高等教育出版社：《医学细胞生物与遗传学》课程教学资源（电子教材）第三章 细胞基质与疾病

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

第二节细胞基质中的蛋白质合成与分子病疾病等进行了以UPP为治疗靶点的研究。蛋白酶体抑制剂对NF-KB的靶向作用，决定了它不但可以单独用于抗肿瘤治疗，而且可以与其他的化学治疗药物联合应用。UPP在不同的细胞功能中引起不同的反应，因此对它的进一步研究会有助于对多种疾病发病机制思路的拓展和临床治疗。第二节细胞基质中的蛋白质合成与分子病一、细胞基质中的蛋白质合成细胞基质是细胞所需蛋白质的合成场所。游离在细胞质基质中的核糖体合成了细胞质内的蛋白质、细胞核内的蛋白质及线粒体、叶绿体和过氧化物酶体内的蛋白质。而内质网、高尔基体、溶酶体及分泌蛋白等的合成也起始于细胞基质中的游离核糖体，与前者不同的是，在翻译出信号序列后，该核糖体以及所结合的mRNA、新生多肽将共同转运至内质网膜上继续合成。（一）核糖体的生物发生真核细胞核糖体的合成非常复杂，约80种核糖体蛋白质是在细胞基质中合成的，通过核孔进人细胞核内。在核仁部位rDNA转录出45SrRNA，是rRNA的前体分子，通过加工，经酶裂解成18S、5.8S和28SrRNA。5SrRNA是由核仁外的染色体合成的。合成后的5SrRNA和80种左右的核糖体蛋白质从核仁外进入核仁内，在核仁中装配成核糖体的大、小亚基，然后，大、小亚基再通过核孔进入细胞质中，蛋白质合成起始阶段，大、小亚基结合组装成完整的核糖体。（二）核糖体的功能核糖体与医学有那些关系？核糖体是蛋白质合成的场所，但核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而是由多个甚至几十个核糖体串联在一条mRNA分子上高效地进行肽链的合成。这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为多（聚）核糖体（polyribosome或polysome）。每种多聚核糖体所包含的核糖体数量是由mRNA的长度来决定的，也就是说，mRNA越长，合成的多肽相对分子质量越大，核糖体的数目也越多。当进行蛋白质合成时，大、小亚基必须结合在一起，成为完整的核糖体才能发挥作用，当合成结束时，大、小亚基随即分离。在活细胞中，核糖体的大、小亚基与单体及多聚核糖体是处于动态平衡之中。蛋白质合成或称蛋白质翻译是细胞中最复杂、最精确的生命活动之一，需要各种携带氨基酸的tRNA、核糖体、mRNA、多种蛋白质因子、阳离子及GTP等的参与。原核细胞蛋白质合成最为清楚，以原核细胞为例，蛋白质合成包括肽链的起始、肽链的延伸和肽链的终止3个主要阶段（详见生物化学课程）。二、结构蛋白异常与分子病游离在细胞基质中的核糖体合成了细胞质内的蛋白质、细胞核内的蛋白质、线粒体及过氧化物酶体内的蛋白质。45医学细胞-正文indd42018-5-18 17:31:12

www.hep.com.cn 45 第二节  细胞基质中的蛋白质合成与分子病 疾病等进行了以 UPP 为治疗靶点的研究。蛋白酶体抑制剂对 NF-κB 的靶向作用， 决定了它不但可以单独用于抗肿瘤治疗，而且可以与其他的化学治疗药物联合应 用。UPP 在不同的细胞功能中引起不同的反应，因此对它的进一步研究会有助于对 多种疾病发病机制思路的拓展和临床治疗。 第二节  细胞基质中的蛋白质合成与分子病 一、细胞基质中的蛋白质合成 细胞基质是细胞所需蛋白质的合成场所。游离在细胞质基质中的核糖体合成了细胞 质内的蛋白质、细胞核内的蛋白质及线粒体、叶绿体和过氧化物酶体内的蛋白质。而内 质网、高尔基体、溶酶体及分泌蛋白等的合成也起始于细胞基质中的游离核糖体，与前 者不同的是，在翻译出信号序列后，该核糖体以及所结合的 mRNA、新生多肽将共同转 运至内质网膜上继续合成。 （一）核糖体的生物发生 真核细胞核糖体的合成非常复杂，约 80 种核糖体蛋白质是在细胞基质中合成的， 通过核孔进入细胞核内。在核仁部位 rDNA 转录出 45S rRNA，是 rRNA 的前体分子，通 过加工，经酶裂解成 18S、5.8S 和 28S rRNA。5S rRNA 是由核仁外的染色体合成的。