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质子，随着过程的不断进行，膜内外便建立了质子梯度，有向膜外穿出的趋势，当每3对H+通过CF1-FO复合物时，在CF1的催化下，合成一个ATP。 （二） 暗反应（dark reaction）

利用光反应产生的ATP和NADPH还原CO2形成碳水化合物，将活跃化学能变为稳定化学能，是在叶绿体基质中进行的。为物质代谢过程。

在高等植物固定CO2有三条途径：卡尔文循环（C3途径）、C4途径（Hatch-slack途径）和景天科酸代谢。卡尔文循环是最基本、最普通的，只有这一途径具备合成淀粉之能力，又称C3途径。

第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 一、线粒体与叶绿体的DNA （一）线粒体DNA （mt-DNA） （二）叶绿体DNA（ct-DNA） 二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成 （一） 线粒体的蛋白质合成

线粒体基质中除有DNA外，还有各种RNA、核糖体、氨基酸活化酶等，说明它能合成自我繁殖所需的某些成分，但数量不多，只占线粒体全部蛋白质的10%，约有13种（20个分子）左右。有人估算： ×10（每周10个核苷酸）=14705对核苷酸，能编码4902个氨基酸（除以3），假设一个蛋白质分子由150个氨基酸组成，则能编码30个左右蛋白质分子，如果除去编码ｍRNA、rRNA、tRNA的信息量（占总信息量的30%），余下的信息量只能编码约20个左右的蛋白质分子。

综上所述，线粒体有自身的DNA，有一整套蛋白质合成系统，能够复制和再生，使其一代代传下去，所以具有一定的自主性。 （二）叶绿体蛋白质的合成

叶绿体中的蛋白质（酶）一部分是在叶绿体中由它自己的DNA编码，经过mRNA转录和翻译形成的，有一部分则是由核基因编码，在细胞质中形成后转入叶绿体的。还有一部分是由核基因编码，在叶绿体的核糖体上合成。 三、对细胞核和细胞质的依赖性大

无论是线粒体还是叶绿体，它们的自主性是有限的，下面以线粒体为例说明之。 核质蛋白质合成系统通过合成某些酶类来调节线粒体的蛋白质合成系统。在有氯霉素存在的条件下培养链孢霉细胞，这时线粒体的蛋白质合成受抑制，但线粒体的三羧酸循环酶类、电子传递链中的NADH脱氢酶、CytC、以及DNA-Poly-merase、RNA-Polymerase、核糖体蛋白质、各种氨基酸活化酶等有关线粒体DNA复制和基因表达的酶类依然存在。而这些酶是由核基因编码，在细胞质中合成，然后转移到线粒体的。这说明细胞质的蛋白质合成系统（或者说核——质蛋白质合成系统）通过合成某些酶类来调节线粒体的蛋白质合成系统。

又：在有放线菌酮存在下培养链孢霉细胞，由于细胞质蛋白质合成系统受抑制，结果培养一段时间后，线粒体的合成活性也显著下降。这足以说明线粒体对细胞核和其他细胞质部分有很大依赖性。实际上也是这样，线粒体DNA所编码的蛋白质只有它自身全部蛋白质的10%，绝大部分是由核DNA编码的。 从上述看出，线粒体的生长增殖是受核基因组和线粒体基因组两套遗传系统的共同控制，故称线粒体为半自主性细胞器。

四、物质进出线粒体的穿膜机制

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细胞质中合成的蛋白质运送至线粒体，大多数以前体的形式存在，而且是需能过程。 前体蛋白质包括有功能的“成熟”形式和氨基未端引伸出的一段导肽（引肽，Leader seguences，在叶绿体特称为“转运肽”）共同组成。导肽约含20~80个氨基酸，又叫氨基末端指导肽。进入线粒体的过程大致为：○1带有N-末端导肽的前体蛋白质首先与外膜上受体结合；○2蛋白质横跨外、内膜；○3N-末端导肽被基质中的蛋白酶切制；○4活化的成熟蛋白质进入基质。

