第三章细胞基质与疾病细胞质（cytoplasm）指细胞中包含在细胞膜内的内容物。在真核细胞中指细胞膜以内核以外的部分，内含有细胞器和细胞骨架等结构。在光学显微镜下，真核细胞的细胞质是指细胞内除细胞核外的所有部分，但应用电子显微镜、生物化学或免疫学等技术或方法，发现其中含有许多在普通光学显微镜下看不见的结构，如内质网、溶酶体和过氧化物酶体等膜相细胞器，以及核糖体、微丝、微管、中间丝等非膜相细胞器。细胞质中除去膜相细胞器和非膜相细胞器以外的均质半透明的液态物质成分，称为（细）胞质溶胶（cytosol），也称细胞基质（cellmatrix）。含有多种酶，多数代谢均在细胞基质中进行。第一节细胞基质的化学组成与功能细胞基质也称为细胞质基质（cytoplasmicmatrix）、透明质（hyaloplasm）或细胞液（cellsap），细胞基质是细胞重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半，包括细胞质中均质而半透明的液态部分和糖原、脂滴等内容物。它不仅构成细胞生命代谢活动的内环境，而且参与细胞与环境、细胞质与细胞核以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等生命过程，很多重要的中间代谢反应也在细胞基质中进行。原核细胞多数生化反应发生在细胞基质，只有一少部分发生在膜或周质间隙；真核细胞很多的中间代谢反应发生在细胞基质，还有一部分是在细胞器内进行。细胞无时无刻不在进行着各种生命活动，不断地进行着新陈代谢，细胞基质也随之不断地发生着变化。如在细胞有丝分裂时期，细胞基质的黏性和液体性也随之发生不同的变化。如果用显微解剖针移动细胞核，当将针移开后，核仍然回到原来的位置，说明细胞基质还具有弹性。一、细胞基质的化学组成在真核细胞中，细胞基质一般占整个细胞体积的50%~60%，细胞基质的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质为主的大分子。其中包含许多与细胞生长和生存直接相关的无机和有机化学成分。细胞基质的化学组分极为复杂。根据其相对分子质量大小可分为3种类型：1.小分子类包括水、无机离子（Na、K*、Ca、Mg、CI等）和溶解的气体。①水：水分子多数以水化物的形式结合在蛋白质或其他大分子表面的极性部位，仅部分起溶剂作用的水分子游离存在。水对细胞行使正常的功能有着至关重要的作用。细胞内水分丧失至正常细胞的80%时其代谢反应将会受到抑制。如果水分去失至正常细胞的30%，则细胞停止所有的代谢反应。②无机离子：一些离子浓度在细胞质基质和细胞外存在较大差别，如钠（胞外浓度高）和钾（胞内浓度高）。一方面，依赖细胞膜上的40医学细胞--正文.indd42018-5-18 17:31:
www.hep.com.cn 40 第三章 细胞基质与疾病 细胞质（cytoplasm）指细胞中包含在细胞膜内的内容物。在真核细胞中指细胞膜以 内核以外的部分，内含有细胞器和细胞骨架等结构。在光学显微镜下，真核细胞的细胞 质是指细胞内除细胞核外的所有部分，但应用电子显微镜、生物化学或免疫学等技术或 方法，发现其中含有许多在普通光学显微镜下看不见的结构，如内质网、溶酶体和过氧 化物酶体等膜相细胞器，以及核糖体、微丝、微管、中间丝等非膜相细胞器。细胞质中 除去膜相细胞器和非膜相细胞器以外的均质半透明的液态物质成分，称为（细）胞质溶 胶（cytosol），也称细胞基质（cell matrix）。含有多种酶，多数代谢均在细胞基质中进行。 第一节 细胞基质的化学组成与功能 细胞基质也称为细胞质基质（cytoplasmic matrix）、透明质（hyaloplasm）或细胞液 （cell sap），细胞基质是细胞重要的结构成分，其体积约占细胞质的一半，包括细胞质中 均质而半透明的液态部分和糖原、脂滴等内容物。