合 成后的 5S rRNA 和 80 种左右的核糖体蛋白质从核仁外进入核仁内，在核仁中装配成核 糖体的大、小亚基，然后，大、小亚基再通过核孔进入细胞质中，蛋白质合成起始阶 段，大、小亚基结合组装成完整的核糖体。 （二）核糖体的功能 核糖体是蛋白质合成的场所，但核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而 是由多个甚至几十个核糖体串联在一条 mRNA 分子上高效地进行肽链的合成。这种具 有特殊功能与形态结构的核糖体与 mRNA 的聚合体称为多（聚）核糖体（polyribosome 或 polysome）。每种多聚核糖体所包含的核糖体数量是由 mRNA 的长度来决定的，也就是说， mRNA 越长，合成的多肽相对分子质量越大，核糖体的数目也越多。 当进行蛋白质合成时，大、小亚基必须结合在一起，成为完整的核糖体才能发挥作 用，当合成结束时，大、小亚基随即分离。在活细胞中，核糖体的大、小亚基与单体及 多聚核糖体是处于动态平衡之中。 蛋白质合成或称蛋白质翻译是细胞中最复杂、最精确的生命活动之一，需要各种携 带氨基酸的 tRNA、核糖体、mRNA、多种蛋白质因子、阳离子及 GTP 等的参与。原核 细胞蛋白质合成最为清楚，以原核细胞为例，蛋白质合成包括肽链的起始、肽链的延伸 和肽链的终止 3 个主要阶段（详见生物化学课程）。 二、结构蛋白异常与分子病 游离在细胞基质中的核糖体合成了细胞质内的蛋白质、细胞核内的蛋白质、线粒体 及过氧化物酶体内的蛋白质。 核糖体与医学有那些关系？ 医学细胞-正文.indd 45 2018-5-18 17:31:12

第三章细胞基质与疾病分子病（moleculardisease）是指由于基因突变导致蛋白质分子的结构和数量的异常所引起的疾病。分子病的种类很多，迄今为止对分子病尚无统一的分类方法，根据各种蛋白质的功能可将分子病大致分为以下儿类：血红蛋白病、血浆蛋白病、受体病、膜蛋白病、胶原蛋白病等。细胞基质中合成的结构蛋白异常引起的分子病主要有：（一）血红蛋白病血红蛋白病是指由于血红蛋白结构异常或合成速率异常而引起的疾病。如镰状细胞贫血和α-珠蛋白生成障碍性贫血等。1.正常血红蛋白的分子结构和发育演变（1）血红蛋白的分子结构：血红蛋白（hemoglobin，Hb）分子是由4个亚单位构成的4聚体，每一个亚单位由一条珠蛋白肽链和一个血红素辅基构成。构成血红蛋白的珠蛋白肽链有7种：α、β、、Ay、8、c、C。绝大多数血红蛋白都是由一对α链和一对非α链组成，共形成6类血红蛋白，包括：胚胎期的HbGower1、HbGower2、HbPortland，胎儿期的HbF和成人期的HbA（α,β2）、HbA2（α,o,）。血红蛋白α链由141个氨基酸组成、非α链（β、链和8链）由146个氨基酸组成。C链相当于原始的α链，链相当于原始的β链。（2）血红蛋白分子的发育演变：在人体不同发育阶段，上述6种血红蛋白先后出现，并且有规律地相互更替。胚胎发育早期首先合成链和ε链，大约同时或稍后开始合成α链和链。这些肽链可组成4种胚胎血红蛋白：HbGower1（C2e）、HbGower2（azz）、HhPortland（G2Y2）和胎儿血红蛋白HbF（a2Y2)。HbF是胎儿时期的主要血红蛋白。到胚胎发育第8周，链和ε链逐渐消失，链合成达最高峰，而且开始合成β链，36周以后β链合成速率迅速增高，链合成速率降低。出生后不久大致合成等量的β链和链，生3个月后β链合成迅速增高，链合成迅速降低。开始合成8链的确切时间还不知道。2.珠蛋白基因的结构及表达人类珠蛋白基因分为两类：一类是α-珠蛋白基因簇，包括和α基因；另一类是β-珠蛋白基因簇，包括c、（和）、β和8基因。①aα-珠蛋白基因簇：位于16p13.33-p13.11，每条16号染色体上有2个α-珠蛋白基因（HBA1，HBA2），1个基因以及2个假基因（中C和中α1)。排列顺序是5'--中-α1-a2-α1-3；②β珠蛋白基因簇：位于11p15.5，排列顺序为5'-s-c-4-β-8-β-3。ε为胚胎型基因，、为胎儿型基因，、β为成年型基因。各基因都含有三个外显子和两个内含子。3.血红蛋白病的分子基础血红蛋白病是由于血红蛋白基因的DNA碱基发生变化从而导致珠蛋白的结构发生变异。