第十九章细胞核 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握掌握细胞核的基本结构组成：染色质的化学组成、超微结构及组装，染色 体的结构特征，端粒，常染色质与异染色质；核仁的化学组成、超微结构与 功能动态关系。 熟悉核膜的结构及功能：核纤层的结构与功能：染色体核型分析。 了解了解核基质的概念；核孔复合体。 细胞核(nucleus)是细胞中最大、最重要的细胞器，它是由核膜(nuclear membrane)、核骨架(nuclear scaffold)、核仁(nucleolus)等组成。细胞核的主要功能有遗传和发育两个方面。遗传表现为通过DNA 染色体的复制和细胞分裂，维持物种的世代连续性。发育表现为调节基因表达的时空顺序，控制细胞的 分化，完成个体发育的使命。 细胞核的形态常与细胞形状、细胞类型、发育时期有关，一般为圆形或椭圆形，肌细胞核呈杆状，嗜 中性细胞核呈分叶状。细胞核的形态伴随细胞的增殖过程呈现周期性的变化，细胞分裂期，核被膜裂 解，各种成分重新分配，无明显的核形态。只有在处于间期的细胞中，才能观察到细胞核的完整结构 处于间期的细胞核叫间期核，间期核的基本结构包括核膜、染色质、核仁和核基质。 细胞核(nucleus)是细胞中重要的细胞器，由核膜(nuclear membrane)、核骨架(nuclear scaffold)和核 仁(nucleolus)组成。细胞核内含有大多数的遗传物质DNA。DNA与多种蛋白质形成染色质。染色质 在细胞分裂时，浓缩形成染色体。染色体所含的基因合称为核基因。细胞核的作用，是维持基因的完整 性，并借由调节基因表现来影响细胞活动。 第一节核膜 核膜(uclear membrane),位于间期细胞核最外层。核膜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，蛋白质翻译在细胞质中。这样避免了核质间彼此干扰，保护核 内的DNA分子免受损伤，同时调控细胞核内外的物质交换和信息交流（图191）。 核膜在普通光学显微镜下难以分辨，在相差显微镜下，由于细胞质与细胞核的折光率不同，可以看 清核膜的界限，电镜下可以看清核膜的微细结构。核膜主要有三种结构组分：双层核膜、核孔复合体与 核纤层（图19-2）。 449
一染色质 中等纤 内外 图191间期细胞核结构图 核 核孔 核纤层 染色体 核已 14m 图192核被膜的电镜照片 一、核膜的亚微结构 核膜由内外两层平行但不连续的单位膜构成。面向胞质的一层称为外核膜，面向核质的一层称为 内核膜。内、外核膜厚度相同，均为7.5m(图19-3)。 (一)外核膜 外核膜(outer nuclear membrane)结构与粗面内质网相似并彼此相连，其外表面常附有核糖体颗粒，外核 膜被认为是粗面内质网的特化区域。外核膜的胞质面附着有10的中间纤维，它们与细胞核的定位有关。 (二)内核膜 内核膜(inner nuclear membrane)面向核质，与外核膜平行排列，表面光滑，无核糖体颗粒附着。内 核膜的核质面有厚20~80m的核纤层，是一层由细丝交织形成的致密网状结构。核纤层不仅对核膜 有支持，稳定作用，也是染色质纤维末端的附着部位。 (三)核周间隙 内外两层核膜之间有宽为20~40nm的腔隙，即核周间隙(perinuclear space)或核周池，它与粗面内
