細胞質

細胞質の大部分は 水で、典型的な細胞の総体積の約 70% を占めています。^{[ 15 ]}細胞内液の pH は 7.4 です。[ 16 ^]一方、マウス細胞の細胞質pH は7.0 ～ 7.4 の範囲で、細胞が成長している場合は通常より高くなります。^{[ 17 ]}細胞質の粘度は純水とほぼ同じですが、この液体中の小分子の拡散は純水よりも約 4 倍遅く、これは主に細胞質内の多数の高分子との衝突によるものです。^{[ 18 ]}ブラインシュリンプの研究では、水が細胞機能にどのように影響するかを調べています。これらの研究では、細胞内の水分量が 20% 減少すると代謝が阻害され、細胞が乾燥するにつれて代謝が徐々に低下し、水分量が正常値の 70% 下に達するとすべての代謝活動が停止することがわかっています。^{[ 5 ]}

水は生命にとって不可欠であるが、細胞質内の水の構造はよく理解されていない。これは主に、核磁気共鳴分光法などの方法では水の平均構造に関する情報しか得られず、微視的なスケールでの局所的な変化を測定できないためである。水が水素結合を介して水クラスターなどの構造を形成する能力があるため、純水の構造さえよく理解されていない。^{[ 19 ]}

細胞内の水に関する古典的な見解では、この水の約 5% は溶質または高分子によって溶媒和水として強く結合しており、大部分は純水と同じ構造をしている。^{[ 5 ]}この溶媒和水は浸透には関与せず、異なる溶媒特性を持つ可能性があるため、溶解した分子の一部は排除され、他の分子は濃縮される。^{[ 20 ] [ 21 ]}しかし、細胞内の高分子の高濃度の影響は細胞質全体に及び、細胞内の水は希薄溶液中の水とは非常に異なる挙動を示すと主張する人もいる。^{[ 22 ]}これらの考えには、細胞内に低密度および高密度の水の領域が存在し、それが細胞の他の部分の構造と機能に広範囲にわたる影響を与える可能性があるという提案が含まれる。^{[ 19 ] [ 23 ]}しかし、高度な核磁気共鳴法を用いて生細胞内の水の移動度を直接測定すると、この考えに反して、細胞水の 85% は純水のように振る舞い、残りは移動度が低く、おそらく高分子に結合していることが示唆される。^{[ 24 ]}

細胞質内の他のイオンの濃度は細胞外液中の濃度とは大きく異なり、細胞質内には細胞構造の外側よりもタンパク質や核酸などの荷電高分子がはるかに多く含まれている。

細胞外液とは対照的に、細胞質にはカリウムイオンが高濃度でナトリウムイオンが低濃度で存在します。^{[ 27 ]}このイオン濃度の差は浸透圧調節にとって重要です。なぜなら、細胞内外のイオン濃度が同じであれば、細胞内の高分子濃度が細胞外よりも高いため、水が浸透によって絶えず細胞内に入り込んでしまうからです。その代わりに、ナトリウムイオンは排出され、カリウムイオンはNa⁺/K⁺-ATPaseによって取り込まれます。カリウムイオンは濃度勾配に従ってカリウム選択性イオンチャネルを通って流れ、この正電荷の喪失によって負の膜電位が生じます。この電位差を均衡させるために、負の塩化物イオンも選択的塩化物チャネルを通って細胞外に排出されます。ナトリウムイオンと塩化物イオンの喪失は、細胞内の有機分子濃度が高いことによる浸透圧効果を補償します。^{[ 27 ]}

細胞は、細胞質にベタインやトレハロースなどの浸透圧保護物質を蓄積することで、さらに大きな浸透圧変化にも対応できます。 ^{[ 27 ]}これらの分子の中には、細胞が完全に乾燥しても生き残ることを可能にし、生物がクリプトビオシスと呼ばれる仮死状態に入ることを可能にするものもあります。^{[ 28 ]}この状態では、細胞質と浸透圧保護物質がガラス状の固体となり、タンパク質や細胞膜を乾燥による損傷から安定させるのに役立ちます。^{[ 29 ]}

細胞質内のカルシウム濃度が低いため、カルシウムイオンはカルシウムシグナル伝達においてセカンドメッセンジャーとして機能する。ここでは、ホルモンや活動電位などのシグナルによってカルシウムチャネルが開き、カルシウムが細胞質内に流入する。^{[ 30 ]}この細胞質カルシウムの急激な増加は、カルモジュリンやプロテインキナーゼCなどの他のシグナル伝達分子を活性化する。^{[ 31 ]}塩化物イオンやカリウムイオンなどの他のイオンも細胞質内でシグナル伝達機能を持つ可能性があるが、これらは十分に解明されていない。^{[ 32 ]}

細胞膜や細胞骨格に結合しないタンパク質分子は細胞質に溶解している。細胞内のタンパク質の量は非常に多く、200  mg/ml に近く、細胞質の体積の約 20〜30% を占めている。^{[ 1 ]}しかし、一部のタンパク質は細胞全体で膜や細胞小器官と弱く結合しており、細胞溶解時に溶液中に放出されるため、無傷の細胞で細胞質に溶解しているタンパク質の量を正確に測定することは難しい。^{[ 5 ]}実際、他の細胞膜を損傷することなく、サポニンを使用して細胞の形質膜を慎重に破壊する実験では、細胞タンパク質の約 4 分の 1 しか放出されなかった。これらの細胞は、ATP とアミノ酸を与えられるとタンパク質を合成することもできたため、細胞質内の酵素の多くが細胞骨格に結合していることが示唆される。^{[ 33 ]}しかし、細胞内のタンパク質の大部分がミクロトラベキュラー格子と呼ばれるネットワークにしっかりと結合しているという考えは、現在ではありそうもないと考えられている。^{[ 34 ]}