五、线粒体、叶绿体的增殖与起源 （一）线粒体的增殖

（二）叶绿体的发育、增殖和起源

第八章 细胞核与染色体

教学目的：

1掌握细胞核的结构与功能 2掌握染色体的结构与功能 教学重点：

1 核膜及核孔复合体 2 、染色体的空间结构

教学难点：核孔复合体与核仁的结构与功能 一、形态、大小、数目、分布

1形态 间期细胞核形态多样，一般为圆形或卵形。其形态与生物的种类、细胞的形状、细胞类型、发育时期以及机能状态有关。

2大小 多数细胞核在5—30μm。小的不到1μm，大的可达500—600μm（苏铁科某植物的卵细胞核）。通常：低等生物1—4μm 高等动物5—10μm 高等植物5—20μm

3数目 通常一个细胞只有一个核，也有两个以上的多核现象及在某一发育时期的无核现象。 4分布 细胞核多位于细胞中央，但也有各种不同情况，如上皮细胞的核偏于基底侧；横纹肌的细胞核靠近质膜；植物细胞成熟后若有较大液泡，核则被挤在一边。 二、细胞核的结构

在固定和染色的细胞中，可观察到细胞有下列结构：核被膜、染色质、核仁、核液（质）四部分。

第一节 核被膜与核孔复合体 一、核被膜（nuclear envelope） 亦称核膜（nuclear membrane），由此使遗传物质DNA与细胞质分开。电镜下证实为双层单位膜呈同心性排列。除两膜之间有间隙外，膜上还有些特化结构。所以，认为核被膜含义深刻，包括内容多，并执行重要的生理功能。 （一）核被膜结构 1 外层核被膜（ONE）（外核膜） 膜厚6.5—7.5nm，相邻细胞质的一面常有核糖体附着，并有时与内质网（RER）相连，因此显得粗糙不平。 2 内层核被膜（INE）（内核膜）：膜厚度基本同ONE，膜上无核糖体附着，显得比ONE平滑。但在其内表面常附有酸性蛋白质分子的聚合物组成的纤维网状结构（密电子物质），称纤维层（fibrous Lamina）或核纤层（nuclear lamina），又有内致密层之称。其厚度约在10—20nm

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（30—160nm），是位于细胞内核膜下的纤维蛋白或纤维蛋白网络。 3 核周隙（perinuclear space）又有核围腔或核围池之称。指两膜之间的空隙，宽约20—40nm（10—50nm），内充满液态无定形物质（蛋白质、酶类、脂蛋白、分泌蛋白、组蛋白等），它是核质之间活跃的物质交换渠道（有些部位直接与ER或Golgi池相通）。

4 核孔（nuclear pore）核膜并不完全连续，在许多部位，核膜内外两层常彼此融合，形成环状孔道，称为核孔，它们是核质之间的重要通道。 （二）核被膜在细胞周期中的崩解与装配

核膜在细胞周期的不同时期，有相应的变化方式。在S期：表面积有增大趋势；在间期：表现出周期性崩解（前期末）消失，重建（末期）过程。

二、核孔（nuclear pore）现多称核孔复合体（nuclear pore complex） 核孔直径通常在70—80nm或更大（80—120nm），70nm为常见，通道直径只有9nm。核孔数目在各细胞有所不同，一般占膜面积的8%。代谢旺盛，分化程度低，转录活动强的细胞，数目多，密度大。如两栖类处于灯刷染色体阶段和卵母细胞，密度可达35—65/μm2，总数达30×106个，而同一个体（两栖类）的成熟红细胞密度只有3个/μm2，总数只有150—300个。

