(3)細胞核(Nucleus) & 內質網(Endoplasmic Reticulum, ER)
& 分子生物學之中心信條(Central Dogma)
一、
細胞核(Nucleus)的結構與功能：
圖01.一般教科書，都可能有的細胞核卡通圖。
(1)核膜(Nuclear Envelope)—雙層膜，四層磷脂層。
(2)結合態核醣體(bounded
ribosomes)—真核細胞中有兩種核醣體，一種與粗糙內質網(RER)結合稱結合態核醣體(bounded ribosomes)；一種為遊離在細胞質液(cytosol)中的遊離態核醣體(free ribosomes)。
(3)核孔(Nuclear Pore)—由核孔複合體(Nuclear Pore Complex, NPC)組成。
(4)核仁(Nucleolus)
(5)染色質(Chromatin)—染色體(Chromosome)去濃縮的狀態稱為染色質，染色體、染色質兩者長度相差約10,000倍。
(6)染色體因為是高度濃縮的染色質，染色體內的基因，完全無法表現成蛋白質，因此細胞週期時，遺傳物質以染色體狀態存在的時期(M期)，時間越短越好。
(7)粗糙內質網(Rough Endoplasmic Reticulum,
RER)—與外層核膜直接相連。
(8)核質(Karyoplasm)
1.
核膜(Nuclear Envelope)—雙層膜，四層磷脂層組成。
(1)
內層核膜(Inner Nuclear Membrane)—內面有細胞核薄板蛋白(Lamins)附著。
(2)
外層核膜(Outer Nuclear Membrane)—與粗糙內質網(Rough Endoplasmic Reticulum, RER)相連。
(3)
細胞週期(The Cell Cycle)的有絲分裂(M)期，核膜會消失然後再重新組合形成。核膜的消失與週期素(Cyclin)濃度升高→導致的細胞核薄板蛋白(Lamins)磷酸化有關。
圖02.
細胞週期(The Cell Cycle)的M期，核膜會先消失，然後再重新組合形成於兩個子細胞(Daughter cells)。M期的時間越短越好。
圖03. 週期素(Cyclin)-週期素依賴性蛋白激酶(cyclin dependent kinase，Cdk)複合體活性↑→細胞核薄板蛋白(Lamins)磷酸化(Phosphorylation)→導致核膜於M期之前期(Prophase)分解。
Cyclin-Cdk複合體活性↓→細胞核薄板蛋白(Lamins)去磷酸化(Dephosphorylation) →導致核膜於M期之末期(Telophase)重新組合。
2.
細胞核小體(Nuclear Bodies)—細胞核是相當程度隔間化(compartmentalized)的胞器。
細胞核除了核膜、核質、核孔、染色體或染色質外，另外由核仁
(nucleoli)、Cajal小體、PML小體、細胞核斑點(Nuclear speckles)
等，多種沒有膜包被之細胞核小體共同組成。
圖04.
學者認為的細胞核卡通圖，可看出細胞核有相當程度的隔間化(compartmentalized)，也可見細胞核中除了核仁之外，還有多種的細胞核小體。
(1) Nucleolus—核仁，哺乳動物的細胞核中一般具有1～5個核仁，直徑0.5～5.0μm，核仁的功能是合成核醣體RNA(ribosomal
RNA, rRNA)及組成核醣體的次單位。
(2) Ｃajal Body—直徑0.2～1.0μm，是小細胞核核糖核蛋白顆粒(small
nuclear
Ribonucleoproteins Particles, snRNPs)的合成處。
snRNPs參與轉錄後修飾作用(Post-transcriptional modification)之
剪接作用(Splicing) —將異質核RNA(heterogenous nuclear RNA, hnRNA)上的內子(Introns)
剪接移除。(snRNPs，於第三大項分子生物學之中心信條時再詳談。)
(3) PML小體是Promyelocytic Leukaemia
bodies的縮寫，功能未詳。
圖片來源：
3. 核孔(Nuclear pore)：
(1)
由核孔複合體(Nuclear Pore Complex,
NPC)組成。
(2)
一般哺乳動物細胞的核膜上約有3,000～4,000個核孔。
(3)
小分子以簡單擴散(Simple
Diffusion)；巨分子以耗能的便利性運輸(Facilitated Transport)方式進出核孔。
(4)
能進入細胞核之蛋白質需具有Nuclear
Localization Sequence(NLS)，以NLS與細胞質的NLS接受器輸入蛋白(Importin)結合，再以消耗GTP的便利性運輸進入細胞核。
圖05. 物質進入細胞核之步驟：
(1) 輸入細胞核之蛋白質以Nuclear
Localization Sequence(NLS)與細胞質液的接受器—輸入蛋白αβ(importinαβ)結合。
(2) 輸入蛋白α次單位與輸入細胞核蛋白質之NLS結合；輸入蛋白β次單位與核孔複合體(Nuclear
pore complex, NPC) 結合。
(3) 輸入蛋白β次單位在輸入過程中脫離，留在細胞質中。
(4) 輸入蛋白α次單位與輸入細胞核蛋白質，經由核孔複合體(NPC)進入細胞核中。
(5) 在細胞核中GTP與Ran(＝GTPase)結合，水解GTP，使輸入細胞核蛋白質與輸入蛋白α次單位分離。
細胞核內物質要離開細胞核，需先與輸出蛋白(exportin)結合。
巨分子以主動耗能的便利性運輸方式進出細胞核，是以GTP為能量。
圖片來源：
(5)
是訊息RNA(messenger RNA,
mRNA)、核醣體次單位…離開細胞核進入細胞質的位置；也是細胞質合成的組織蛋白(histones)、DNA聚合酶(DNA polymerase)、RNA聚合酶(RNA polymerase)…進入細胞核的場所。
圖06.