血红蛋白病产生的原因，从分子水平上可归纳为以下几种情况：点突变导致单个氨基酸替代、mRNA前体拼接加工障碍，形成终止密码导致肽链缩短，使终止密码变成有义密码导致肽链延长，形成启动子突变型影响转录，移码突变、密码子缺失或插入、整个基因缺失、融合突变。4.常见血红蛋白病主要包括异常血红蛋白病和珠蛋白生成障碍性贫血两大类。（1）异常血红蛋白病：异常血红蛋白是一类由于珠蛋白基因突变而导致的珠蛋白肽链结构异常。异常的珠蛋白肽链可以是α链，也可以是β、8、链等；可以是单个氨基酸替代，也可以是氨基酸的缺失或肽链的延长等。截止2017年3月17日，OMIM记载的HBA1、HBA2、HBB、HBD、HBGI和HBG2基因变异体分别有220、74、537、46、46医学细胞-正文.indd2018-5-1817:31

www.hep.com.cn 46 第三章  细胞基质与疾病 分子病（molecular disease）是指由于基因突变导致蛋白质分子的结构和数量的异常 所引起的疾病。分子病的种类很多，迄今为止对分子病尚无统一的分类方法，根据各种 蛋白质的功能可将分子病大致分为以下几类：血红蛋白病、血浆蛋白病、受体病、膜蛋 白病、胶原蛋白病等。细胞基质中合成的结构蛋白异常引起的分子病主要有： （一）血红蛋白病 血红蛋白病是指由于血红蛋白结构异常或合成速率异常而引起的疾病。如镰状细胞 贫血和 α- 珠蛋白生成障碍性贫血等。 1.  正常血红蛋白的分子结构和发育演变 （1）血红蛋白的分子结构：血红蛋白（hemoglobin，Hb）分子是由 4 个亚单位构成 的 4 聚体，每一个亚单位由一条珠蛋白肽链和一个血红素辅基构成。构成血红蛋白的 珠蛋白肽链有 7 种：α、β、G γ、A γ、δ、ε、ζ。绝大多数血红蛋白都是由一对 α 链和一 对非 α 链组成，共形成 6 类血红蛋白，包括：胚胎期的 Hb Gower 1、Hb Gower 2、Hb Portland，胎儿期的 HbF 和成人期的 HbA（α2β2）、HbA2（α2δ2）。血红蛋白 α 链由 141 个 氨基酸组成，非 α 链（β、γ 链和 δ 链）由 146 个氨基酸组成。ζ 链相当于原始的 α 链，ε 链相当于原始的 β 链。 （2）血红蛋白分子的发育演变：在人体不同发育阶段，上述 6 种血红蛋白先后出 现，并且有规律地相互更替。胚胎发育早期首先合成 ζ 链和 ε 链，大约同时或稍后开始 合成 α 链和 γ 链。这些肽链可组成 4 种胚胎血红蛋白：Hb Gower 1（ζ2ε2）、Hb Gower 2 （α2ε2）、Hb Portland（ζ2γ2）和胎儿血红蛋白 HbF（α2γ2）。HbF 是胎儿时期的主要血红 蛋白。到胚胎发育第 8 周，ζ 链和 ε 链逐渐消失，γ 链合成达最高峰，而且开始合成 β 链，36 周以后 β 链合成速率迅速增高，γ 链合成速率降低。出生后不久大致合成等量的 β 链和 γ 链，生 3 个月后 β 链合成迅速增高，γ 链合成迅速降低。开始合成 δ 链的确切 时间还不知道。 2.  珠蛋白基因的结构及表达 人类珠蛋白基因分为两类：一类是 α- 珠蛋白基因 簇，包括 ζ 和 α 基因；另一类是 β- 珠蛋白基因簇，包括 ε、γ（A γ 和 G γ）、β 和 δ 基因。 ① α- 珠蛋白基因簇：位于 16p13.33-p13.11，每条 16 号染色体上有 2 个 α- 珠蛋白基 因（HBA1，HBA2），1 个 ζ 基因以及 2 个假基因（ψζ 和 ψα1）。排列顺序是 5′-ζ-ψζ- ψα1-α2-α1-3′；② β 珠蛋白基因簇：位于 11p15.5，排列顺序为 5′-ε-G γ-A γ-ψβ-δ-β-3′。 ε 为胚胎型基因，G γ、A γ 为胎儿型基因，δ、β 为成年型基因。各基因都含有三个外显子 和两个内含子。 3.  血红蛋白病的分子基础 血红蛋白病是由于血红蛋白基因的 DNA 碱基发生变化， 从而导致珠蛋白的结构发生变异。血红蛋白病产生的原因，从分子水平上可归纳为以下 几种情况：点突变导致单个氨基酸替代、mRNA 前体拼接加工障碍，形成终止密码导致 肽链缩短，使终止密码变成有义密码导致肽链延长，形成启动子突变型影响转录，移码 突变、密码子缺失或插入、整个基因缺失、融合突变。 4.  常见血红蛋白病 主要包括异常血红蛋白病和珠蛋白生成障碍性贫血两大类。 （1）异常血红蛋白病：异常血红蛋白是一类由于珠蛋白基因突变而导致的珠蛋白肽 链结构异常。异常的珠蛋白肽链可以是 α 链，也可以是 β、δ、γ 链等；可以是单个氨基 酸替代，也可以是氨基酸的缺失或肽链的延长等。截止 2017 年 3 月 17 日，OMIM 记载 的 HBA1、HBA2、HBB、HBD、HBG1 和 HBG2 基因变异体分别有 220、74、537、46、 医学细胞-正文.indd 46 2018-5-18 17:31:12

