最新08细胞核与染色体PPT文档.ppt
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1、细胞核(nucleus)真核细胞内最大、最重要的细胞器,体积占细胞的10%核直径:-高等动物:510m-高等植物:520m-低等植物:14m细胞遗传与代谢的调控中心-遗传信息的贮存-DNA复制、转录和转录初 产物的加工组成-核被膜-染色质-核仁-核骨架,核被膜与核孔复合体,核被膜核孔复合体,核被膜(nuclear envelope)结构组成,由内外两层平行但不连续的单位膜构成,位于间期细胞核的最外层,是细胞核与细胞质之间的界膜外核膜(outer nuclear membrane),表面常附有核糖体颗粒,且常常与糙面内质网相通连内核膜(inner nuclear membrane),表面光滑,无
2、核糖体颗粒附着,但紧贴其内表面有一层致密的纤维网络结构核纤层(nuclear lamina)。内核膜上有一些特有的蛋白成分,如核纤层蛋白B受体(lamin B receptor,LBR)两层膜厚7.5 nm,其间为20-40 nm的透明空隙,即核周间隙(perinuclear space)或核周池(perinuclear cisternae)内、外膜常在某些部位融合形成环状开口,称核孔(nuclear pore),即核孔复合体(nuclear pore complex),核被膜功能,崩解与装配,功能:核被膜构成了核、质之间的天然选择性屏障,将细胞分成核与质两大结构与功能区域,使细胞的生命活动更
3、加秩序井然,同时保护核内的DNA分子免受由于细胞骨架运动所产生的机械力的损伤;通过核被膜上的核孔复合体进行核质之间的物质交换与信息交流在真核细胞的细胞周期中,核被膜有规律地解体与重建-解体:分裂期,双层核膜崩解成单层膜泡,核孔复合体解 体,核纤层去装配-重建:分裂末期,核被膜开始围绕染色体重新形成,某些 部位内外膜融合,形成核孔复合体-解体与重建的动态变化受细胞周期调控因子调节,可能与 核纤层蛋白、核孔复合体蛋白的磷酸化与去磷酸化有关,核被膜崩解与装配,核孔复合体,所有的真核细胞,从酵母到人,间期细胞核普遍存在核孔复合体(nuclear pore complex,NPC)核孔复合体在核被膜上的
4、数量、分布密度与分布形式随细胞类型、细胞核的功能状态而有很大的差异,转录功能活跃的细胞核孔复合体数量较多。典型3000-4000个,10-60个/m2,核孔复合体结构模型,胞质环(cytoplasmic ring),外环,上有8条短纤维对称分布,伸向胞质核质环(nuclear ring),内环,连有8条细长的纤维,末瑞形成一个直径为60 nm的小环(由8个颗粒构成)捕鱼笼(fish trap)样的结构,也称为核篮(nuclear basket)辐(spoke):由核孔边缘伸向中心,呈辐射状八重对称-柱状亚单位(column subunit)-腔内亚单位(luminal subunit)-环带亚
5、单位(annular subunit)中央栓(central plug),位于核孔的中心,呈颗粒状或棒状,中央颗粒(central granule),transporter,核孔复合体结构模型,核孔复合体成分,主要由蛋白质构成,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 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
6、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,核孔复合体功能,核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体,是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道双功能性:被动扩散、主动运输双向性:介导蛋白质的入核转运,介导RNA、核糖核蛋白颗粒(RNP)的出核转运核孔复合体作为被动扩散的亲水性通道,有效直径为9-10 nm,长约15 nm离子、小分子及直径10 nm以下的物质原则上可以自由通过但有些小分子并不能随意进出细胞核-具信号序列的小分子蛋白,籍主动运输入核,如组蛋白H1-与具信号序
7、列结合的小分子蛋白-与其他大分子结合,或与不溶性结构成分结合的,核孔复合体功能,核孔复合体功能,核孔复合体主动运输,生物大分子的核质分配主要通过核孔复合体的主动运输完成典型的哺乳类细胞的核被膜上有3000-4000个核孔。如果细胞正在合成DNA,为了确保染色质包装,则需要每个核孔每分钟运进100个组蛋白分子;如果细胞在迅速生长,则需要每个核孔每分钟从细胞核向细胞质输出三对核糖体大小亚基,以确保蛋白质合成的需要主动运输具有高度的选择性,表现在以下三个方面:-对运输颗粒大小的限制:有效功能直径可被调节,约10-20 nm,甚至可达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,
8、并表现出饱和动力学特征-主动运输具有双向性,即亲核蛋白的核输入、RNA分子及 RNP颗粒的核输出,核孔复合体亲核蛋白的入核转运,亲核蛋白(karyophilic protein)是指在细胞质内合成后,需要或能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质通过研究核质蛋白(nucleoplasmin)在非洲爪蟾卵母细胞的入核转运,发现了核定位信号(nuclear localization signal,NLS),核孔复合体亲核蛋白的入核转运,核定位信号(NLS),NLS是存在于亲核蛋白内的一些短的氨基酸序列片段,富含碱性氨基酸残基,如Lys、Arg,此外还常含有ProNLS的氨基酸残基片段可以是一段连续的序
9、列(T抗原),也可以分成两段,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不被切除NLS只是亲核蛋白入核的一个必要条件而非充分条件,已发现带有NLS的蛋白质滞留在胞质内,原因:NLS的活性被封闭,如磷酸化修饰;由于与“胞质滞留因子”结合,如与细胞骨架的结合导致亲核蛋白不能自由活动,核孔复合体亲核蛋白的入核转运,亲核蛋白入核转运的步骤,结合(binding):需NLS识别并结合importin,不需要能量转移(转运,translocation):需GTP水解提供能量,还需要Ran(一种GTP结合蛋白,分子开关),核孔复合体转录产物RNA的核