它不仅构成细胞生命代谢活动的内环 境，而且参与细胞与环境、细胞质与细胞核以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信 息传递等生命过程，很多重要的中间代谢反应也在细胞基质中进行。原核细胞多数生化 反应发生在细胞基质，只有一少部分发生在膜或周质间隙；真核细胞很多的中间代谢反 应发生在细胞基质，还有一部分是在细胞器内进行。细胞无时无刻不在进行着各种生命 活动，不断地进行着新陈代谢，细胞基质也随之不断地发生着变化。如在细胞有丝分裂 时期，细胞基质的黏性和液体性也随之发生不同的变化。如果用显微解剖针移动细胞 核，当将针移开后，核仍然回到原来的位置，说明细胞基质还具有弹性。 一、细胞基质的化学组成 在真核细胞中，细胞基质一般占整个细胞体积的 50%～60%，细胞基质的主要成分 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质为主的大分子。其中包 含许多与细胞生长和生存直接相关的无机和有机化学成分。 细胞基质的化学组分极为复杂。根据其相对分子质量大小可分为 3 种类型： 1. 小分子类 包括水、无机离子（Na+ 、K+ 、Ca2+、Mg2+、Cl- 等）和溶解的气体。 ①水：水分子多数以水化物的形式结合在蛋白质或其他大分子表面的极性部位，仅部分 起溶剂作用的水分子游离存在。水对细胞行使正常的功能有着至关重要的作用。细胞 内水分丧失至正常细胞的 80% 时其代谢反应将会受到抑制。如果水分丢失至正常细胞 的 30%，则细胞停止所有的代谢反应。②无机离子：一些离子浓度在细胞质基质和细胞 外存在较大差别，如钠（胞外浓度高）和钾（胞内浓度高）。一方面，依赖细胞膜上的 医学细胞-正文.indd 40 2018-5-18 17:31:11
第一节细胞基质的化学组成与功能Na-K+泵或Na-H*泵将细胞内pH维持在7.0~7.4之间：另一方面、细胞内外的离子浓度差可调节细胞的渗透压及参与信号传递过程。单价离子多游离于细胞质内，而双价离子则可能附在一些大分子（如核酸、多糖和蛋白质或酶等分子）上。2.中分子类包括细胞代谢过程中的一些产物，如脂质、氨基酸、糖类（葡萄糖、果糖、蔗糖等核苷酸及其衍生物。3.大分子类主要包括游离的大分子，如多糖、蛋白质、脂蛋白及RNA等。蛋白质在细胞基质中的含量在20%~30%间，除厂大量的酶，特别是一些与大分子物质（蛋白质和核酸）合成有关及参与主要代谢过程（脂肪代谢的合成、糖酵解及戊糖磷酸过程、糖原代谢等）所必需的酶外，还有构成细胞骨架的各种蛋白及参与信号转导的胞内信号转导分子等。RNA主要为mRNA、tRNA和各种非编码小分子RNA等。二、细胞基质是一种高度有序的体系细胞基质是一种高度有序的体系细胞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于细胞基质之中，细胞质骨架纤维起重要的组织作用，多数的蛋白质（或酶分子）直接或间接地与骨架结合，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，在不同细胞的不同生理状态下，可能有所不同，以完成多种复杂的生物学功能。细胞基质的高度有序性主要表现为：（1）细胞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，如细胞器和分泌泡等则固定在细胞基质的某些部位上，或沿细胞骨架定向运动。（2）在细胞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各种细胞器中。在细胞基质中，各种代谢活动高效有序地进行，各种代谢途径之间协调有序，完成物质、能量与信息的定向转移和传递。（3）mRNA在细胞中也呈区域性分布，原位杂交技术显示，在卵母细胞中不同的mRNA定位于细胞基质的不同部位，由蛋白质和mRNA在卵母细胞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。