第十九章细胞核 质网有临时通道，内含多种蛋白质和酶。核周间隙的宽度随细胞种类及功能状态的不同而有所不同。 (四)核孔 核孔(nuclear pore)是细胞核膜上沟通核质与胞质的开口，由内外两层膜的局部融合形成，直径为 80~120m。核孔是细胞核与细胞质之间物质交换的通道，一方面核的蛋白都是在细胞质中合成的，通 过核孔定向输人细胞核，另一方面细胞核中合成的各类RNA,核糖体亚单位需要通过核孔运到细胞质， 核孔由至少50种不同的蛋白质构成，称为核孔复合体(nuclear pore complex,NPC)。一般哺乳动物细胞 平均有3000个核孔。细胞核活动旺盛的细胞中核孔数目较多，反之较少。如蛙卵细胞每个核可有37.7 ×10个核孔，但其成熟后细胞核仅150~300个核孔（图194）。 整合蛋白 核膜隙 核纤层 异染色质一 图193核膜的结构横式图 图194核孔 二、核膜的功能 (一)核膜的区域化作用使转录和翻译在空间上分离 核膜是细胞核与细胞质之间的界膜，其将细胞分为细胞核与细胞质两大结构区与功能区。核膜的 出现稳定了细胞核的形态与成分，保证DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，蛋白质合成在细胞质 中完成。NA前体在细胞核内先进行有效的剪接以去除内含子，并进行必要的修饰如5'端带帽与3'端 加尾，加工成熟的mRNA进人细胞质指导蛋白质的合成，确保了真核生物基因表达的准确性与高效性。 而原核细胞因无核膜分隔，其RNA转录与蛋白质合成均在同一空间中进行，即RNA分子未完成转录 前，已开始与核糖体结合并指导蛋白质的合成。所以在指导蛋白质合成之前，RNA转录产物是没有机 会进行任何修饰的。 (一)核道控制着细响核与细胞质间的物质衣换 核-质间频繁的物质交换是细胞生命活动所必需的，其交换方式与交换物质的类型密切相关。无机 离子及小分子物质如水分子、K、C、C2·、M矿、单糖、氨基酸等均可自由通过核膜：而绝大多数大分子 物质及一些小分子颗粒则主要通过核孔复合体以选择性的运输方式实现核质间的物质交换 (三)染色体的定位和酶分子的支架 核内的一些酶是以膜蛋白的形式存在的，这就有利于核内生化反应的区域化，从而发挥高度的催化 活性。所以核膜是染色体和酶分子的支架和固着部位。 三、核孔复合体 核孔并非单纯的小孔，而是由蛋白质构成的复杂结构，这种结构称为核孔复合体（图195）。迄今 已知所有真核细胞的间期细胞核普遍存在核孔复合体。核孔复合体在核被膜上的数量、分布密度与分 451
第四篇细胞的结构与功能 布形式随细胞类型、细胞核的功能状态的不同而有很大的差异。一般来说，转录功能活跃的细胞，其核 孔复合体数量较多 :央运输蛋白 跑所环 细胞质颗粒 细胞质 内炫 核质环 图195核孔复合体的结构模型 (一)核孔复合体的结构模型 核孔复合体镶嵌在内外核膜融合形成定位核孔上。核孔直径80~120m,核孔复合体稍大 些，直径为120~150m,因为它有一部分结构嵌入核被膜内。有关核孔复合体的结构至今并不完 善，仍有一些关键性的问题有待阐明。综合已有资料人们提出一个最新的核孔复合体结构模型：捕 鱼笼式结构模型。①胞质环：位于核孔边缘的胞质面，与外核膜相连，环上连有8条细长纤维对称分 布伸向胞质：②核质环：位于核孔边缘的核质面，与内核膜相连，环上也有8条纤维伸向核质，这些 维末端形成一个由8个颗粒组成的小环，构成捕鱼笼样结构，称为“核篮”；③辐：是由核孔边缘伸向 核孔中心的结构，呈辐射状八重对称，主要由3部分构成：一是位于核孔边缘，连接胞质环与核质环 的“柱状亚单位”，起到支撑核孔的作用；二是穿过核膜伸人核周间隙的“腔内亚单位”：三是在柱状 亚单位内侧靠近核孔中央的“环带亚单位”，是核-质交换的通道：④中央栓：又称为中央颗粒，位于核 孔中央，呈棒状或颗粒状，推测它可能参与核质交换。