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本文聚焦细胞质的动态结构与理化性质，探讨了细胞质密度、电荷影响下的异质性、生物分子凝聚以及多聚核糖体结构转变等对细胞质功能的调控机制，揭示其在细胞代谢、应激响应中的关键作用，为深入理解细胞生理提供新视角。
引言
细胞质是细胞膜与包括细胞核在内的细胞器之间细胞活动发生的场所。细胞质的水相（胞质溶胶）中大分子密集堆积，其独特结构特性限制了生物分子和细胞器的被动扩散。不同生物和细胞类型中，翻译扩散率差异显著，如细菌约为 0.1 μm2/s，真菌约为 0.3 μm2/s ，癌细胞约为 0.2 - 0.6 μm2/s。过去几十年，人们对细胞质微观组织有诸多发现，包括大分子拥挤、生物分子凝聚、细胞骨架影响的主动动力学及其生理作用等。本文主要关注近三年在脊椎动物、酵母和细菌细胞中，细胞质动态结构、理化性质及其生理意义的研究进展，不涉及细胞骨架的作用。
细胞质密度：从渗透溶质到大分子尺度
细胞质中生物分子的密度是优化代谢和细胞功能的关键因素。小分子（如作为粘性剂和渗透溶质的物质）和大分子的密度共同调节细胞质粘度和排除体积，进而影响粒子扩散和反应速率。多数细胞质体积由中尺度（直径 10 - 100nm）粒子占据，大分子拥挤效应主导中尺度粒子动力学和组装。
细胞可通过调节小分子的生物合成和摄取来调整细胞质粘度，以优化代谢效率并适应环境变化。例如，酿酒酵母（S. cerevisiae）在急性高渗冲击下，能快速产生甘油恢复细胞体积和蛋白质扩散水平；在高温时合成糖原和海藻糖增加细胞内粘度，减缓因温度升高而加速的扩散驱动反应速率。当细胞进入休眠状态，胞质溶胶呈现固态或玻璃态性质，如休眠的裂殖酵母孢子因海藻糖积累，40nm 粒子扩散系数比营养丰富的营养细胞低 20 倍，海藻糖降解对打破休眠至关重要。
大分子（包括蛋白质和 RNA）的密度通过控制排除体积，调节细胞质中尺度扩散动力学。细胞内蛋白质浓度需维持在一定范围内以保证正常代谢，在增殖细胞中，细胞质质量密度随细胞大小变化极小。体外实验表明，蛋白质合成速率在生理浓度（1x）时最大，降解速率随浓度增加而线性上升，细胞通过平衡合成和降解速率维持蛋白质浓度稳态。
过度的细胞生长会导致细胞质稀释，可能引发衰老。如在芽殖酵母中，细胞周期在 G1 期受阻会使细胞增大，当细胞大小超过正常限度两倍时，RNA 和蛋白质合成速率无法相应增加，导致其密度降低。此外，核糖体数量减少会使细胞质流动性增加，而细胞增大时细胞质去拥挤化可能诱导环境应激反应，但两者因果关系尚待进一步研究。
细胞质内的异质结构和动力学：电荷问题？
大多数细胞大分子带负电荷，细胞通过调节反离子和渗透溶质的产生与运输来维持细胞质的电平衡。结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）可通过调节蛋白质组的表面电荷和组成适应极端环境。由于细胞质独特的静电环境，大分子根据表面电荷表现出不同行为和分布。蛋白质间相互作用不仅依赖平移扩散，还与布朗表面旋转扩散有关，表面电荷亲和力为表面扩散时的局部搜索提供基础。