（4）用免疫荧光技术显示与糖酵解过程有关的一些酶结合在微丝的某些特殊位点上，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。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，两者间的空间距离仅为几个纳米，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细胞内高浓度的蛋白质及其特定的离子环境的条件之下实现。（5）离开细胞质骨架的支持与组织：细胞基质便无法维系这种复杂的高度有序的结构，也就无法完成各种生物学功能。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，离开这种特定的坏境，骨架系统也难以行使其功能。三、细胞基质的主要功能细胞基质对细胞的生命活动有极其重要的作用，因而具有多方面的功能。细胞基质直接或间接地影响并体现于细胞生命活动的各个方面，为各种细胞器维持其正常结构提41医学细胞-正文.indd2018-51817:31:
www.hep.com.cn 41 第一节 细胞基质的化学组成与功能 Na+ -K+ 泵或 Na+ -H+ 泵将细胞内 pH 维持在 7.0～7.4 之间；另一方面，细胞内外的离子 浓度差可调节细胞的渗透压及参与信号传递过程。单价离子多游离于细胞质内，而双价 离子则可能附在一些大分子（如核酸、多糖和蛋白质或酶等分子）上。 2. 中分子类 包括细胞代谢过程中的一些产物，如脂质、氨基酸、糖类（葡萄糖、 果糖、蔗糖等）、核苷酸及其衍生物。 3. 大分子类 主要包括游离的大分子，如多糖、蛋白质、脂蛋白及 RNA 等。蛋白 质在细胞基质中的含量在 20%～30% 间，除了大量的酶，特别是一些与大分子物质（蛋 白质和核酸）合成有关及参与主要代谢过程（脂肪代谢的合成、糖酵解及戊糖磷酸过 程、糖原代谢等）所必需的酶外，还有构成细胞骨架的各种蛋白及参与信号转导的胞内 信号转导分子等。RNA 主要为 mRNA、tRNA 和各种非编码小分子 RNA 等。 二、细胞基质是一种高度有序的体系 细胞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于细胞基质之 中，细胞质骨架纤维起重要的组织作用，多数的蛋白质（或酶分子）直接或间接地与骨 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，在不同细胞的不同生 理状态下，可能有所不同，以完成多种复杂的生物学功能。细胞基质的高度有序性主要 表现为： （1）细胞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，如细胞器和分泌泡等则固定在细胞基质的某些部位上，或沿细胞骨架定向运动。 （2）在细胞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各种细胞 器中。在细胞基质中，各种代谢活动高效有序地进行，各种代谢途径之间协调有序，完 成物质、能量与信息的定向转移和传递。 （3）mRNA 在细胞中也呈区域性分布，原位杂交技术显示，在卵母细胞中不同的 mRNA 定位于细胞基质的不同部位，由蛋白质和 mRNA 在卵母细胞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。 （4）用免疫荧光技术显示与糖酵解过程有关的一些酶结合在微丝的某些特殊位点上， 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。 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，两者间的空间距离仅为几个纳米，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细胞内高浓度的蛋白质及其特定的离子环境的条件之下实现。 （5）离开细胞质骨架的支持与组织，细胞基质便无法维系这种复杂的高度有序的结 构，也就无法完成各种生物学功能。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，离开这种特定的坏境，骨架系统也难以行使 其功能。 三、细胞基质的主要功能 细胞基质对细胞的生命活动有极其重要的作用，因而具有多方面的功能。细胞基质 直接或间接地影响并体现于细胞生命活动的各个方面，为各种细胞器维持其正常结构提 细胞基质是一种高度有序的体系 医学细胞-正文.indd 41 2018-5-18 17:31:11
第三章细胞基质与疾病供所需要的离子环境，为各类细胞器完成其功能活动供给所需的一切底物，同时也是进行某些生化活动的场所。细胞基质所担负的功能不是孤立而单一的，它的功能体现为多种细胞过程。在胚胎发育过程中，细胞基质对细胞分化发挥重要的作用、而细胞基质中信号转导是调控细胞代谢及细胞增殖、分化、衰老和调亡的基本途径。细胞基质在生长时期由于其同化作用大于异化作用，故其体积增加到一定程度就会进行分裂。1.细胞内物质代谢反应的场所细胞基质中含有与代谢反应相关的数千种酶类，参与糖酵解、磷酸戊糖途径以及糖原、蛋白质、脂肪酸合成等多种生化反应。（1）细胞内所有蛋白质合成的起始步骤都发生在细胞基质的游离核糖体上，具有特殊N端信号序列的分泌蛋白合成起始后，核糖体很快转移到内质网膜上。其他蛋白质的合成均在细胞基质的游离核糖体上完成。（2）在细胞生化反应中，有三条重要的代谢途径是在细胞质中进行的，即糖酵解过程、戊糖磷酸化过程及脂肪酸的合成，以上三种生化反应所需的酶系都存在于细胞质的可溶相中，细胞基质提供生化反应所需要的离子环境及行使功能所必需的所有底物。如位于细胞特定部位进行糖酵解的各种酶类聚集在一起形成多酶复合体，前一个反应的产物作为下一个反应的底物。这种反应方式可更快、更高效地完成整个复杂的代谢活动，同时还避免了不稳定的反应中间产物的释放。2.与维持细胞的形态、细胞的运动和胞内物质运输及能量传递有关细胞质骨架作为细胞基质的主要结构成分，不仅与维持细胞形态、细胞运动、细胞内的物质运输及能量传递有关，而且也是细胞基质结构体系的组织者，为细胞基质中其他成分和细胞器提供广蛋白质、mRNA等生物大分子间的选择性结合，铺定在特定的位点：从而在细胞基质中形成更为精细的三维特定区域，使复杂的代谢反应高效而有序地进行。对储存细胞内含物（如蛋白质、脂肪粒、肝糖原等）聚集在细胞质内，起到一定作用。3.维持细胞内环境的稳态依靠细胞膜或细胞器膜上的转运蛋白和离子通道维持细胞内外跨膜的离子梯度，维持胞内环境的稳态，为行使正常生理生化功能搭建前提条件。如细胞内葡萄糖无氧代谢产生乳酸，有氧代谢产生CO2，溶于水形成H,CO3，这些弱酸解离产生H，这些“额外”质子借助动物细胞膜上的两类协同转运蛋白，通过对向共转运从细胞内被有效转移而清除，以维持细胞基质内pH不会急剧下降，而危及细胞?功能。4.与蛋白质的修饰有关细胞基质中的蛋白质在合成后必须经过诸如N-甲基化、糖基化、酰基化、磷酸化及去磷酸化等修饰才能维持和调节蛋白质活性。在细胞基质中发生蛋白质修饰的类型主要有：（1）辅酶或辅基与酶的共价结合。（2）磷酸化与去磷酸化：是细胞内多种蛋白质活性调控的主要形式，不仅影响细胞代谢，还参与细胞内信号转导等重要级联调控反应。已知人类基因组中有大约2000个基因编码与蛋白质磷酸化有关的蛋白质激酶和1000个基因编码与蛋白质去磷酸化有关的蛋白质磷酸水解酶。（3）蛋白质糖基化作用：主要是把N-乙酰葡糖胺加到蛋白质的丝氨酸残基的羟基上。（4）甲基化修饰：如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质水解酶降解。42医学细胞--正文.indd2018-5-1817:31