由于中央颗粒并非存在于所有的核孔复合体 中，有人认为它不是核孔复合体的固有组分，而是正在通过核孔复合体的被转运物质。由上述模型可 见，核孔复合体相对于垂直于核膜通过核孔中心的轴呈辐射状八重对称，而相对于平行于核膜的平面则 是不对称的，即核孔复合体在核质面与胞质面两侧的结构明显不对称，这与其在功能上的不对称性是 致的。 核孔复合体是一个多蛋白复合体，由约30个不同的核孔蛋白组成。这些核孔蛋白在进化上高度 守，多含有一簇由苯丙氨酸和甘氨酸组成的℉G重复序列，该序列可与核转运受体一入核素相互作 用，并提供核转运受体，亲核蛋白复合体的结合位点，从而介导亲核蛋白通过核孔复合体进入细胞核内 大多数核孔蛋白同时位于核孔复合体中央通道的胞质面或核质面，少部分蛋白不对称地分布于中央通 道的两侧。在脊椎动物中，Nup358是核孔复合体胞质面纤维丝的主要组分，Nup214也是核孔复合体胞 质面的组分之 ,Nup358、Nup214及其他不对称分布的核孔蛋白在核转运受体亲核蛋白复合体的组 和解离过程中起重要作用。 (二)核孔复合体的功能 1.核孔复合体可通过主动运输和被动运输方式实现核-质间的物质转运核孔复合体是细胞核与 细胞质之间物质交换的双向选择性亲水通道，既能介导蛋白质入核转运，又能介导NA和核糖体蛋白 452
第十九凉组患核 颗粒的出核转运。核孔复合体可通过主动运输和被动运输两种方式实现核-质间物质转运。一般来说， 核孔复合体的有效直径为10nm,故离子、小分子及直径小于10nm的物质可以自由通过。但对Na等少 数离子有一定的屏障作用，某些小分子也可能因与其他大分子结合而不能自由通过。主动运输是核孔 复合体最重要的功能之一。生物大分子的核质分配主要借助核孔复合体的主动运输方式来实现。如 细胞核内DNA复制及RNA转录所必需的各种酶类均需先在胞质中合成后再转运至胞核；而胞质中蛋 白合成所需的RNA、mRNA等均需先在胞核中合成，再运至胞质参与蛋白质合成的相应环节。该主动 运输方式是一个信号识别与载体介导的耗能过程，具有饱和性。核孔复合体介导主动运输的功能直径 要比被动运输大，甚至可达26m,但它对运输颗粒的大小仍有限制。 2.核定位信号介导亲核蛋白人核亲核蛋白是一类在细胞质中合成，进人细胞核发挥功能的蛋白 质。通常含有4~8个氨基酸组成的特殊序列来保证整个蛋白质能够通过核孔复合体被转运到核内，该 序列称为核定位序列(uclear localization sequence,NLS)。不同亲核蛋白的入核信号氨基酸组成上存在 差异，但均富含Ag,Lys及Po等碱性氨基酸。亲核蛋白入核除需其自身的NMLS外，还需核转运受体及 RanGTP酶系统的参与。核转运受体包括分布于胞质中的入核素与转运素及跑核中的出核素，它们既可 与核孔复合体结合，又可与被转运物质结合。在细胞质基质中，亲核蛋白首先与入核素α结合，后者与 入核素B结合形成NS-入核素/B复合体。通过与核孔复合体伸向胞质的核孔蛋白FG重复序列结 合，将NS人核素/B复合体定位于核孔复合体的胞质侧纤维，通过与FG重复序列的反复结合与分 离，NLS-入核素a/B自复合体经核孔转运人核。该复合体在通过核孔复合体时，RanGTP碑水解GTP 为核转运提供能量：同时激活入核素，释放入核素α和NS,继而亲核蛋白沿核内骨架被运至核内。核 内人核素与RanGTP酶结合成二聚体被运回胞质后解离，入核素a也通过较为复杂的出核转运过程，回 到胞质。它们的可参与下一轮亲核蛋白的入核转云（图19-6） 一货物蛋白 NIS GTP RCCI GDP] 细质 Ran GA 货物蛋白 RAD NIS 输人蛋白a 、输出蛋白B 图196亲核蛋白输入细胞核的过程 458