簡述細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)組成與功能

繆 茜 俞如旺

（福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福建福州 350117）

細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是指細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，去除細(xì)胞器后的半透明膠體［1］。 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)主要含有催化各種代謝反應(yīng)的酶，以及維持細(xì)胞特定形態(tài)和運(yùn)輸胞內(nèi)物質(zhì)的細(xì)胞質(zhì)骨架［2］。 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)作為一個高效有序的結(jié)構(gòu)體系必須在特定條件下發(fā)揮作用，其作用往往與細(xì)胞質(zhì)骨架、生物膜等的功能有關(guān)。

1 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的基本組成

細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)主要由水（約70%）、蛋白質(zhì)（約20%～30%）及少數(shù)無機(jī)離子（例如Na+、K+、Cl-）等組成。 水分子在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中以游離態(tài)（約5%）和化合態(tài)（約95%）2 種形式存在。其中，游離態(tài)的水分子起溶劑作用，化合態(tài)的水分子則結(jié)合在蛋白質(zhì)等大分子的表面。 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)多數(shù)被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核和各類細(xì)胞器中，參與細(xì)胞各種代謝反應(yīng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、能量流動、信息交流等過程。 研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的大多數(shù)蛋白質(zhì)，包括可溶性蛋白，是以結(jié)合態(tài)形式存在的，它們與生物膜或細(xì)胞質(zhì)骨架結(jié)合，以完成多種復(fù)雜的生物學(xué)功能。 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的無機(jī)離子將細(xì)胞內(nèi)的pH 值維持在7.0～7.4。

2 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的功能

細(xì)胞內(nèi)許多中間代謝過程在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中發(fā)生，例如，糖原的合成與分解、糖酵解過程等。 這是因為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中存在著催化多種代謝反應(yīng)的酶，這些酶通過與細(xì)胞質(zhì)骨架結(jié)合改變自身動力學(xué)參數(shù)，提高催化效率，同時還可以與相關(guān)酶聚合成復(fù)合體，靶向結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的特定位點(diǎn)，以完成復(fù)雜的代謝反應(yīng)［1］。

2.1 與細(xì)胞質(zhì)骨架有關(guān)的功能 細(xì)胞質(zhì)骨架是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要組分，主要指存在于細(xì)胞質(zhì)中的微管、微絲和中間絲。細(xì)胞質(zhì)骨架是細(xì)胞骨架的一部分，具有維持細(xì)胞形態(tài)、組織細(xì)胞運(yùn)動和運(yùn)輸胞內(nèi)物質(zhì)等功能。 細(xì)胞質(zhì)骨架具有巨大表面積，是細(xì)胞表面積的6 000～10 000 倍，這使得水分子運(yùn)動受限，達(dá)到維持細(xì)胞特定形態(tài)的目的。 同時細(xì)胞質(zhì)骨架上存在著細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中其他物質(zhì)和細(xì)胞器的特定位點(diǎn)，蛋白質(zhì)等生物大分子選擇性結(jié)合骨架蛋白分子，從而形成特定的三維區(qū)域，使細(xì)胞代謝活動在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中高效有序地進(jìn)行。 細(xì)胞質(zhì)骨架參與許多重要的細(xì)胞生命活動，例如：細(xì)胞分裂、偽足的形成，以及鞭毛和纖毛的運(yùn)動、膜泡和生物大分子的運(yùn)輸、細(xì)胞器的遷移運(yùn)動等［3］。

2.2 與生物膜有關(guān)的功能 一方面，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)被細(xì)胞內(nèi)各種膜包被的細(xì)胞器分割成許多區(qū)室，蛋白質(zhì)等大分子結(jié)合在各種生物膜的二維平面上，促使代謝過程順利高效地進(jìn)行；另一方面，生物膜上的多種膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的pH 值，并為細(xì)胞進(jìn)行正常生理活動提供穩(wěn)態(tài)條件。細(xì)胞進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生的乳酸和有氧呼吸釋放的CO2溶解在水中產(chǎn)生H+，若其中多余的H+不能及時排出胞外，則細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的pH 值將降低進(jìn)而影響細(xì)胞活動。動物細(xì)胞存在Na+HCO3-／Cl-和Na+／H+這2 類反向運(yùn)載體轉(zhuǎn)運(yùn)多余的H+：①Na+HCO3-／Cl-運(yùn)載體將一個Na+（和一個HCO3-）從胞外輸入，同時從胞內(nèi)輸出一個Cl-，HCO3-在酶的作用下解離成CO2和OH-，CO2擴(kuò)散出細(xì)胞，OH-則與多余的H+結(jié)合成水，使細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的pH 值升高；②Na+／H+運(yùn)載體將Na+從胞外輸入胞內(nèi)的同時伴隨著H+輸出細(xì)胞，使細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的pH 值升高，以維持細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)pH 的穩(wěn)態(tài)［4］。