www.hep.com.cn 42 第三章 细胞基质与疾病 供所需要的离子环境，为各类细胞器完成其功能活动供给所需的一切底物，同时也是进 行某些生化活动的场所。细胞基质所担负的功能不是孤立而单一的，它的功能体现为多 种细胞过程。在胚胎发育过程中，细胞基质对细胞分化发挥重要的作用，而细胞基质中 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。细胞基质在生长 时期由于其同化作用大于异化作用，故其体积增加到一定程度就会进行分裂。 1. 细胞内物质代谢反应的场所 细胞基质中含有与代谢反应相关的数千种酶类，参 与糖酵解、磷酸戊糖途径以及糖原、蛋白质、脂肪酸合成等多种生化反应。 （1）细胞内所有蛋白质合成的起始步骤都发生在细胞基质的游离核糖体上，具有特 殊 N 端信号序列的分泌蛋白合成起始后，核糖体很快转移到内质网膜上。其他蛋白质的 合成均在细胞基质的游离核糖体上完成。 （2）在细胞生化反应中，有三条重要的代谢途径是在细胞质中进行的，即糖酵解过 程、戊糖磷酸化过程及脂肪酸的合成，以上三种生化反应所需的酶系都存在于细胞质的 可溶相中，细胞基质提供生化反应所需要的离子环境及行使功能所必需的所有底物。如 位于细胞特定部位进行糖酵解的各种酶类聚集在一起形成多酶复合体，前一个反应的产 物作为下一个反应的底物。这种反应方式可更快、更高效地完成整个复杂的代谢活动， 同时还避免了不稳定的反应中间产物的释放。 2. 与维持细胞的形态、细胞的运动和胞内物质运输及能量传递有关 细胞质骨架作 为细胞基质的主要结构成分，不仅与维持细胞形态、细胞运动、细胞内的物质运输及能 量传递有关，而且也是细胞基质结构体系的组织者，为细胞基质中其他成分和细胞器提 供了蛋白质、mRNA 等生物大分子间的选择性结合，锚定在特定的位点，从而在细胞基 质中形成更为精细的三维特定区域，使复杂的代谢反应高效而有序地进行。对储存细胞 内含物（如蛋白质、脂肪粒、肝糖原等）聚集在细胞质内，起到一定作用。 3. 维持细胞内环境的稳态 依靠细胞膜或细胞器膜上的转运蛋白和离子通道维持 细胞内外跨膜的离子梯度，维持胞内环境的稳态，为行使正常生理生化功能搭建前提条 件。如细胞内葡萄糖无氧代谢产生乳酸，有氧代谢产生 CO2，溶于水形成 H2CO3，这些 弱酸解离产生 H+ ，这些“额外”质子借助动物细胞膜上的两类协同转运蛋白，通过对向 共转运从细胞内被有效转移而清除，以维持细胞基质内 pH 不会急剧下降，而危及细胞 功能。 4. 与蛋白质的修饰有关 细胞基质中的蛋白质在合成后必须经过诸如 N- 甲基化、 糖基化、酰基化、磷酸化及去磷酸化等修饰才能维持和调节蛋白质活性。在细胞基质中 发生蛋白质修饰的类型主要有： （1）辅酶或辅基与酶的共价结合。 （2）磷酸化与去磷酸化：是细胞内多种蛋白质活性调控的主要形式，不仅影响细胞 代谢，还参与细胞内信号转导等重要级联调控反应。已知人类基因组中有大约 2 000 个 基因编码与蛋白质磷酸化有关的蛋白质激酶和 1 000 个基因编码与蛋白质去磷酸化有关 的蛋白质磷酸水解酶。 （3）蛋白质糖基化作用：主要是把 N- 乙酰葡糖胺加到蛋白质的丝氨酸残基的羟 基上。 （4）甲基化修饰：如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 蛋白质水解酶降解。 医学细胞-正文.indd 42 2018-5-18 17:31:11
第一节细胞基质的化学组成与功能（5）酰基化：如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。5.与蛋自质的质量控制有关细胞内蛋白质的质量控制包括新翻译蛋白质的正确折叠组装以及错误合成的蛋白质被降解（清除异常蛋白质）。（1）蛋白质的折叠：蛋白质的正确折叠是其发挥生物学活性的基础。体内蛋白质折叠成天然构象仅需儿分钟，因而细胞内必定存在一种快速有效的机制来确保蛋白质的正确折叠。