第一节 细胞质基质及其功能
在真核细胞的细胞质中，除去可分辨的细胞器以外的胶状物质称细胞质基质。1965年H.A. Lardy最先引入细胞质基质这一术语，当时是根据细胞破碎后超离心除去非可溶性物质的液相组分而定义的。细胞质基质是细胞的重要组分，其主要成分包括约占总体积70%的水和溶于其中的离子，以及以可溶性蛋白为主的大分子，其体积约占细胞质总体积50%以上。
一、细胞质基质的涵义
细胞与环境，细胞质与细胞核，以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等都要通过细胞质基质来完成，很多重要的中间代谢反应也发生在细胞质基质中。近年来发现细胞质基质还行使着多种其他的重要功能。然而人们对细胞质基质的认识与细胞核和其他细胞器相比还是相当肤浅，在研究细胞质基质过程中，曾赋予它诸如细胞液( cell sap)、透明质( hyaloplasm)、胞质溶胶( cytosol)和细胞质基质等多个名称，其涵义也被不断地更新与完善，这既反映了从不同的侧面与层次对细胞质基质的了解，也反映了对细胞质基质认识的不断深入。越来越多的证据表明，细胞质基质很可能是种高度有序的体系。用差速离心法分离细胞匀浆物中的各种细胞组分，先后除去细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体和细胞质膜等细胞器或细胞结构后，存留在上清液中的主要是细胞质基质的成分。生物化学家多称之为胞质溶胶，其中蛋白质质量浓度约200mgmL。细胞质基质是一种黏稠的胶体，多数的水分子是以水化物的形式紧密地结合在蛋白质和其他大分子表面的极性部位，只有部分水分子以游离态存在，起溶剂作用。细胞质基质中蛋白质分子和颗粒性物质的扩散速率仅为水溶液中的1/5，更大的结构如分泌泡和细胞器等则固定在细胞质基质的某些部位上，或沿细胞骨架定向运动。细胞质基质是蛋白质与脂类合成的重要场所。在细胞质基质中合成的蛋白质，半数以上将分门别类地转移到细胞核和细胞器中。在细胞质基质中，各种代谢活动高效有序地进行，各种代谢途径之间的协调有序以及所涉及的物质能量与信息的定向转移和传递，这些复杂的生命过程都不是简单的“酶溶液”所能完成的。
近些年来人们注意到，在细胞质基质中多数蛋白质，其中包括水溶性蛋白，并不是以溶解状态存在的。P.L. Paine把乳胶小球注射到非洲爪蟾的卵母细胞中，经过一段时间之后，取出乳胶小球，用聚丙烯酰胺双向凝胶电泳技术分析了渗入乳胶小球中的蛋白质成分，并与周围细胞质中的蛋白质成分进行比较。结果发现，在所检测的90多种多肽中，80%的多肽未曾扩散到乳胶小球中，而是滞留在细胞质基质中。人们推测，细胞质基质作为一种高度有序的体系，关键在于细胞质骨架纤维贯穿其中，起重要的组织作用，多数的蛋白质直接或间接地与细胞骨架结合，或与生物膜结合，其周围又吸附了多种分子，从而不同程度地影响和改变微环境的某些物理性质，这样一种有精细区域化的凝胶结构体系，其组成成分在不同细胞的不同生理状态下有所不同以完成多种复杂的生物学功能。原位杂交技术证明mRNA在细胞中也呈区域性分布。如在卵母细胞中不同的mRNA定位于细胞质基质的不同部位，卵细胞在母体发生期间，由蛋白质和RNA在细胞质基质中的特定分布而形成的位置信息，往往对子代个体胚胎发育早期的细胞分化起着重要的作用。免疫荧光技术证明，与糖酵解过程有关的一些酶结合在微丝上，在骨骼肌细胞中则结合在肌原纤维的某些特殊位点上。这种特异性的结合不仅与细胞的生理状态有关，而且也与组织发育和细胞分化的程度有关。酶与微丝结合后，酶的动力学参数也发生了明显的变化。如与糖酵解有关的酶类，彼此之间可能以弱键结合在一起形成多酶复合体，定位在细胞质基质的特定部位，催化从葡萄糖至丙酮酸的一系列反应。前一个反应的产物即为下一个反应的底物，二者间的空间距离仅为几个纳米，各个反应途径之间也以类似的方式相互关联，从而有效地完成复杂的代谢过程。这种结构体系的维持只能在高浓度的蛋白质及其特定的离子环境的条件之下实现。一旦细胞破裂，甚至在稀释的溶液中，这种靠分子之间脆弱的相互作用而形成的结构体系就会遭到破坏。这也正是研究细胞质基质比研究其它细胞器困难的主要原因。