2.3 與蛋白質(zhì)有關(guān)的功能

2.3.1 蛋白質(zhì)的合成、分選與靶向運(yùn)輸 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體是細(xì)胞內(nèi)多數(shù)蛋白質(zhì)合成的起始場所，具有特殊N 端序列的蛋白質(zhì)的合成經(jīng)過核糖體的初始翻譯后，被細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的信號識別顆粒識別并結(jié)合，通過共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑將新生肽鏈邊合成、 邊轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)加工，接著這些未成熟的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入高爾基體再加工和包裝，最后分泌到胞外。 而定位在細(xì)胞核、線粒體、葉綠體等的蛋白質(zhì)是在游離核糖體上合成，合成后的多肽被釋放到細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，根據(jù)多肽攜帶的不同分選信號通過后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑被轉(zhuǎn)運(yùn)到各類細(xì)胞器，而其中不含分選信號的蛋白質(zhì)則選擇性留在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，成為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)自身的結(jié)構(gòu)組分。

2.3.2 蛋白質(zhì)的修飾 新生肽鏈需要經(jīng)過修飾才能轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘牡鞍踪|(zhì)。 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100 多種蛋白質(zhì)修飾的方式，其中大部分的修飾都是由蛋白質(zhì)側(cè)鏈特異位點(diǎn)結(jié)合細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中特定的酶引起的，這些修飾類型包括：酶分子和輔酶或輔基的共價結(jié)合； 為防止被酶水解的蛋白質(zhì)N端發(fā)生的甲基化； 被用于調(diào)節(jié)多種細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)活性的磷酸化和去磷酸化；在動物細(xì)胞中將N-乙酰葡糖胺結(jié)合到產(chǎn)物絲氨酸殘基的羥基上的糖基化； 酶催化的軟脂酸鏈共價結(jié)合到一些暴露在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的跨膜蛋白的結(jié)構(gòu)域上，或?qū)⒅舅徭湽矁r連接到ras、src 等致癌基因表達(dá)蛋白質(zhì)的特定位點(diǎn)上的?；龋?］。 目前越來越多的研究表明，蛋白質(zhì)修飾與糖代謝密切相關(guān)，科學(xué)家深入研究兩者之間的聯(lián)系及機(jī)制，有望為防治糖代謝疾病提供更多的理論依據(jù)。

2.3.3 降解變性或折疊錯誤的蛋白質(zhì) 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的蛋白質(zhì)處于不斷降解、 清除和更新的動態(tài)平衡中。 除了大多數(shù)完成使命后被正常降解的蛋白質(zhì)外，錯誤、變性及非正常修飾的蛋白質(zhì)也會在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中被迅速降解清除。

細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的蛋白質(zhì)的氨基酸序列中，存在著與蛋白質(zhì)壽命相關(guān)的信號分子。 這種決定蛋白質(zhì)壽命的信號分子位于蛋白質(zhì)N 端的首個氨基酸殘基中，如果首個氨基酸是以下8 種氨基酸，該蛋白往往是穩(wěn)定的，這8 種氨基酸分別是絲氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、脯氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、甘氨酸；反之，蛋白質(zhì)是不穩(wěn)定的［2］。

真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中存在著泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑。泛素指普遍存在于真核細(xì)胞中，由76 個氨基酸殘基組成的具有熱穩(wěn)定性的小分子球蛋白。因其在細(xì)胞中廣泛存在，同時序列呈高度保守狀態(tài)，故被稱為泛素。

蛋白質(zhì)泛素化是一個由泛素活化酶（E1）、泛素結(jié)合酶（E2）、泛素連接酶（E3）催化的反應(yīng)，其具體過程是：①E1 在ATP 的參與下，催化形成酰基-腺核酸中間物，激活泛素分子C 端；②活化的泛素分子與E2 的半胱氨基酸殘基結(jié)合成E2-泛素巰基酯；③E3 催化E2-泛素巰基酯與底物蛋白賴氨酸側(cè)鏈氨基間形成異肽鏈，同時釋放E2，重復(fù)以上步驟，形成具有多聚泛素鏈的泛素化底物蛋白，接著被蛋白酶體識別，使底物蛋白去折疊后降解，并釋放泛素以便再次循環(huán)［2］。

除了降解蛋白質(zhì)外，泛素化還可直接影響蛋白質(zhì)活性和參與細(xì)胞內(nèi)定位，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)功能。

2.3.4 重新折疊變性或折疊錯誤的蛋白質(zhì) 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中有一類熱休克蛋白（heat shock protein，HSP），是細(xì)胞受到外界刺激而迅速合成的一種高度保守的蛋白質(zhì)，根據(jù)相對分子質(zhì)量的不同，將熱休克蛋白分為HSP100 家族、HSP90 家族、HSP70家族、HSP60 家族和小分子量家族（sHSP）。 熱休克蛋白可以充當(dāng)分子伴侶，特異性地與變性或錯誤折疊蛋白質(zhì)聚集成多聚物，利用ATP 水解釋放的能量，解開高級結(jié)構(gòu)，再協(xié)助折疊形成正確的蛋白質(zhì)構(gòu)象［3］，發(fā)揮其正常的生理功能。近年研究表明，熱休克蛋白除了具有分子伴侶功能，在穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡等方面還具有重大作用。