第二节细胞基质中的蛋白质合成与分子病37和52种，共计有966种突变基因变异体，在我国已发现近200种。在已发现的结构异常血红蛋白中，仅约40%表现出一定的功能障碍。异常血红蛋白有临床表现者才称为异常血红蛋白病（或综合征）。下面简略介绍几种主要的血红蛋白病。1）镰状细胞贫血：又称HbS病（0MIM603903）是最早阐明发病机制的分子病，该病为常染色体隐性AR遗传，是由于HBB基因第6个密码子有GAG突变为GTG（0MIM141900.0243）单个碱基A一→T点突变使B基因的mRNA第6位密码子突变（GAG→GUG），β链第6位谷氨酸被缬氨酸取代，成为HbS，导致电荷改变，在脱氧情况下HbS聚合，使红细胞镰变。纯合子症状严重，可产生血管阻塞危象，阻塞部位不同可引起不同部位的异常反应，如腹部疼痛、脑血栓等，另有严重溶血性贫血和脾大等症状。杂合子一般不表现临床症状，但在氧分压低的情况下可引起红细胞镰变，称为镰状细胞性状。2）不稳定血红蛋白：为不完全显性遗传，已发现的不稳定血红蛋白在80种以上，由于珠蛋白基因突变（氨基酸发生替代或缺失），损伤了肽链的立体结构，使其与血红素的结合能力减弱，形成不稳定的异常血红蛋白，易氧化并在红细胞内聚集沉淀，形成变性珠蛋白体（Heinz小体），并黏附于红细胞膜上，使膜的阳离子通透性增加；红细胞变形性降低，易被脾破坏，导致血管内外溶血，引起溶血性贫血。代表疾病为HbBristol，其形成原因为β链第67位氨酸被天冬氨酸取代，其临床症状主要为先天性溶血性贫血、黄疽和脾大。（2）珠蛋白生成障碍性贫血：文称地中海贫血（OMIM187550）是由于珠蛋白基因的缺失或缺陷，使某种珠蛋白肽链的合成受到抑制所引起的一组遗传性溶血性贫血。根据受影响的珠蛋白的不同，主要有α-珠蛋白生成障碍性贫血（OMIM141800）和β-珠蛋白生成障碍性贫血（OMIM141900）。）1）α-珠蛋白生成障碍性贫血：主要是由于α-珠蛋白基因的缺失，使α-珠蛋白肽链合成受到抑制而引起的溶血性贫血。如果在1条16号染色体上的2个α基因都缺失，称为α-珠蛋白生成障碍性贫血1（简称α-Thal1或α-地1：如果只有1个α基因缺失，称为α-珠蛋白生成障碍性贫血2（简称α-Thal2或α-地2）。临床上根据α基因缺失的数目不同，可分为4型。①HbBart胎儿水肿综合征：4个α基因全部缺失，胎儿α链完全不能合成，导致链聚合成4。Y4对氧的亲和力高，造成组织缺氧，故胎儿在子宫内常因发生严重水肿而死亡。据广西北族自治区人民医院报道，该院妇产科围生期死亡胎儿总数的26.35%是HbBart。②HbH病：4个α基因中有3个缺失，只有少量α链合成，β链相对过剩而自行聚合成β4，即HbH。HbH具有较高的氧亲和力，使组织供氧不足。另外HbH不稳定，容易解聚沉淀而破坏红细胞，导致轻度至中度贫血。③轻型（标准型）：4个α基因中有2个基因缺失，本型临床症状较轻。④静止型：4个α基因中只有1个基因缺失，本型无症状。2）β-珠蛋白生成障碍性贫血：大多数β-珠蛋白生成障碍性贫血的β链珠蛋白的合成不足不是因为β基因的缺失，而是β链合成受阻，导致β链减少或缺乏。β-珠蛋白生成障碍性贫血在临床上可分为4型。①重型：β链几乎不能合成或合成量很少，过剩的α链沉积在红细胞内膜上使膜的通透性改变，引起溶血。患者HbF升高，可达50%~90%。HbA也升高。一般在出生后1年内天折；②轻型：患者能合成一定量的β47医学细胞--正文.indd42018-5-18 17:31:

www.hep.com.cn 47 第二节  细胞基质中的蛋白质合成与分子病 37 和 52 种，共计有 966 种突变基因变异体，在我国已发现近 200 种。 在已发现的结构异常血红蛋白中，仅约 40％表现出一定的功能障碍。异常血红蛋 白有临床表现者才称为异常血红蛋白病（或综合征）。下面简略介绍几种主要的血红蛋 白病。 1）镰状细胞贫血：又称 HbS 病（OMIM 603903），是最早阐明发病机制的分子 病，该病为常染色体隐性 AR 遗传，是由于 HBB 基因第 6 个密码子有 GAG 突变为 GTG （OMIM 141900.0243）， 单 个 碱 基 A → T 点 突 变 使 β 基 因 的 mRNA 第 6 位 密 码 子 突 变 （GAG → GUG），β 链第 6 位谷氨酸被缬氨酸取代，成为 HbS，导致电荷改变，在脱氧情 况下 HbS 聚合，使红细胞镰变。纯合子症状严重，可产生血管阻塞危象，阻塞部位不同 可引起不同部位的异常反应，如腹部疼痛、脑血栓等，另有严重溶血性贫血和脾大等症 状。杂合子一般不表现临床症状，但在氧分压低的情况下可引起红细胞镰变，称为镰状 细胞性状。 2）不稳定血红蛋白：为不完全显性遗传，已发现的不稳定血红蛋白在 80 种以上， 由于珠蛋白基因突变（氨基酸发生替代或缺失），损伤了肽链的立体结构，使其与血红 素的结合能力减弱，形成不稳定的异常血红蛋白，易氧化并在红细胞内聚集沉淀，形 成变性珠蛋白体（Heinz 小体），并黏附于红细胞膜上，使膜的阳离子通透性增加；红 细胞变形性降低，易被脾破坏，导致血管内外溶血，引起溶血性贫血。代表疾病为 Hb Bristol，其形成原因为 β 链第 67 位缬氨酸被天冬氨酸取代，其临床症状主要为先天性溶 血性贫血、黄疸和脾大。 （2）珠蛋白生成障碍性贫血：又称地中海贫血（OMIM 187550），是由于珠蛋白基因 的缺失或缺陷，使某种珠蛋白肽链的合成受到抑制所引起的一组遗传性溶血性贫血。根 据受影响的珠蛋白的不同，主要有 α- 珠蛋白生成障碍性贫血（OMIM 141800）和 β- 珠 蛋白生成障碍性贫血（OMIM 141900）。 1）α- 珠蛋白生成障碍性贫血：主要是由于 α- 珠蛋白基因的缺失，使 α- 珠蛋白肽 链合成受到抑制而引起的溶血性贫血。如果在 l 条 16 号染色体上的 2 个 α 基因都缺失， 称为 α- 珠蛋白生成障碍性贫血 1（简称 α-Thal1 或 α- 地 1）；如果只有 1 个 α 基因缺 失，称为 α- 珠蛋白生成障碍性贫血 2（简称 α-Thal2 或 α- 地 2）。临床上根据 α 基因缺 失的数目不同，可分为 4 型。① Hb Bart 胎儿水肿综合征：4 个 α 基因全部缺失，胎儿 α 链完全不能合成，导致 γ 链聚合成 γ4。γ4 对氧的亲和力高，造成组织缺氧，故胎儿在子 宫内常因发生严重水肿而死亡。据广西北族自治区人民医院报道，该院妇产科围生期死 亡胎儿总数的 26.35％是 Hb Bart。② Hb H 病：4 个 α 基因中有 3 个缺失，只有少量 α 链 合成，β 链相对过剩而自行聚合成 β4，即 HbH。HbH 具有较高的氧亲和力，使组织供氧 不足。另外 HbH 不稳定，容易解聚沉淀而破坏红细胞，导致轻度至中度贫血。③轻型 （标准型）：4 个 α 基因中有 2 个基因缺失，本型临床症状较轻。④静止型：4 个 α 基因 中只有 1 个基因缺失，本型无症状。 2）β- 珠蛋白生成障碍性贫血：大多数 β- 珠蛋白生成障碍性贫血的 β 链珠蛋白的 合成不足不是因为 β 基因的缺失，而是 β 链合成受阻，导致 β 链减少或缺乏。β- 珠蛋 白生成障碍性贫血在临床上可分为 4 型。①重型：β 链几乎不能合成或合成量很少，过 剩的 α 链沉积在红细胞内膜上使膜的通透性改变，引起溶血。患者 HbF 升高，可达 50％～90％。HbA2 也升高。一般在出生后 1 年内夭折；②轻型：患者能合成一定量的 β 医学细胞-正文.indd 47 2018-5-18 17:31:12