多肽链的氨基酸序列包含了蛋白质折叠成三级结构的全部信息，但并非所有的蛋白质在折叠成三级结构时都是以简单的自组装方式完成的，一些被称为分子伴侣（chaperone）的蛋白质在帮助未折叠（新生肽链）或错误折叠蛋白质获得正确三维结构的过程中发挥重要作用。细胞质中的分子伴侣Hsp90A与未折叠或部分折叠蛋白质结合后，防止这些蛋白质聚集及被降解，帮助蛋白质正确折叠。很多遗传病的发生就是蛋白质三级结构的改变，并且这些错误折叠的蛋白质有时是致命的，如克－雅脑病（Creutzfeldt-Jakobdisease）和阿尔茨海默病（Alzheimer’sdisease）。（2）蛋白质的选择性降解：细胞基质中的蛋白质，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。在蛋白质分子的N端的第一个氨基酸残基有决定蛋白质寿命的信号，若N端第一个氨基酸是甲硫氨酸、丝氨酸、苏氨酸、内氨酸、缬氨酸、半胱氨酸、甘氨酸或脯氨酸，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。由氨酰-tRNA蛋白转移酶把一个信号氨基酸个稳定或不稳定的氨基酸残基。加到某些蛋白质的N端，最终在蛋白质的N端留下一细胞内蛋白质的降解是在位于细胞基质中特定的蛋白酶体（proteosome）中进行的。蛋白酶体有多种形式，其中最常见的是26S的蛋白酶体（约50种蛋白质亚基），包含1个20S核心颗粒和2个19S调节颗粒。从结构上看，蛋白酶体是一个大型的中空桶状的蛋白质复合物（图3-1A）。核心颗粒中空的封闭腔是蛋白质降解的位点，两端的开口是标记蛋泛素AMP贝#?ppiATP19S相EIEU蛋白质解折叠20S核心E2UE2蛋白质被切割U胞质靶蛋白19S帽多次进行ATPADP①、②、④步反应1?ABuu图3-1由泛素和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径示意图A.经负染色的蛋白酶体结构电镜照片。B.靶蛋白泛素化及其降解示意图：①E1活化泛素分子：②泛素分子转移至E2；③E3催化形成异肽键：④靶蛋白被泛素化；蛋白酶体识别泛素化靶蛋白、ATP水解驱动泛素移除、靶蛋白解折叠转入蛋白酶体核心内被降解为肽段或进一步降解为氨基酸43医学细胞正文.ind20185-18 17:31:12
www.hep.com.cn 43 第一节 细胞基质的化学组成与功能 （5）酰基化：如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。 5. 与蛋白质的质量控制有关 细胞内蛋白质的质量控制包括新翻译蛋白质的正确折 叠组装以及错误合成的蛋白质被降解（清除异常蛋白质）。 （1）蛋白质的折叠：蛋白质的正确折叠是其发挥生物学活性的基础。体内蛋白质折 叠成天然构象仅需几分钟，因而细胞内必定存在一种快速有效的机制来确保蛋白质的 正确折叠。多肽链的氨基酸序列包含了蛋白质折叠成三级结构的全部信息，但并非所 有的蛋白质在折叠成三级结构时都是以简单的自组装方式完成的，一些被称为分子伴 侣（chaperone）的蛋白质在帮助未折叠（新生肽链）或错误折叠蛋白质获得正确三维 结构的过程中发挥重要作用。细胞质中的分子伴侣 Hsp90A 与未折叠或部分折叠蛋白质 结合后，防止这些蛋白质聚集及被降解，帮助蛋白质正确折叠。很多遗传病的发生就 是蛋白质三级结构的改变，并且这些错误折叠的蛋白质有时是致命的，如克 - 雅脑病 （Creutzfeldt-Jakob disease）和阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）。 （2）蛋白质的选择性降解：细胞基质中的蛋白质，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。在蛋白质分子的 N 端的第一个氨基酸残基有决定蛋白质寿命的信号，若 N 端第一个氨基酸是甲硫氨酸、丝 氨酸、苏氨酸、丙氨酸、缬氨酸、半胱氨酸、甘氨酸或脯氨酸，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。