簡述細胞質基質組成與功能

繆 茜 俞如旺

（福建師范大學生命科學學院 福建福州 350117）

細胞質基質是指細胞的細胞質中，去除細胞器后的半透明膠體［1］。 細胞質基質主要含有催化各種代謝反應的酶，以及維持細胞特定形態和運輸胞內物質的細胞質骨架［2］。 細胞質基質作為一個高效有序的結構體系必須在特定條件下發揮作用，其作用往往與細胞質骨架、生物膜等的功能有關。

1 細胞質基質的基本組成

細胞質基質主要由水（約70%）、蛋白質（約20%～30%）及少數無機離子（例如Na+、K+、Cl-）等組成。 水分子在細胞質基質中以游離態（約5%）和化合態（約95%）2 種形式存在。其中，游離態的水分子起溶劑作用，化合態的水分子則結合在蛋白質等大分子的表面。 細胞質基質中合成的蛋白質多數被轉運到細胞核和各類細胞器中，參與細胞各種代謝反應的物質轉運、能量流動、信息交流等過程。 研究發現，細胞質基質中的大多數蛋白質，包括可溶性蛋白，是以結合態形式存在的，它們與生物膜或細胞質骨架結合，以完成多種復雜的生物學功能。 細胞質基質中的無機離子將細胞內的pH 值維持在7.0～7.4。

2 細胞質基質的功能

細胞內許多中間代謝過程在細胞質基質中發生，例如，糖原的合成與分解、糖酵解過程等。 這是因為細胞質基質中存在著催化多種代謝反應的酶，這些酶通過與細胞質骨架結合改變自身動力學參數，提高催化效率，同時還可以與相關酶聚合成復合體，靶向結合在細胞質基質中的特定位點，以完成復雜的代謝反應［1］。

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

2.2 與生物膜有關的功能 一方面，細胞質基質被細胞內各種膜包被的細胞器分割成許多區室，蛋白質等大分子結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行；另一方面，生物膜上的多種膜轉運蛋白通過跨膜轉運，調節細胞質基質的pH 值，并為細胞進行正常生理活動提供穩態條件。細胞進行無氧呼吸產生的乳酸和有氧呼吸釋放的CO2溶解在水中產生H+，若其中多余的H+不能及時排出胞外，則細胞質基質的pH 值將降低進而影響細胞活動。動物細胞存在Na+HCO3-／Cl-和Na+／H+這2 類反向運載體轉運多余的H+：①Na+HCO3-／Cl-運載體將一個Na+（和一個HCO3-）從胞外輸入，同時從胞內輸出一個Cl-，HCO3-在酶的作用下解離成CO2和OH-，CO2擴散出細胞，OH-則與多余的H+結合成水，使細胞質基質的pH 值升高；②Na+／H+運載體將Na+從胞外輸入胞內的同時伴隨著H+輸出細胞，使細胞質基質的pH 值升高，以維持細胞質基質pH 的穩態［4］。

2.3 與蛋白質有關的功能

2.3.1 蛋白質的合成、分選與靶向運輸 細胞質基質中附著在內質網上的核糖體是細胞內多數蛋白質合成的起始場所，具有特殊N 端序列的蛋白質的合成經過核糖體的初始翻譯后，被細胞質基質中的信號識別顆粒識別并結合，通過共翻譯轉運途徑將新生肽鏈邊合成、 邊轉入內質網腔內加工，接著這些未成熟的蛋白質轉入高爾基體再加工和包裝，最后分泌到胞外。 而定位在細胞核、線粒體、葉綠體等的蛋白質是在游離核糖體上合成，合成后的多肽被釋放到細胞質基質中，根據多肽攜帶的不同分選信號通過后翻譯轉運途徑被轉運到各類細胞器，而其中不含分選信號的蛋白質則選擇性留在細胞質基質中，成為細胞質基質自身的結構組分。

2.3.2 蛋白質的修飾 新生肽鏈需要經過修飾才能轉變為有活性的蛋白質。 目前已經發現了100 多種蛋白質修飾的方式，其中大部分的修飾都是由蛋白質側鏈特異位點結合細胞質基質中特定的酶引起的，這些修飾類型包括：酶分子和輔酶或輔基的共價結合； 為防止被酶水解的蛋白質N端發生的甲基化； 被用于調節多種細胞內蛋白質活性的磷酸化和去磷酸化；在動物細胞中將N-乙酰葡糖胺結合到產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合到一些暴露在細胞質基質的跨膜蛋白的結構域上，或將脂肪酸鏈共價連接到ras、src 等致癌基因表達蛋白質的特定位點上的酰基化等［4］。 目前越來越多的研究表明，蛋白質修飾與糖代謝密切相關，科學家深入研究兩者之間的聯系及機制，有望為防治糖代謝疾病提供更多的理論依據。

2.3.3 降解變性或折疊錯誤的蛋白質 細胞質基質中的蛋白質處于不斷降解、 清除和更新的動態平衡中。 除了大多數完成使命后被正常降解的蛋白質外，錯誤、變性及非正常修飾的蛋白質也會在細胞質基質中被迅速降解清除。

細胞質基質中的蛋白質的氨基酸序列中，存在著與蛋白質壽命相關的信號分子。 這種決定蛋白質壽命的信號分子位于蛋白質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，蛋白質是不穩定的［2］。

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

蛋白質泛素化是一個由泛素活化酶（E1）、泛素結合酶（E2）、泛素連接酶（E3）催化的反應，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鏈氨基間形成異肽鏈，同時釋放E2，重復以上步驟，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［2］。

除了降解蛋白質外，泛素化還可直接影響蛋白質活性和參與細胞內定位，調節細胞內蛋白質功能。

2.3.4 重新折疊變性或折疊錯誤的蛋白質 細胞質基質中有一類熱休克蛋白（heat shock protein，HSP），是細胞受到外界刺激而迅速合成的一種高度保守的蛋白質，根據相對分子質量的不同，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分子伴侶，特異性地與變性或錯誤折疊蛋白質聚集成多聚物，利用ATP 水解釋放的能量，解開高級結構，再協助折疊形成正確的蛋白質構象［3］，發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，在穩定細胞結構、調節細胞凋亡等方面還具有重大作用。