10、输出,RNA通常需加工、修饰成成熟RNA分子后才被转运出核-RNA聚合酶I转录的rRNA分子,以RNP形式离核,需能量-RNA聚合酶III转录的5S rRNA与tRNA的核输出由蛋白介导-RNA聚合酶II转录的hn RNA,经5端加帽、3端附加polyA 序列、剪接等形成成熟的mRNA出核,5端的m7GpppG“帽 子”结构对mRNA的出核转运是必要的核中有正调控信号保证mRNA的出核转运,也有负调控信号防mRNA前体被错误运输,后者与剪接体(spliceosome)有关mRNA的出核转运过程有极性,5端在前,3端在后RNA分子的出核转运实际上是RNA-蛋白复合体的转运,这些蛋白因子本身含有核
11、输出信号(nuclear export signal,NES)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,染色质与染色体,基本概念染色质化学组成核小体染色质包装结构模型常染色质和异染色质,中期染色体的形态结构染色体DNA的三种功能元件核型与染色体显带巨大染色体,基本概念,1879年,Flemming提出了染色质这一术语,用以描述细胞核中能被碱性染料强烈着色的物质。1888年,Waldeyer正式提出染色体的命名染色质(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
12、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的形态结构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,染色质化学组成DNA,具有细胞形态的所有生物的遗传物质都是DNA,真核细胞的每条未复制的染色体包装一条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(genome)基因组大小通常随物种的复杂性而增加物种 基因组大小 平均基因长 基因数目大肠杆菌 4.2106 bp 1.2 kb 约2 350酵母 1.3107 bp 1.4 kb 约6 100 果蝇 1.4108 bp 11.3 kb 约8
13、 750人 3109 bp 16.3 kb 约125 000 必需基因(essential gene)与非必需基因(nonessential gene)基因组中两类遗传信息-编码序列:负责蛋白质氨基酸组成的信息,非重复序列-调控序列:关于基因选择性表达的信息,中度重复序列,染色质化学组成DNA,非重复DNA序列中度重复DNA序列,在物种进化过程中是基因组中可移动的遗传元件,并且影响基因表达-短散在重复元件(short interspersed elements,SINEs)-长散在重复元件(long interspersed elements,LINEs)高度重复DNA序列-卫星DNA(sat
14、ellite 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 复序列,常用于DNA指纹技术(DNA finger-printing)作个体 鉴定-微卫星DNA(microsatellite DNA),重复单位序列最短,具高 度多态性,在遗传上高度保守,为重要的遗传标志,DNA分子一级结构具有多样性,染色质化学组成DNA,DNA二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕生成的双螺旋结构,三种构型:-B型DNA,右手螺旋,活性最高的DNA构象-A型DNA,右手螺旋,B型DNA的重要变构形 式,仍有活性-Z型DNA,左手螺旋,B型DNA的
15、另一种变构 形式,活性明显降低DNA双螺旋能进一步扭曲盘绕形成特定的高级结构,主要形式为正、负超螺旋,DNA二级结构具有多形性(polymorphism),B-DNA A-DNA Z-DNA,染色质化学组成DNA,沟(特别是大沟)的特征在遗传信息表达过程中起关键作用沟的宽窄及深浅影响调控蛋白对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,DNA构型的生物学意义,染色质化学组成蛋白质,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),与DNA非特异性结合-非组蛋白
16、(nonhistone),与DNA特异性相结合组蛋白特点:是真核生物染色体的基本结构蛋白,富含带正电荷的Arg和Lys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)组蛋白分为两组:核小体组蛋白(nucleosomal histone),H2B、H2A、H3、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,赋予染色质以 极性,在进化上不如核小体组蛋白保守,有一定的种属和 组织特异性,染色质化学组成蛋白质,非组蛋白主要是指染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质,又称序列特异性DNA结合蛋白(sequ
17、ence specific DNA binding proteins)非组蛋白的特性:非组蛋白具多样性和异质性,占60-70%,包括多种酶类等对DNA具有识别特异性,对DNA双螺旋的大沟进行识别具有多种功能,包括基因表达调控和染色质高级结构形成非组蛋白的不同结构模式:螺旋-转角-螺旋模式(helix-turn-helix motif)锌指模式(Zinc finger motif)亮氨酸拉链模式(Leucine zipper motif,ZIP)螺旋-环-螺旋结构模式(helix-loop-helix motif,HLH)HMG-盒结构模式(HMG-box motif),染色质化学组成蛋白质,核
18、小体结构要点,每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bp DNA,锁住核小体DNA的进出端,起稳定核小体的作用。包括组蛋白H1和166bp DNA的核小体结构又称染色质小体,核小体结构要点,两个相邻核小体之间以连接DNA 相连,典型长度60bp,不同物种变化值为080bp组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的,基本不依赖于核苷酸的特异序列,核小体具有自组装(self-assemble)性质核小体沿DNA的定位受不同因素的影响,
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