第三章细胞基质与疾病链，有轻度贫血或无症状，HbA，增高，可达3.5%~8%。③中间型：症状介于重型和轻型之间。④遗传性胎儿血红蛋白持续增多症：患者HbF在成年后仍持续较高水平，无明显症状。（二）核纤层蛋白病核纤层蛋白（lamin）是在细胞基质中的游离核糖体上合成后，经核孔转运到细胞核内。由于基因突变使核纤层的结构发生异常，影响了特定转录调节蛋白的功能，并由此改变了相关基因的表达，引起核纤层蛋白病的发生。核纤层蛋白病（laminopathies）是由于编码核纤层蛋白或lamin相关蛋白的基因发生了突变引起的一类遗传性疾病。LMNA基因（OMIM150330）定位于1q21.2，编码核纤层蛋白（LMNA/C），由于mRNA的剪接不同而产生了2种类型的编码序列，即laminA和laminC。该基因突变与多种核纤层蛋白病有关，绝大多数该基因上的突变影响的是骨骼肌和心肌，这类疾病包括Emery-Dreifuss肌营养不良症2型（OMIM181350）和3型（OMIM616516）、扩张型心肌病1A型（OMIM115200）、Charcot-Marie-Tooth病2B1型（OMIM605588）、肢带型肌营养不良和早老症等12种遗传病，大多数表现为常染色体显性遗传。截止2017年3月17日，OMIM记载LMNA基因变异体有57种，大多为错义突变，5种内含子剪接点突变、3种无义突变、3种缺失突变和1种插突变。关于核纤层蛋白发生突变的致病机制有：①LMNA突变改变了细胞核的结构，对承受机械力的组织（如肌肉）产生影响，使其中的细胞死亡；②LMNA突变破坏了核纤层的结构，影响了特定转录调节蛋白的功能，并由此改变了相关基因的表达，从而对相关细胞产生危害。LMNA突变会改变emerin（核膜的重要组分，能够调节细胞核中的肌动蛋白）在细胞中的定位，并通过肌动蛋白调节，最终影响血清应答因子（SRF）的活化。而SRF控制着许多重要基因的表达。（三）细胞基质内的信号转导蛋白异常与疾病细胞基质内的信号转导蛋白包括：三联体G蛋白、小G蛋白、蛋白激酶A、蛋白激酶C、SH2结构域、腺苷酸环化酶（AC）、磷脂酶C、β联蛋白等。这里简要介绍由于基因突变导致G蛋白结构和数量异常引起的疾病。1.假性甲状旁腺功能减退G蛋白亚基（主要是α亚基）基因突变导致G蛋白功能减退或亢进（G蛋白病）。假性甲状旁腺功能减退（甲旁减）1A型（OMIM103580）的发病机制是由于编码Gsα的GNAS基因（OMIM139320）的8种缺失、5种错义突变2种剪接点突变，导致患者GsαmRNA比正常人降低50%，使甲状旁腺激素受体与腺苷酸环化酶（AC）之间信号转导脱耦联。该基因的缺失、无义突变和错义突变还可导致甲旁减IB型和1C型。2.心脏G蛋白异常与疾病G蛋白在心脏表达的亚型有 Gs、Gi/o、Gq/11、G12/13,参与心肌收缩力、心率、心律和心肌细胞生长的调节。心脏G蛋白结构和数量改变，会导致心肌肥大、心力衰竭、急性心肌缺血和心律失常等心脏疾病的发生。3.小G蛋白异常与肿瘤小G蛋白对一些原癌基因表达产物有着广泛的调节功能。ras蛋白主要参与细胞增殖和信号转导，rho蛋白对细胞骨架网络的构成发挥调节作用，rab蛋白则参与调控细胞内膜交通。人类30%以上的肿瘤与ras蛋白基因突变有关。48医学细胞.-正文.in2018-5-1817:31

www.hep.com.cn 48 第三章  细胞基质与疾病 链，有轻度贫血或无症状，HbA2 增高，可达 3.5％～8％。③中间型：症状介于重型和 轻型之间。④遗传性胎儿血红蛋白持续增多症：患者 HbF 在成年后仍持续较高水平，无 明显症状。 （二）核纤层蛋白病 核纤层蛋白（lamin）是在细胞基质中的游离核糖体上合成后，经核孔转运到细胞核 内。由于基因突变使核纤层的结构发生异常，影响了特定转录调节蛋白的功能，并由此 改变了相关基因的表达，引起核纤层蛋白病的发生。 核纤层蛋白病（laminopathies）是由于编码核纤层蛋白或 lamin 相关蛋白的基因发生 了突变引起的一类遗传性疾病。LMNA 基因（OMIM 150330）定位于 1q21.2，编码核纤 层蛋白（LMNA/C），由于 mRNA 的剪接不同而产生了 2 种类型的编码序列，即 lamin A 和 lamin C。该基因突变与多种核纤层蛋白病有关，绝大多数该基因上的突变影响的是骨 骼肌和心肌，这类疾病包括 Emery-Dreifuss 肌营养不良症 2 型（OMIM 181350）和 3 型 （OMIM 616516）、扩张型心肌病 1A 型（OMIM 115200）、Charcot-Marie-Tooth 病 2B1 型 （OMIM 605588）、肢带型肌营养不良和早老症等 12 种遗传病，大多数表现为常染色体显 性遗传。