由氨酰 -tRNA 蛋白转移酶把一个信号氨基酸 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。 细胞内蛋白质的降解是在位于细胞基质中特定的蛋白酶体（proteosome）中进行的。 蛋白酶体有多种形式，其中最常见的是 26S 的蛋白酶体（约 50 种蛋白质亚基），包含 1 个 20S 核心颗粒和 2 个 19S 调节颗粒。从结构上看，蛋白酶体是一个大型的中空桶状的蛋白 质复合物（图 3-1A）。核心颗粒中空的封闭腔是蛋白质降解的位点，两端的开口是标记蛋 图 3-1 由泛素和蛋白酶体所介导的蛋白质降解途径示意图 A. 经负染色的蛋白酶体结构电镜照片。B. 靶蛋白泛素化及其降解示意图：① E1 活化泛素分子；②泛素分子 转移至 E2；③ E3 催化形成异肽键；④靶蛋白被泛素化；⑤蛋白酶体识别泛素化靶蛋白、ATP 水解驱动泛素移除、 靶蛋白解折叠转入蛋白酶体核心内被降解为肽段或进一步降解为氨基酸 医学细胞-正文.indd 43 2018-5-18 17:31:12
第三章细胞基质与疾病白质进出的通路。核心颗粒两端相连的19S调节颗粒内含多个ATP酶活性位点和泛素结合位点，正是这种结构识别多聚化的泛素蛋白并将它们转移至催化核心。在真核生物中，蛋白酶体位于细胞核和细胞质中。一个典型的哺乳动物细胞内大约有30000个蛋白酶体。蛋白酶体的主要功能是通过蛋白质水解，降解细胞不再需要的或受到损伤的蛋白质，蛋白酶体是细胞用来调控特定蛋白质浓度、除去错误折叠蛋白质的一种主要机制。经蛋白酶体的降解后产生的3～15个氨基酸长度的肽段，被进一步降解为单个氨基酸，可用于合成新的蛋白质。蛋白酶体对蛋白质的降解包括泛素化和降解两个阶段。1）蛋白质的泛素化：需要被降解的蛋白质会先被一个称为泛素（ubiquitin）的小型蛋白质所标记。一且一个蛋白质被标记上一个泛素分子，就会引发其他连接酶加上更多的泛素分子，这一标记反应是被泛素连接酶所催化。泛素标记是降解蛋白质的信号，至少3种泛素连接酶参与此过程，如E1（泛素激活）E2（泛素交联）和E3（泛素连接）最终导致蛋白质的多聚泛素化，以此为信号指引靶蛋白到蛋白酶体降解（图3-1B）。这就形成了可以与蛋白酶体结合的“多泛素链”，从而将蛋白酶体带到这一标记的蛋白质上，开始其降解过程。2）蛋白酶体对泛素化蛋白的识别与降解：在靶蛋白被蛋白酶体识别之前，至少必须被标记上4个泛素单体分子。泛素化的靶蛋白被蛋白酶体帽（19S调节颗粒）识别，并利用ATP水解提供的能量驱动泛素分子的切除和靶蛋白解折叠，去折叠的蛋白质转移至蛋白酶体20S核心颗粒腔内被降解。蛋白酶体通常生成非常短的降解片段，但在一些情况下，这些降解产物自身是具有生物学活性的功能分子。特定的转录因子，包括哺乳动物的NF一KB复合物中的一个组分，合成后以无活性的前体分子存在，在经过泛素化和蛋白酶降解，剪切蛋白质的中间部分，才转变为活性分子。在真核细胞的细胞基质中，这种识别并降解错误折叠或不稳定蛋白质的机制，即泛素-蛋白酶体介导途径（ubiquitin-proteasome-mediatedpathway，UPP）调控着如细胞周期进展、信号转导、细胞死亡、免疫反应、细胞代谢、发育、蛋白质质量监控、氧化应激反应、基因表达的调控和DNA修复等几乎所有的细胞内基本的生命活动。A.Ciechanover、A.Hershko和IL.Rose三位科学家因发现“蛋白质酶解在细胞中的重要性和泛素在酶解途径的作用”而获得2004年诺贝尔化学奖。临床聚焦3-1泛素-蛋白酶体途径与疾病泛素一蛋白酶体介导途径（UPP）的异常与诸多疾病，如遗传性疾病（原发性纤毛运动障碍是由于基因突变导致蛋白质不稳定，诱发蛋白酶体降解DNAIB13蛋白，DNAIB13对鞭毛和精子尾部轴丝的形成和功能发挥重要的调控功能）炎症、神经退行性疾病（如帕金森病）自身免疫病及肿孵（宫颈癌、肠癌、前列腺癌、乳腺癌、原发性肾癌）等有密切关系。在许多风湿性疾病（系统性红斑狼疮、多发性肌炎、皮肌突、干燥综合征、硬皮病、类风湿关节炎等），血清中蛋白酶体的浓度明显升高。一些抑癌基因P53和P27的表达已经证实是由泛素介导而降解的。在某些肿瘤中，P53经泛素化降解增加。蛋白酶体抑制剂在多种疾病治疗中具有明显作用，已对肿瘤、脑梗死和风湿性44医学细胞--正文.indd2018-5-1817:31:
www.hep.com.cn 44 第三章 细胞基质与疾病 白质进出的通路。核心颗粒两端相连的 19S 调节颗粒内含多个 ATP 酶活性位点和泛素结 合位点，正是这种结构识别多聚化的泛素蛋白并将它们转移至催化核心。在真核生物中， 蛋白酶体位于细胞核和细胞质中。一个典型的哺乳动物细胞内大约有 30 000 个蛋白酶体。 蛋白酶体的主要功能是通过蛋白质水解，降解细胞不再需要的或受到损伤的蛋白 质，蛋白酶体是细胞用来调控特定蛋白质浓度、除去错误折叠蛋白质的一种主要机制。 经蛋白酶体的降解后产生的 3～15 个氨基酸长度的肽段，被进一步降解为单个氨基酸， 可用于合成新的蛋白质。蛋白酶体对蛋白质的降解包括泛素化和降解两个阶段。 1）蛋白质的泛素化：需要被降解的蛋白质会先被一个称为泛素（ubiquitin）的小型 蛋白质所标记。一旦一个蛋白质被标记上一个泛素分子，就会引发其他连接酶加上更多 的泛素分子，这一标记反应是被泛素连接酶所催化。泛素标记是降解蛋白质的信号，至 少 3 种泛素连接酶参与此过程，如 E1（泛素激活）、E2（泛素交联）和 E3（泛素连接）， 最终导致蛋白质的多聚泛素化，以此为信号指引靶蛋白到蛋白酶体降解（图 3-1B）。这 就形成了可以与蛋白酶体结合的“多泛素链”，从而将蛋白酶体带到这一标记的蛋白质 上，开始其降解过程。 2）蛋白酶体对泛素化蛋白的识别与降解：在靶蛋白被蛋白酶体识别之前，至少必 须被标记上 4 个泛素单体分子。泛素化的靶蛋白被蛋白酶体帽（19S 调节颗粒）识别， 并利用 ATP 水解提供的能量驱动泛素分子的切除和靶蛋白解折叠，去折叠的蛋白质转移 至蛋白酶体 20S 核心颗粒腔内被降解。 蛋白酶体通常生成非常短的降解片段，但在一些情况下，这些降解产物自身是具有 生物学活性的功能分子。特定的转录因子，包括哺乳动物的 NF-κB 复合物中的一个组 分，合成后以无活性的前体分子存在，在经过泛素化和蛋白酶降解，剪切蛋白质的中间 部分，才转变为活性分子。 在真核细胞的细胞基质中，这种识别并降解错误折叠或不稳定蛋白质的机制，即 泛素 - 蛋白酶体介导途径（ubiquitin-proteasome-mediated pathway，UPP）调控着如细 胞周期进展、信号转导、细胞死亡、免疫反应、细胞代谢、发育、蛋白质质量监控、 氧化应激反应、基因表达的调控和 DNA 修复等几乎所有的细胞内基本的生命活动。 A.Ciechanover、A.Hershko 和 I.Rose 三位科学家因发现“蛋白质酶解在细胞中的重要性和 泛素在酶解途径的作用”而获得 2004 年诺贝尔化学奖。 临床聚焦 3-1 泛素 - 蛋白酶体途径与疾病 泛素 - 蛋白酶体介导途径（UPP）的异常与诸多疾病，如遗传性疾病（原发性 纤毛运动障碍是由于基因突变导致蛋白质不稳定，诱发蛋白酶体降解 DNAJB13 蛋 白，DNAJB13 对鞭毛和精子尾部轴丝的形成和功能发挥重要的调控功能）、炎症、 神经退行性疾病（如帕金森病）、自身免疫病及肿瘤（宫颈癌、肠癌、前列腺癌、 乳腺癌、原发性肾癌）等有密切关系。在许多风湿性疾病（系统性红斑狼疮、多 发性肌炎、皮肌炎、干燥综合征、硬皮病、类风湿关节炎等），血清中蛋白酶体的 浓度明显升高。一些抑癌基因 P53 和 P27 的表达已经证实是由泛素介导而降解的。 在某些肿瘤中，P53 经泛素化降解增加。 蛋白酶体抑制剂在多种疾病治疗中具有明显作用，已对肿瘤、脑梗死和风湿性 医学细胞-正文.indd 44 2018-5-18 17:31:12