原核生物では、細胞質には核様体と呼ばれる構造の中に細胞のゲノムが含まれています。^{[ 35 ]}これは、細菌の染色体とプラスミドの転写と複製を制御する、 DNAと関連タンパク質の不規則な塊です。真核生物では、ゲノムは細胞核内に保持されており、核は直径約10ナノメートルより大きい分子の自由な拡散を遮断する核孔によって細胞質から隔てられています。 ^{[ 36 ]} 

細胞質内の高分子の高濃度は、高分子混雑と呼ばれる効果を引き起こします。これは、他の高分子が移動できる体積が少なくなるため、それらの有効濃度が増加する現象です。この混雑効果は、細胞質内の反応の速度と化学平衡の位置の両方に大きな変化をもたらす可能性があります。 ^{[ 1 ]}特に重要なのは、複数のタンパク質が集まってタンパク質複合体を形成する場合や、DNA結合タンパク質がゲノム内の標的に結合する場合など、高分子の会合を促進することで解離定数を変化させる能力です。^{[ 37 ]}

小さな分子は細胞質内で急速に拡散しますが、この区画内でも濃度勾配が生じる可能性があります。よく研究されている例として、開いているカルシウムチャネルの周囲の領域で短時間発生する「カルシウムスパーク」があります。^{[ 39 ]}これらは直径約2マイクロメートルで、数ミリ秒しか持続しませんが、複数のスパークが合体して「カルシウム波」と呼ばれるより大きな勾配を形成することがあります。^{[ 40 ]}酸素やアデノシン三リン酸などの他の小さな分子の濃度勾配も、ミトコンドリアのクラスターの周囲の細胞で発生する可能性がありますが、これらについてはあまりよく理解されていません。^{[ 41 ] [ 42 ]} 

タンパク質は会合してタンパク質複合体を形成することができ、これらはしばしば、同じ代謝経路の複数のステップを実行する酵素など、類似の機能を持つ一連のタンパク質を含んでいます。^{[ 43 ]}この組織化により基質チャネリングが可能になります。基質チャネリングとは、ある酵素の生成物が溶液中に放出されることなく、経路内の次の酵素に直接渡されることです。^{[ 44 ]}チャネリングにより、酵素が細胞質にランダムに分布している場合よりも経路が速く効率的になり、不安定な反応中間体の放出を防ぐこともできます。^{[ 45 ]}さまざまな代謝経路には、互いに強く結合した酵素が関与していますが、他の経路には、細胞外での研究が非常に困難な、より緩やかに結合した複合体が関与している場合があります。^{[ 46 ] [ 47 ]}その結果、これらの複合体が一般的に代謝にとってどれほど重要であるかは依然として不明です。

タンパク質複合体の中には、細胞質の残りの部分から隔離された大きな中心空洞を持つものがある。そのような閉鎖された区画の一例としてプロテアソームが挙げられる。^{[ 48 ]}ここでは、一連のサブユニットが中空の樽を形成し、その中に細胞質タンパク質を分解するプロテアーゼが含まれている。これらのタンパク質が細胞質の残りの部分と自由に混ざると有害となるため、樽は一連の調節タンパク質によって蓋がされており、これらのタンパク質は分解を指示するシグナル（ユビキチンタグ）を持つタンパク質を認識し、タンパク質分解空洞に送り込む。^{[ 49 ]}

タンパク質コンパートメントのもう 1 つの大きなクラスは、さまざまな酵素をカプセル化するタンパク質シェルでできた細菌マイクロコンパートメントです。 ^{[ 50 ]}これらのコンパートメントは通常、直径が約 100 ～ 200ナノメートルで、相互に連結したタンパク質でできています。^{[ 51 ]}よく理解されている例はカルボキシソームで、 RuBisCOなどの炭素固定に関与する酵素が含まれています。^{[ 52 ]}

膜に結合していない細胞小器官は、生体分子凝縮体として形成されることがあり、これは高分子の凝集、オリゴマー化、または重合によって生じ、細胞質または核のコロイド相分離を促進する。

細胞骨格は細胞質の一部ではありませんが、このフィラメントのネットワークの存在により、細胞内での大きな粒子の拡散が制限されます。たとえば、いくつかの研究では、約 25ナノメートル(リボソームの大きさ程度)より大きいトレーサー粒子^{[ 53 ]} は、細胞の縁や核の近くの細胞質の一部から排除されました。^{[ 54 ] [ 55 ]}これらの「排除区画」には、細胞質の残りの部分よりもはるかに密度の高いアクチン繊維の網目構造が含まれている可能性があります。これらのマイクロドメインは、リボソームやオルガネラなどの大きな構造を細胞質内の一部の領域から排除し、他の領域に集中させることによって、それらの分布に影響を与える可能性があります。^{[ 56 ]}