也有学者主张细胞质骨架作为相对独立的主要结构体系不应纳入细胞质基质范畴。然而离开了细胞质骨架的支持与组织，细胞质基质便无法维系这种高度复杂的有序结构，也就无法完成各种生物学功能。从细胞骨架的角度来看，骨架的主要成分，特别是微管和微丝的装配和解聚与周围的液相始终处在一种动态平衡之中，离开这种特定的环境，骨架系统也难以行使其功能。
二、细胞质基质的功能
细胞质基质所行使的功能不是孤立或单一的，它体现在一套多种细胞生命活动的过程中。目前了解最多的是许多中间代谢过程都发生在细胞质基质中，如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原的合成与分解过程。尽管人们对这些代谢反应的具体生化步骤早已清楚，但对它们在细胞质基质中如何进行的细节，特别是反应的底物和产物如何定向转运的机制并不清楚。目前已知细胞信号转导是调控细胞代谢及细胞增殖、分化衰老和凋亡的基本途径，但对多种信号通路的网络整合及交叉对话( cross-talking)却知之甚少。
细胞质基质是蛋白质和脂肪酸合成的重要场所。细胞内所有蛋白质合成的起始步骤都发生在细胞质基质内的游离核糖体上，具有特殊N端信号序列的分泌蛋白和跨膜蛋白合成起始后，核糖体很快就转移到內质网膜上，边合成边转移到内质网腔，或整合到内质网膜上，然后再以膜泡运输的方式由内质网转运至高尔基体并进步完成蛋白质修饰和分选。其他蛋白质的合成均在细胞质基质中游离核糖体上完成，并根据蛋白质自身所携带的信号，分别转运到线粒体、叶绿体、过氧化物酶体以及细胞核中，也有些蛋白质驻留在细胞质基质中，构成本身的结构成分。
细胞质基质另一方面的功能与细胞质骨架相关。细胞质骨架作为细胞质的主要结构组分，不仅与维持细胞的形态、运动、物质运输及能量传递等过程相关(参见第八章)，也是细胞结构体系的组织者，为细胞质基质中其他成分和细胞器提供锚定位点。有人估计一个直径为16μm的细胞，其细胞质骨架的表面积可达5×100-10×10°m2，而相同直径的球形细胞的表面积仅约800μm2，这样大的表面积不仅限制了水分子的运动，而且使蛋白质、mRNA等生物大分子通过与骨架蛋白分子间的选择性结合，锚定在特定的位点，从而在细胞质基质中形成更为精细的空间分布，使复杂的代谢反应高效而有序进行。
细胞质基质还与蛋白质的翻译后修饰和选择性降解等方面有关：
1.蛋白质的修饰
已发现有100余种蛋白质的侧链修饰方式，绝大多数的修饰都是由专一的酶作用于蛋白质侧链特定位点上。侧链修饰对蛋白质的功能及命运至关重要，但很多修饰的生物学意义至今尚不清楚。在细胞质基质中发生蛋白质修饰的类型主要有：
(1)辅酶或辅基与酶的结合在无数酶促氧化一还原反应中，细胞内的辅酶将能量以质子的形式在酶之间传递。
(2)磷酸化与去磷酸化蛋白质的磷酸化与去磷酸化反应分别由蛋白激酶与磷酸酶催化，以快速调节细胞内多种蛋白质的生物活性。可被磷酸化的蛋白质氨基酸残基主要包括酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸。蛋白质磷酸化与去磷酸化还影响细胞信号调控级联反应和基因转录活性。已知人类基因组中有大约2000个编码蛋白激酶的基因和1000个编码磷酸酶的基因。
