Cytosol ( în engleză cytosol , provine din greacă κύτος - cell și engleză sol din latină solutio - soluție) - conținutul lichid al celulei . Cea mai mare parte a citosolului este ocupată de lichid intracelular. Citosolul este împărțit în compartimente printr-o varietate de membrane . La eucariote, citosolul este situat sub membrana plasmatică și face parte din citoplasmă , care, pe lângă citosol, include mitocondrii , plastide și alte organite, dar nu fluidele și structurile interne conținute în acestea. Astfel, citosolul este o matrice lichidă care înconjoară organelele. La procariote , majoritatea reacțiilor chimice ale metabolismului au loc în citosol, doar o mică parte apar în membrane și spațiul periplasmic . La eucariote, deși multe reacții au loc în organele, unele reacții au loc în citosol.
Din punct de vedere chimic, citosolul este un amestec complex de substanțe dizolvate într-un lichid. Deși cea mai mare parte a citosolului este apă, structura și proprietățile sale în interiorul celulelor nu sunt bine înțelese. Concentrațiile de ioni , cum ar fi cationii de potasiu și sodiu , diferă în citosol și în lichidul extracelular. Această diferență de concentrație este esențială pentru procese precum osmoreglarea , transducția semnalului și generarea potențialului de acțiune în celulele excitabile, cum ar fi celulele endocrine , nervoase și musculare . Citosolul conține, de asemenea, multe macromolecule care pot schimba comportamentul moleculelor prin efectul aglomerației macromoleculare .
Deși citosolul a fost considerat anterior ca o simplă soluție de molecule, acesta are mai multe niveluri de organizare. Acestea includ gradienți de concentrație de ioni (cum ar fi calciul), complexe enzimatice mari care interacționează între ele și desfășoară diferite reacții chimice și complexe proteice precum carboxizomii și proteazomii care conțin o parte din citosol.
Termenul de „citosol” a fost propus în 1965 de Henry A. Lardy și a fost folosit inițial în legătură cu fluidul care iese din celulele deteriorate și, în timpul ultracentrifugării [2] [3] , care precipită componente insolubile. Extractele celulare solubile nu sunt identice cu porțiunea solubilă a citoplasmei și sunt denumite în mod obișnuit fracțiunea citoplasmatică [4] .
În prezent, termenul „citosol” este folosit pentru a se referi la fracțiunea lichidă a citoplasmei unei celule vii (intacte) [4] . Compoziția citosolului nu include fluide în interiorul organelelor [5] . Pentru a evita confuzia în utilizarea termenului "citosol" în legătură cu partea lichidă a citoplasmei și extractele celulare, termenul "citoplasmă apoasă" este uneori folosit pentru a se referi la partea lichidă a citoplasmei celulelor vii [ 3 ] .
Proporția volumului celular față de citosol variază: în timp ce la bacterii citosolul menține structura celulei și ocupă aproape întregul volum al acesteia, la plante, cea mai mare parte a volumului celular cade pe vacuola centrală mare [6] . Citosolul constă în principal din apă, ioni dizolvați, molecule mici și molecule mari solubile în apă (de exemplu proteine ). Majoritatea moleculelor neproteice ale citosolului au o masă de până la 300 Da [7] . Citosolul include un număr enorm de metaboliți : de exemplu, în plante , până la 200.000 de metaboliți ar trebui produși în celule [8] , iar aproximativ o mie de molecule ar trebui să fie formate într-o celulă de drojdie sau celulă a bacteriei Escherichia coli [9] [10 ] ] .
Majoritatea volumului citosolului este apă (aproximativ 70% într-o celulă tipică) [11] . pH-ul fluidului intracelular este de 7,4 [12] , în timp ce la om pH-ul citosolului variază între 7,0 și 7,4 și este mai important în cazul celulelor în creștere [13] . Vâscozitatea citoplasmei este aproximativ aceeași cu cea a apei, deși viteza de difuzie a moleculelor mici prin acest lichid este de aproximativ 4 ori mai mică decât în apa pură din cauza ciocnirilor cu numeroase macromolecule [14] . Folosind exemplul creveților de saramură , sa arătat cum apa afectează funcțiile celulare. S-a demonstrat că reducerea proporției de apă din celulă cu 20% oprește metabolismul, iar când celula se usucă, rata metabolică scade progresiv și toată activitatea metabolică se oprește atunci când nivelul apei din celulă scade cu 70% sub normal. [3] .