（一）结构模型

对核孔复合体结构的解释有：纤丝模型、捕鱼笼式模型、圆柱状模型等。

1 纤丝模型（Franke & Scheer 1974） 在内外口边周有密电子的环状物质存在，称为环带，环带不是匀质的，其结构包括孔环颗粒（annular granules）：在内、外口周缘各排列有8个对称的、直径约10—25nm的球状颗粒，即孔环颗粒。孔环颗粒本身是由微细粒子和纤丝相盘绕而成。纤丝可分别在核被膜的核质面和胞质面与细胞核、细胞质中的基质蛋白相连甚至可以伸出很多（20—60nm）。中央颗粒（central granules）中央栓：在核孔中央有一粒状或棒状的颗粒，称中央颗粒，直径约5—30nm，并不充满整个核孔。中央颗粒有纤丝与孔环颗粒及周围孔壁相连，推测它与核孔的开闭有关。由于它具有核糖核蛋白体性质，在核质交换中起一定作用。所有人认为可能是由核内向胞质移动的核糖体前体一时附着于核孔，尚无定论。此外，还有辐（8个）、伸向核质，胞质的纤维等。 2捕鱼笼式模型（滴漏样模型）：此模型从横向看，从周边到核孔中心依次为环、辐、栓。从纵向看，由核外到核内依次为胞质环、辐（+栓）、核质环（核蓝），以及与核篮相连的“caber”网络。

胞质环，又称外环。

核质环则称为内环，向内形成捕鱼笼式的核篮。

辐由核孔边缘伸向中心，呈辐射状八重对称，进一步分为柱状亚单位、腔内亚单位和环带亚单位。

栓（中央栓或中央颗粒）“transporter”。 3 圆柱状模型（1992）。

（二）化学成分 核孔蛋白（nucleoporin,Nup） （三）核被膜的主要功能

1 屏障作用 核被膜为内膜系统的组成部分，是将DNA局限在细胞核的关键结构，使细胞功能区域化。

2 核——质间物质和信息的通道 通过膜的物质运输：（1）部分离子、水分子、100道尔顿以下的小分子（单糖、双糖、āā、核酸、组蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶等）可以自由通过核膜；（2）有些大分子物质常以小泡形式排出核外（内膜局部先形成小泡，移向外膜，融合后排出，另外方式是物质先进入核周腔，然后经外膜外排或进入与核周腔相通的内质网腔。

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通过核孔复合体的物质运输：核孔复合体可看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，构成核质间双功能、双向选择性运输的通道，双功能分为被动运输和主动运输。双向性为介导入核和出核转运。

被动扩散：功能直径约9—10nm，甚至12.5nm，允许离子、水溶性分子、代谢物小蛋白分子穿梭于核—质之间，进行自由扩散和协助扩散。

主动运输：对进出核的物质具高度选择性。表现在（1）对运输颗粒大小的选择，有效直径可调节；（2）是一个信号识别与载体介导的过程，需要ATP；（3）具有双向性。 进核物质（核输入）：复制、转录、染色体构建、核糖体组装等所需因子及酶运至核内。亲核蛋白的核输入：此类蛋白质一般含有特殊的氨基酸信号序列，称为核定位信号（NLS），存在于亲核蛋白的功能区域，对蛋白质进入核起“定向”“定位”的作用，从而保证整个蛋白质通过核孔的核输入。NLS序列可存在于亲核蛋白的不同部位，可以是连续的或不连续的，指导进入核后也不被切除。 出核物质（核输出）：各种RNA、核糖体亚单位。RNA的核输出是一种具有高度选择性的信号指导的过程。例mRNA及U1snRNA的5’端m7G帽子结构是二者核输出的关键，此现象称作帽结合活性。此外，RNA无论在核内还是核外，都是以RNA –蛋白质复合体形式存在，RNA的出核实际上是RNA-蛋白质的出核，蛋白质分子上可能有出和出核信号，称核输出信号（NES）。 3 作为酶分子的支架

核膜上富集大量酶系（约50种），以膜蛋白形式镶嵌在核膜的磷脂分子层中，彼此保持一定的间距和组合，使各种生化反应有序进行，并进行彼此间的正、负反馈调节。 4 作为基因调控的阀门

核膜可能参与DNA的合成及RNA前体的修饰。由于三种RNA分子要通过核孔进入 胞质，所以核孔的启闭和孔径的变化，能直接有效地调节转录信息的流量。 5 在染色质（体）的定位及细胞分裂时发挥作用 染色质的终未细丝常常连接在核孔上，这有助于解释为何非常复杂的染色质在异常活跃的细胞核内不致紊乱。