(3)蛋白质糖基化作用蛋白质糖基化主要发生在内质网和高尔基体中，在哺乳动物的细胞质基质中发生的糖基化主要是把N-乙酰葡糖胺(N-acetylglucosamine)加到蛋白质的丝氨酸残基的羟基上。
(4)甲基化修饰很多细胞骨架蛋白其N端发生甲基化修饰，以防止被细胞内的蛋白水解酶识别而降解，从而使蛋白质在细胞中维持较长的寿命。组蛋白甲基化修饰在细胞内由特异性的甲基转移酶催化完成，主要包括精氨酸甲基化和赖氨酸甲基化两种情况，组蛋白甲基化修饰还与基因表达的调控相关，是表观遗传学的重要研究领域之一，越来越多的证据表明组蛋白甲基化功能异常与肿瘤的发生发展密切相关。
(5)酰基化最常见的一类酰基化的修饰是内质网上合成的跨膜蛋白在通过内质网和高尔基体的转运过程中发生的。由不同的酶催化软脂酸链共价连接到某些跨膜蛋白暴露在细胞质基质侧的结构域上；另一类酰基化修饰发生在诸如Src基因和Ras基因这类癌基因的表达产物上，催化这一反应的酶可识别蛋白中的信号序列，将脂肪酸链共价地结合到蛋白质特定的位点上。如Sc基因编码的酪氨酸蛋白激酶，与豆蔻酸共价结合后，靠豆蔻酸链结合到细胞质膜上，这一修饰是Sc基因导致细胞转化所必需的。组成中心体和纤毛/鞭毛的微管蛋白往往被乙酰化修饰，这种修饰可能与它们在这些细胞结构中的组装及功能相关。
2.控制蛋白质的寿命
细胞中的蛋白质处于不断降解与更新的动态过程中。细胞质基质中的蛋白质，大部分寿命较长，其生物活性可维持几天甚至数月。但也有一些寿命很短，合成后几分钟就降解了，其中包括在某些代谢途径中，催化限速反应步骤的酶和Fos等癌基因的产物。只要通过改变它们的合成速度，就可以控制其浓度，从而发挥调节代谢途径或细胞生长与分裂的作用。
在蛋白质分子的氨基酸序列中，既含有决定蛋白质定位和功能的靶向信号和修饰信号，还含有决定蛋白质寿命的信号。这种信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基，若N端的第一个氨基酸是Met(甲硫氨酸)Ser(丝氨酸)、Thr(苏氨酸)、Aa(丙氨酸)、Val(缬氨酸)、Cys(半胱氨酸)、Gly(甘氨酸)或Pro(脯氨酸)，则蛋白质往往是稳定的；如是其他氨基酸，则往往是不稳定的。在真核细胞每种蛋白质起始合成时，N端的第一个氨基酸都是甲硫氨酸(细菌中为甲酰甲硫氨酸)，但合成后不久便被特异的氨基肽酶水解除去，然后由氨酰tRNA蛋白转移酶(aminoacyl- RNA-protein transferase)把一个信号氨基酸加到某些蛋白质的N端，最终在蛋白质的N端留下一个稳定或不稳定的氨基酸残基。
在真核细胞的细胞质基质中，有一种识别并降解错误折叠或不稳定蛋白质的机制，即泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径(ubiquitin- and proteasome mediated pathway)，有人将这种蛋白质降解机制戏称是细胞给予需要损毁的蛋白质一个化学的死亡之吻(kiss of death)”，A. Ciechanover等三位科学家因此发现而获得2004年诺贝尔化学奖。泛素化和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径具有多种生物学功能：包括蛋白质质量监控、影响细胞代谢、信号转导和受体调整(receptor modulation)、免疫反应、细胞周期调控、转录调节和DNA修复等。
