些蛋白的一些酶,如如组蛋白甲基化蛋白甲基化酶。DNA结合蛋白、合蛋白、组蛋白蛋白结合蛋白和合蛋白和调节蛋白。蛋白。非非组蛋白常常与蛋白常常与DNA或或组蛋白蛋白结合，所以在染色合，所以在染色质或染色或染色体中也有非体中也有非组蛋白的存在，如染色体骨架蛋白。

11、蛋白的存在，如染色体骨架蛋白。DNA与染色质小体、染色质、染色体的关系 组蛋白H1和核小体结构又称染色质小体(chromotosome)染色体染色体DNA的的3种功能元件种功能元件（functionnal elements）DNADNA复制起点，自主复制序列（复制起点，自主复制序列（autonomously autonomously replicating sequencereplicating sequence，ARSARS）：自我复制，）：自我复制，细胞世代胞世代传递连续性性着着丝粒（粒（centromerecentromere，CENCEN）：已复制染色体平）：已复制染色体平均分配到子均

12、分配到子细胞胞端粒（端粒（telomeretelomere，TELTEL）：）：“末端复制末端复制问题”，telomerasetelomerase巨大染色体（巨大染色体（giant chromosome）多多线染色体（染色体（ploytene chromosomeploytene chromosome）灯刷染色体（灯刷染色体（lamp-brush chromosomelamp-brush chromosome）核型（核型（karyotype）分析）分析核型核型/染色体染色体组型，染色体型，染色体组在有在有丝分裂中期的分裂中期的表型，包括染色体数目、大小、形表型，包括染色体数目、大小、形态特征等

13、。特征等。将一个染色体将一个染色体组的全部染色体逐个按其特征的全部染色体逐个按其特征绘制下来，再按制下来，再按长短、形短、形态等特征排列起来的等特征排列起来的图像称像称为核型模式核型模式图（idiogramidiogram）。）。核型分析核型分析对于探于探讨人人类遗传病的机制、物种病的机制、物种亲缘关系与关系与进化、化、远缘杂交的交的鉴定等具有重要意定等具有重要意义。（三）核基（三）核基质（nuclear matrix）形形态：纤维网状网状成分：蛋白成分：蛋白质功能：功能：对核有支持作用，核有支持作用，染色染色质附着点，与附着点，与DNA复制和基因表达密切相关。复制和基因表达密切相关。核基质是

14、由蛋白质组成的细胞核内的网络结构，分布在整个细胞核内，参与和支持DNA的各种功能,包括DNA复制、转录、加工、接收外部信号以及维持染色质的结构等，作用方式主要是提供作用位点。这种结构又称为核骨架（nuclearskeleton）。高等细胞的间期核内除染色质与核仁外，还发现许多形态上不同的亚核结构域（subnucleardomain），统称核体（nuclearbodies，NBs）。（四）核仁（四）核仁（nucleolus）真核真核细胞胞间期期核中最明核中最明显的的结构。构。是是细胞核内胞核内rRNA转录、加工，、加工，并并组装成核糖体装成核糖体亚基的功能基的功能结构构区域区域。核仁的大小、形状

15、和数目随生物核仁的大小、形状和数目随生物的种的种类、细胞胞类型和型和细胞代胞代谢状状态而而变化。化。核仁中主要含蛋白核仁中主要含蛋白质(80%)、RNA(10%)、少量、少量DNA和脂和脂类。结构特点：构特点：(1)(1)没有膜包被没有膜包被；(2)(2)具核仁周期。具核仁周期。核仁分布、数量及功能核仁分布、数量及功能蛋白质合成旺盛、代谢活跃的细胞，如分泌细胞、卵母细胞的核仁大，可占核体积的25%。不具蛋白质合成能力的细胞如肌肉细胞、休眠的植物细胞，其核仁很小。大多数细胞只含有一个或两个核仁，但也有少数细胞含有多个甚至上千个核仁。核仁的主要功能是进行核糖体RNA的合成。核糖体的生物核糖体的生物

16、发生生(ribosome biogenesis)是一个向量是一个向量过程程(vetorical process)：从核仁：从核仁纤维组分开始，再向分开始，再向颗粒粒组分延分延续。这一一过程包括程包括rRNA的合成、加工和核糖体的合成、加工和核糖体亚单位的装配。位的装配。核糖体（核糖体（ribosome）古老而复杂、高效而精巧“微型机器”核糖体的产生？核糖(核酸)核蛋白体(ribonucleoproteinparticle,RNP)，简称核糖体或核蛋白体核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器：惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链原核细胞、线粒体、叶绿体均含有核糖体；目前仅发现极少特化

17、细胞(无核红细胞)无核糖体核糖体类型分布核糖体类型分布结合核糖体(membrane)boundribosome)糙面内质网(roughendoplasmicreticulum,ER)游离核糖体(freeribosome)滑面内质网(smoothER)分布在细胞内蛋白质合成旺盛的区域。在指数生长的细菌中，数以万计ribosome/cell，可达细胞干重的_%；饥饿细胞中，几百个ribosome/cell。40核糖体组成结构核糖体组成结构differencedifferencebetweenbetweenprokaryoteprokaryoteandandeukaryoteeukaryote？pr

18、okaryotic/eukaryotic(cell)S:Svedberg,sedimentationrate/coefficient沉降系数核糖体组成结构核糖体组成结构Atomicstructure:50S Subunit fromHaloarcula marismortui,30S SubunitfromThermus thermophilus.ProteinsareshowninblueandthesingleRNAchaininorange.The small patch of green in the center of the subunit is theactivesite.rRN

19、A、rDNA在物种鉴定中的作用在物种鉴定中的作用核糖体小亚单位rRNA的二级结构(a)E.coli16SrRNA；（红色为高度保守区）(b)Yeast18SrRNA，它们都具有类似的40个臂环结构，其长度和位置往往非常保守。prokaryote：16SrRNAeukaryote：18S+5.8S+28SrDNA中心法则中心法则genetic central dogmaDNAreplication,transcription,translationOkazakifragment冈崎片段DNA的半保留复制(semi-conservativereplication)DNA的半连续复制(semi-di

20、scontinuousreplication)telomereandtelomerase?post-transcriptionalprocessingpost-transcriptionalprocessing转录后加工转录后加工 prokaryote多顺反子/操纵子operonpre-mRNAprocessinghnRNA(heterogeneousRNA)exon-intron5capping3polyAaddingIntronsplicingmaturemRNA密码子简并性，wobblehypothesis摇摆假说Initiation codon起始密码子：主要为AUG(Met甲硫氨酸/

21、蛋氨酸)；少数细菌以GUG(Val缬氨酸)或UUG(Leu亮氨酸)为起始密码；线粒体和叶绿体以AUG、AUU、AUA(Ile异亮氨酸)为起始密码子。对应DNA碱基：ATG、GTG、TTG、ATT、ATAStop codon终止密码子：UAG、UAA、UGAUGA(Selenium cysteine硒半胱氨酸)、UAG(pyrrolysine吡咯赖氨酸)3种延伸因子：EF-Tu/EF-TsEF-G(translocase移位酶)ribozyme核酶peptidyltransferase肽酰转移酶：由rRNA执行功能RNA在进化中的地位？polyribosomepost-translationalprocessingmodification修饰translocation运输-signalpeptidefolding折叠regulationofgeneexpressiongene expressionmeanstranscriptiontranslation,producesproteinvariousRNA,includesinductiveconstitutiveexpressionhouse-keepinggeneThank you！