6 具有某些生物合成之功能 核膜上附有核糖体，可进行蛋白质的合成。

第二节 染色质（Chromatin） 一、概念及化学组成 （一）概念

1 染色质 这个概念最初是在1879（1882）年由Flemming提出的，其含义是指细胞核内易被碱性染料染色的物质。

2染色体 1888年，Waldeyer提出。染色质在有丝分裂时高度螺旋化形成染色体，所以染色体是指在细胞分裂时，由染色质凝集而成的棒状结构。即由DNA、组蛋白、非组蛋白等所形成的特定形态结构。

可见，染色质和染色体不存在成分上的差异，只是构型不同。它们是同一物质在细胞周期中不同阶段的运动形态。 （二）化学组成

通过分离的染色质生化分析与放射性同位素掺入的研究说明染色质的主要成份是DNA与组蛋白，同时还有非组蛋白和少量的RNA：

1 染色质DNA

是生物遗传信息的载体，是染色质的主要成分。真核细胞中每条染色单体只包装一条线性

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DNA分子，即一个DNA分子与染色体蛋白质等一起形成染色质纤维，经过多次螺旋卷曲，最后形成染色单体。一个DNA分子中有基因活性的区段只占10%左右。 （1）三种DNA序列（一级结构的多样性） （1）高度重复的DNA（highly repetitive DNA） 重复次数在数百万次（105以上），如小鼠随体DNA可达107，重复序列短，这种DNA不能转录，多分布在着丝粒区、端粒区及异染色质区。 （2）中等重复DNA（middle repetitive DNA） 重复次数在几十次——几千次（10—105），重复序列较长，这种DNA多数是不编码的，但有些区段能转录，多分布于次缢痕区。

（3）单一DNA（unique DNA）其顺序在基因组中只有一次或少数几个拷贝，多是结构基因顺序，能转录mRNA，是最终合成蛋白质的密码。 （2）三种构型的DNA（二级结构的多型性）

生物界物种的多样性寓于DNA分子4种核苷酸千变万化的不同排列之中。DNA一级结构具多样性；二级结构具有多型性。 DNA二级结构具有多形性 2 染色质蛋白质

（1）组蛋白：与DNA非特异性结合。这种蛋白质种类不多，都含有较多的碱性氨基酸，如精、赖氨酸，依所含这两种氨基酸的比率不同将组蛋白分为五类。

（2）非组蛋白：指染色体上与特异DNA序列相结合的蛋白质，故又称序列特异性DNA结合蛋白。

3 序列特异性DNA结合蛋白的不同结构模式

序列特异性DNA结合蛋白，在与DNA结合时，其结构域可有以下几种不同的模式。 （1）α螺旋—转角—α螺旋模式 （2）锌指模式 （3）亮氨酸拉链模式 （4）螺旋-环-螺旋结构模式 （5）HMG框结构模式

三、染色质的基本结构单位——核小体 （一）实验证据

1、用温和方法使核破碎，将染色质铺在钢网上在电镜下观察，间期染色质呈纤丝状结构，直径约在20—30nm，称染色质粗纤维。

2、进一步用盐溶液处理，则显示10nm串珠状结构，称染色质细纤维，实际上是由核小体串连成的丝状结构—核小体丝。

3、再用微球菌核酸酶消化10nm的染色质细纤维后进行电泳，则得到200个bp或其倍数的DNA片段。

据此，Olins等提出了核小体结构模型。也曾称钮体（υ—body）和核粒。其结构要点包括： （1）每个核小体包括200bp左右的DNA和一个组蛋白八聚体分子及一分子组蛋白H1； （2）[H2A、H2B、H3、H4]2 组成球形组蛋白的八聚体；【H2AH2B(H3)2?(H4)2H2AH2B】 （3）166bp的DNA（核心DNA）以左手方向盘绕八聚体2圈，不含H1时，为146个bp的DNA缠绕1.75周。（组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构称为染色质小体） （4）H1锁封DNA进出口，附在八聚体上

（5）34bp（0~80）左右DNA连接两核心结构——连接区DNA（Linker DNA）

Olins & Kornberg认为：多个核小体连接而成10nm的形似念珠的染色质丝（核小体丝）是染色质的一级结构。

四、染色体包装的结构模型

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