蛋白酶体( proteasome)是细胞内降解蛋白质的大分子复合体，由约50种亚基组成，分子质量为2000 2400kDa，具有蛋白酶活性，其功能可誉为细胞内蛋白质破碎机( protein shredder)。哺乳类细胞内蛋白酶体约占细胞蛋白质含量的1%。其中最主要的类别是26S蛋白酶体。它包含一个由28种亚基组成桶状的20S催化核心，及一个或两个由19种亚基组成的19s调节亚基(或称为“帽”)(图5-2A)。20S催化核心由α、B两类蛋白，以a-β-β-a的排列方式，形成四层中空的环状结构。α环构成骨架结构，β环具有蛋白酶活性。19S调节亚基起着识别泛素化底物蛋白、切除泛素修饰及使蛋白去折叠的作用。其中与20S催化核心接触的6种亚基具有ATP酶活性，可利用水解ATP所释放的能量使蛋白质去折叠，并将其进一步传递至20S催化核心，这也是整个蛋白酶体水解过程中唯一的耗能步骤。
泛素(ubiquitin)是由76个氨基酸残基组成的小分子球蛋白，具热稳定性，普遍存在于真核细胞中，人和酵母细胞的泛素分子的相似度高达96%，由于广泛存在且序列高度保守，故名泛素。泛素具有多种生物学功能。在蛋白质的泛素化修饰过程中，泛素分子共价结合到靶蛋白质的赖氨酸残基上。蛋白质的泛素化需要多酶复合体发挥作用，即通过三种酶的先后催化来完成，包括泛素活化酶(E1)、泛素结合酶(E2，又称泛素载体蛋白)和泛素连接酶(E3)。其过程涉及如下步骤(图5-2B)：①泛素活化酶(E1)通过形成酰基一腺苷酸中介物使泛素分子C端被激活，该反应需要ATP；②转移活化的泛素分子与泛素结合酶(E2)的半胱氨酸残基结合；③异肽键( isopeptide bond)形成，即与E2结合的泛素羧基和靶蛋白赖氨酸侧链的氨基之间形成异肽键，该反应由泛素连接酶(B3)催化完成。连接到靶蛋白上的泛素分子也有多个赖氨酸残基，这些赖氨酸残基可以继续被泛素化修饰，后面的泛素链连接在前一个泛素分子的特定赖氨酸残基上，如Ls48或Lys63位点。如果这样的修饰经多次重复进行，便在靶蛋白上形成有多个泛素分子共价连接的寡聚泛素链。然而，在泛素链中起共价连接作用的赖氨酸位点往往决定了所产生的生理效应。如在泛素链中每次被修饰的位点是Lys48，则将导致泛素化靶蛋白被蛋白酶体的19S调节亚基所识别和去折叠，进而转移至20S催化核心内降解。由泛素控制的蛋白质降解具有重要的生理意义，它不仅能够清除错误折叠和需要进行存量调控的蛋白质，还对细胞周期调控、DNA修复、细胞生长、免疫功能等都有重要的调控作用。如果连接靶蛋白的泛素链是由各个泛素分子的Lys63位点修饰形成的，则可能导致靶蛋白的分选途径或者是活性的改变(活化或失活)。
3.帮助变性或错误折叠的蛋白质正确折叠
这一功能主要靠热激蛋白(heat shock protein， HSP)来完成。热激蛋白是一类演化上高度保守的蛋白质家族，在人类、果蝇和植物中发现的HSP都有相似的序列和功能，特别值得注意的是它们作为分子伴侣(molecular chaperone)而发挥多种作用，如协助细胞内蛋白质合成、分选、折叠与装配。其中大多数是组成型表达和执行多种基本功能，有些是细胞在胁迫条件下高水平表达，以在维持细胞稳态中发挥核心作用。根据分子量大小、结构和功能，热激蛋白被区分为几个家族Hsp100、Hsp90、Hsp70、Hsp60和新近发现的分子质量在15-40kDa的小分子HSP。每一家族中都有由不同基因编码的数种蛋白质成员。有的基因在正常条件下表达，有些则在温度增高或其他胁迫条件下大量表达，以保护细胞，减少异常环境的损伤。有证据表明，在正常细胞中，热激蛋白选择性地与畸形蛋白质结合形成聚合物，利用水解ATP释放的能量使聚集的蛋白质溶解，并进一步折叠成正确构象的蛋白质。