近年来研究发现，细胞质内扩散系数在时空上存在异质性。在单个裂殖酵母细胞中，40nm 纳米颗粒的平均短期扩散率在细胞间差异超十倍，细胞内差异超百倍。细菌中，较大的大分子如核糖体和多聚核糖体在细胞周边富集，而类核（位于细胞中心的染色质样网络结构）排斥大的大分子。带电的细胞质粒子会根据电荷定位，如带正电的粒子倾向于聚集在带负电的核糖体周围，带负电的粒子则与带正电的实体聚集。当细胞处于能量耗尽或酸性环境中，部分细胞质蛋白池在低 pH 下会带正电，导致细胞质变得像玻璃一样。此外，pH 还能调节转录因子中组氨酸残基的质子化状态，从而控制基因表达。
广泛且多样的凝聚
细胞质中无膜生物分子凝聚体的组装连接了纳米尺度和中尺度，纳米级分子组织成直径从几十到几千纳米的高阶结构。细胞质凝聚体的形成响应生化信号或热力学变化，具有多种生理和病理作用。过去受光学显微镜衍射极限限制，对凝聚体的研究多集中在较大（约 1μm）结构，近期对非洲爪蟾（Xenopus）卵细胞质提取物的实验表明，凝聚体主要在 100nm 尺度。细胞质稀释时，凝聚体尺寸减小但不完全溶解，说明其具有部分固体性质。蛋白质组学分析预测，至少 18% 的细胞蛋白质组和超过一半的胞质蛋白质组（不包括膜结合细胞器）可能形成凝聚体，这表明凝聚体组装受细胞质物理性质和信号提示的强烈影响。
细胞质生物分子凝聚体不仅在生理条件下形成，温度、渗透压和 pH 的变化也能诱导其形成。在某些情况下，可逆凝聚体的形成介导了应激适应信号。如细胞通过大分子凝聚缓冲细胞质中的自由水势，在渗透压或温度应激下快速提供可用水。在酵母和人类细胞中，凝聚体的形成和溶解能释放或隔离自由水，缓冲细胞质免受热或渗透压干扰。此外，内在无序蛋白在细胞内水的组织中起关键作用，分子凝聚还参与了芽殖酵母的热休克反应，且该反应在进化上保守。
细胞代谢通过多聚核糖体结构转换使细胞质流体化
细胞质可通过代谢过程实现流体化，ATP 的存在和丰度是代谢依赖性流体化的关键决定因素。由于约三分之二的细胞 ATP 用于 mRNA 翻译，翻译过程对 ATP 可用性敏感。理论研究发现，核糖体在 mRNA 链上的附着和脱离动态变化会显著影响细胞质中尺度示踪剂的扩散率，这种影响源于粒子间的排斥性非结合相互作用。但由于 ATP 在蛋白质聚集时会被消耗，目前尚不清楚是代谢还是聚集主导了受 ATP 影响的中尺度动力学。
在 ATP 耗尽或环境应激下，细胞会变得僵硬，但过度拥挤会阻碍凝聚体生长。酵母细胞在各种应激条件下，细胞质中中间尺度扩散率会短暂增加，应激诱导的翻译抑制会使多聚核糖体中核糖体比例迅速降低，释放的 mRNA 会凝聚成加工小体或应激颗粒，抑制凝聚体形成会阻止细胞质的短暂流体化。在人类细胞中也观察到类似现象，表明这种反应可能在物种间保守。
展望
本文讨论的细胞质内各种结构的动态力学，突出了对细胞质粘度精细的时空调控。尽管针对特定细胞现象和感兴趣尺度的研究方法不断发展，但对不同细胞类型和生物间变化的广泛研究仍有限，需要标准化测量以进行更全面的比较。同时，开发计算模型有助于阐明细胞质动态物理性质的物理因果关系及其后续影响，随着桌面计算能力的提升和开源模拟软件的出现，为研究人员提供了便利。
结论
细胞质具有比以往认知更复杂的结构，且这种结构在时空上是动态的。蛋白质和蛋白质复合物的形状、电荷以及 RNA 可导致细胞质分区化。细胞通过调节粘性剂或凝聚体应对拥挤变化，这些机制可能是为了减少细胞内的异质性。细胞质的性质在不同生物中似乎越来越具有保守性，这可能是由于蛋白质间物理相互作用（主要是空间位阻和静电相互作用）的进化限制，以确保细胞质有足够的流动性使生化反应快速进行。