截止 2017 年 3 月 17 日，OMIM 记载 LMNA 基因变异体有 57 种，大多为错义 突变，5 种内含子剪接点突变、3 种无义突变、3 种缺失突变和 1 种插入突变。 关于核纤层蛋白发生突变的致病机制有：① LMNA 突变改变了细胞核的结构，对承 受机械力的组织（如肌肉）产生影响，使其中的细胞死亡；② LMNA 突变破坏了核纤层 的结构，影响了特定转录调节蛋白的功能，并由此改变了相关基因的表达，从而对相关 细胞产生危害。LMNA 突变会改变 emerin（核膜的重要组分，能够调节细胞核中的肌动 蛋白）在细胞中的定位，并通过肌动蛋白调节，最终影响血清应答因子（SRF）的活化。 而 SRF 控制着许多重要基因的表达。 （三）细胞基质内的信号转导蛋白异常与疾病 细胞基质内的信号转导蛋白包括：三联体 G 蛋白、小 G 蛋白、蛋白激酶 A、蛋白激 酶 C、SH2 结构域、腺苷酸环化酶（AC）、磷脂酶 C、β 联蛋白等。这里简要介绍由于基 因突变导致 G 蛋白结构和数量异常引起的疾病。 1.  假性甲状旁腺功能减退 G 蛋白亚基（主要是 α 亚基）基因突变导致 G 蛋白功 能减退或亢进（G 蛋白病）。假性甲状旁腺功能减退（甲旁减）1A 型（OMIM 103580） 的发病机制是由于编码 Gsα 的 GNAS 基因（OMIM 139320）的 8 种缺失、5 种错义突变、 2 种剪接点突变，导致患者 Gsα mRNA 比正常人降低 50%，使甲状旁腺激素受体与腺苷 酸环化酶（AC）之间信号转导脱耦联。该基因的缺失、无义突变和错义突变还可导致甲 旁减 1B 型和 1C 型。 2.  心脏 G 蛋白异常与疾病 G 蛋白在心脏表达的亚型有 Gs、Gi/o、Gq/11、G12/13， 参与心肌收缩力、心率、心律和心肌细胞生长的调节。心脏 G 蛋白结构和数量改变，会 导致心肌肥大、心力衰竭、急性心肌缺血和心律失常等心脏疾病的发生。 3.  小 G 蛋白异常与肿瘤 小 G 蛋白对一些原癌基因表达产物有着广泛的调节功 能。ras 蛋白主要参与细胞增殖和信号转导，rho 蛋白对细胞骨架网络的构成发挥调节 作用，rab 蛋白则参与调控细胞内膜交通。人类 30% 以上的肿瘤与 ras 蛋白基因突变 有关。 医学细胞-正文.indd 48 2018-5-18 17:31:12

第三节细胞基质中的物质代谢与先天性代谢病第三节细胞基质中的物质代谢与先天性代谢病细胞基质中含有与代谢反应相关的数千种酶类，由于基因突变导致酶蛋白结构或数量异常引起的疾病，称为先天性代谢缺陷（inbornerrorofmetabolism），也称为遗传性酶病。已发现的酶遗传性缺陷疾病有近400种，先天性代谢缺陷的遗传方式以AR遗传为多见，少数为X连锁隐性（XR）遗传和AD遗传。按照代谢途径阻断的发病机制不同，先天性代谢缺陷病可分为以下几类。①酶缺陷导致底物积累：如糖原累积病I型；②酶缺陷导致中间产物积累：如半乳糖血症：③酶缺陷导致代谢产物缺乏：如白化病；④酶缺陷导致旁路代谢开放而造成副产物积累：如苯丙酮尿症；③酶缺陷导致反馈抑制减弱：如Lesch-Nyhan综合征（自毁容貌综合征）；③酶活性升高导致产物生成增多：如痛风；②酶缺陷导致对药物的异常反应：如葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏（G6PD）；8酶缺陷导致与维生素（辅酶）相互作用受损：如甲基丙二酸尿症等。根据代谢底物类型的不同，可将先天性代谢缺陷分为以下几类：①糖代谢异常：如半乳糖血症；②氨基酸代谢异常：如苯丙酮尿症③脂质代谢异常：如神经鞘脂累积病；④嘌岭啶代谢异常：如痛风：③啉代谢异常：如急性间隙性啉病：③类固醇代谢病：如先天性肾上腺增生症：（维生素代谢异常：如遗传性维生素D依赖性伺楼病；③药物代谢异常：如G6PD；③有机酸代谢异常：如甲基丙二酸尿症和丙酸血症；尿素循环异常：如各型先天性高氨血症。本节简要介绍儿种由于基因突变导致细胞质中生化代谢紊乱引起的先天性代谢病。一、糖代谢紊乱与遗传病糖代谢病是由于糖类代谢过程中遗传性酶缺乏所引起的一类疾病。1.