核孔(Nuclear Pore)結構之卡通圖(A圖)，核孔之穿透式電子顯微鏡照片(B圖)。
圖片來源：
二、內質網(Endoplasmic Reticulum)的結構與功能
圖07.
內質網分為
(1)粗糙內質網(Rough Endoplasmic Reticulum, RER)，膜外附著結合態核醣體(Bounded Ribosomes)，是合成蛋白質的場所。
(2)平滑內質網(Smooth Endoplasmic Reticulum, SER)，膜外無核醣體附著，司鈣離子儲存、合成脂肪、合成固醇類激素以及脂溶性藥物解毒等功能。
圖片來源：
https://www.enotes.com/homework-help/smooth-endoplasmic-reticulum-use-functions-golgi-502136
三、分子生物學之中心信條(Central
Dogma)
1.
人類細胞核中染色質(Chromatin)的DNA上，具有～25,000對的基因。
2.
DNA→RNA的過程稱為轉錄(Transcription)，由RNA聚合酶負責。
3.
真核細胞(Eukaryote)轉錄後的RNA必須被修飾，稱為轉錄後修飾作用(Post-transcriptional
Modification)，或RNA處理作用(RNA processing)，主要有三項作用：
(1)
加帽作用(Capping)—RNA的5’端加上cap
(2)
加尾作用(Tailing)—RNA的3’端加上poly(A)tail
※加cap，加poly(A)tail的目的，都是為了延長RNA存在的時間。
(3)
剪接作用(Splicing)—將異質核RNA(heterogenous
nuclear RNA, hnRNA)上的內子(Introns)全部剪接移除。
圖08.
小細胞核RNA(Small Nuclear RNAs, snRNAs)，與蛋白質結合形成小細胞核核糖核蛋白顆粒(small nuclear Ribonucleoproteins Particles, snRNPs)，不同的snRNPs再與pre-mRNA結合→形成剪接體(Spliceosome)。
圖片來源：
圖09. 小細胞核核糖核蛋白顆粒(small nuclear
Ribonucleoproteins Particles, snRNPs)，因為富含尿嘧啶(Uracil)，所以以U1、U2…為代號。
圖10.
分子生物學之中心信條。
轉錄以及轉錄後修飾在細胞核中進行，轉譯以及轉譯後修飾在細胞質中發生。
圖片來源：
加帽、加尾、剪接完成的RNA稱為成熟的訊息RNA(mature messenger RNA )或簡稱mRNA，mRNA經核孔離開細胞核進入細胞質(Cytoplasm)，開始轉譯作用(Translation)。
4.
mRNA→Protein的過程稱為轉譯作用，也就是蛋白質合成(Synthesis of protein)。
5.
剛合成之蛋白質為Preproprotein，需經過轉譯後修飾作用(Post-translational modification)，才成為具有生理功能之蛋白質。
6.
在粗糙內質網(RER)管腔之初級糖化，高基氏體扁囊內之次級糖化、磷酸化…以及蛋白質的切除、折疊(Folding)等均屬於轉譯後修飾作用。
圖11.
胰島素前驅蛋白(Preproinsulin)→胰島素(Insulin)之過程。
(1)
訊號胜(signal sequence)的切除，在內質網(ER)中進行。
(2)
連接多胜(connecting polypeptide)的切除，發生在高基氏體扁囊內。
圖片來源：
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