半乳糖血症是半乳糖代谢过程中酶遗传性缺乏所引起的一种先天性糖代谢病。半乳糖通过一系列酶促反应产生葡萄糖被组织利用（图3-2）。半乳糖血症可分为儿种类型。经典型半乳糖血症是由于患者半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶（GALT）缺乏，代谢反应的中断使半乳糖-1-磷酸、半乳糖在体内堆积，在肝中积聚可引起肝功能损害，甚至肝硬化；在脑中积聚引起智力障碍；在肾及半乳糖醇肠组织中积聚可导致氨基酸吸收障碍：血中半乳糖酸半乳糖水平升高可使葡萄糖释出减少而出现肠乳糖酶山半乳糖+葡萄糖乳糖低血糖症。半乳糖在醛糖还原酶的作用下转ATP.变为半乳糖醇，致使晶状体的渗透压改变，半乳糖激酶ADP使水分进入，影响晶状体代谢而致白内障。本病为AR遗传，临床症状的轻重主要决定半乳糖-1-磷酸于酶活性降低的程度，当该酶活性低于10%UDPG半乳糖-1-磷酸UDPGal-4-表异构酶时，可出现典型症状。该酶基因（GALT）UDPGal尿苷转移酶（OMIM606999）定位于9p13，截止2017年3月17日，OMIM记载的GALT基因变异体葡萄糖-1-磷酸有17种。图3-2体内半乳糖代谢途径图解49医学细胞--正文.indd2018-5-18 17:31:12

www.hep.com.cn 49 第三节  细胞基质中的物质代谢与先天性代谢病 第三节  细胞基质中的物质代谢与先天性代谢病 细胞基质中含有与代谢反应相关的数千种酶类，由于基因突变导致酶蛋白结构或数 量异常引起的疾病，称为先天性代谢缺陷（inborn error of metabolism），也称为遗传性酶 病。已发现的酶遗传性缺陷疾病有近 400 种，先天性代谢缺陷的遗传方式以 AR 遗传为 多见，少数为 X 连锁隐性（XR）遗传和 AD 遗传。 按照代谢途径阻断的发病机制不同，先天性代谢缺陷病可分为以下几类。①酶缺陷 导致底物积累：如糖原累积病Ⅰ型；②酶缺陷导致中间产物积累：如半乳糖血症；③酶 缺陷导致代谢产物缺乏：如白化病；④酶缺陷导致旁路代谢开放而造成副产物积累：如 苯丙酮尿症；⑤酶缺陷导致反馈抑制减弱：如 Lesch-Nyhan 综合征（自毁容貌综合征）； ⑥ 酶活性升高导致产物生成增多：如痛风；⑦酶缺陷导致对药物的异常反应：如葡萄 糖 -6- 磷酸脱氢酶缺乏（G6PD）；⑧酶缺陷导致与维生素（辅酶）相互作用受损：如甲 基丙二酸尿症等。 根据代谢底物类型的不同，可将先天性代谢缺陷分为以下几类：①糖代谢异常：如 半乳糖血症；②氨基酸代谢异常：如苯丙酮尿症；③脂质代谢异常：如神经鞘脂累积 病；④嘌呤嘧啶代谢异常：如痛风；⑤卟啉代谢异常：如急性间隙性卟啉病；⑥ 类固醇 代谢病：如先天性肾上腺增生症；⑦ 维生素代谢异常：如遗传性维生素 D 依赖性佝偻 病；⑧ 药物代谢异常：如 G6PD；⑨ 有机酸代谢异常：如甲基丙二酸尿症和丙酸血症； ⑩ 尿素循环异常：如各型先天性高氨血症。 本节简要介绍几种由于基因突变导致细胞质中生化代谢紊乱引起的先天性代谢病。 一、糖代谢紊乱与遗传病 糖代谢病是由于糖类代谢过程中遗传性酶缺乏所引起的一类疾病。 1.  半乳糖血症 是半乳糖代谢过程中酶遗传性缺乏所引起的一种先天性糖代谢病。 半乳糖通过一系列酶促反应产生葡萄糖被组织利用（图 3-2）。半乳糖血症可分为几种类 型。经典型半乳糖血症是由于患者半乳糖 -1- 磷酸尿苷转移酶（GALT）缺乏，代谢反 应的中断使半乳糖 -l- 磷酸、半乳糖在体内堆积，在肝中积聚可引起肝功能损害，甚至 肝硬化；在脑中积聚引起智力障碍；在肾及 肠组织中积聚可导致氨基酸吸收障碍；血中 半乳糖水平升高可使葡萄糖释出减少而出现 低血糖症。半乳糖在醛糖还原酶的作用下转 变为半乳糖醇，致使晶状体的渗透压改变， 使水分进入，影响晶状体代谢而致白内障。 本病为 AR 遗传，临床症状的轻重主要决定 于酶活性降低的程度，当该酶活性低于 10％ 时， 可 出 现 典 型 症 状。 该 酶 基 因（GALT） （OMIM 606999）定位于 9p13，截止 2017 年 3 月 17 日，OMIM 记载的 GALT 基因变异体 有 17 种。 图 3-2 体内半乳糖代谢途径图解 医学细胞-正文.indd 49 2018-5-18 17:31:12