Deși apa este esențială pentru viață, structura acestei ape din citosol este puțin înțeleasă, deoarece metode precum rezonanța magnetică nucleară și spectroscopia oferă doar informații generale despre structura apei, fără a ține cont de variațiile microscopice. Chiar și structura apei pure este puțin înțeleasă din cauza tendinței apei de a forma grupuri de apă prin legături de hidrogen [15] .
Ideea clasică a apei într-o celulă este că aproximativ 5% din apă este într-o stare asociată cu alte substanțe (adică asigură solvatarea ), iar restul apei are aceeași structură ca apa pură [3] . Apa de solvatare este inactivă sub osmoză și poate avea alte proprietăți ca solvent, concentrând unele molecule și împingând altele [16] . După un alt punct de vedere, întregul citosol este foarte influențat de un număr mare de macromolecule dizolvate, iar comportamentul apei citosolice este foarte diferit de comportamentul apei pure [17] . Se presupune că în interiorul celulei există zone cu densitate mai mare sau mai mică a apei, care pot avea o influență puternică asupra structurii și funcțiilor altor părți ale celulei [15] [18] . Cu toate acestea, rezultatele rezonanței magnetice nucleare contrazic această ipoteză, deoarece, conform acestor rezultate, 85% din apa celulei se comportă ca apa pură, în timp ce restul apei se află într-o stare asociată cu macromolecule și este mai puțin mobilă [19] .
Concentrațiile de ioni din citosol sunt fundamental diferite de cele din lichidul extracelular, în plus, citosolul conține mai multe molecule încărcate, cum ar fi proteinele și acizii nucleici . Tabelul de mai jos discută concentrațiile ionilor cheie din apă și lichidul extracelular .
Si el | Concentrația în citosol ( mM ) | Concentrația în sânge (mM) |
---|---|---|
Potasiu | 139 | patru |
Sodiu | 12 | 145 |
Clor | patru | 116 |
Bicarbonat | 12 | 29 |
Aminoacizi din proteine | 138 | 9 |
Magneziu | 0,8 | 1.5 |
Calciu | < 0,0002 | 1.8 |
Spre deosebire de lichidul extracelular, citosolul are o concentrație mai mare de ioni de potasiu și o concentrație mai mică de ioni de sodiu [20] . Această diferență în concentrația ionilor este necesară pentru osmoreglare. Dacă concentrațiile de ioni din interiorul celulei și din exteriorul acesteia ar fi aceleași, conform legilor osmozei, apa ar pătrunde continuu în celulă datorită faptului că celula conține mai multe macromolecule decât există în exterior. Ionii de sodiu sunt pompați din celulă, iar ionii de potasiu, dimpotrivă, sunt pompați de enzima Na+/K±ATPaza . Mai mult, ionii de potasiu se deplasează în exterior de-a lungul gradientului de concentrație prin canalele de potasiu , iar eliberarea de cationi provoacă un potențial membranar negativ . Pentru a echilibra diferența de potențial, ionii de clorură încărcați negativ ies și ei din celulă prin canale speciale de clorură . Pierderea ionilor de sodiu și clorură compensează efectul osmotic al unei concentrații mari de macromolecule în interiorul celulei [20] .
Celulele pot rezista la diferențe de potențial și mai mari prin acumularea de osmoprotectori , cum ar fi trehaloza și betainele în citosol [20] . Unele dintre aceste molecule ajută celula să supraviețuiască uscării complete și intrării în criptobioză [21] . În această stare, citosolul și osmoprotectorii sunt transformați într-un solid sticlos care protejează proteinele și membranele celulare de deteriorarea în timpul uscării [22] .
Datorită concentrației scăzute de calciu din citoplasmă, acesta poate funcționa ca un al doilea mesager în căile de transducție a semnalului calciului . În acest caz, un semnal, cum ar fi o moleculă de hormon sau un potențial de acțiune, deschide canalele de calciu , prin care calciul se precipită în citosol [23] . Creșterea concentrației de calciu în citosol activează alte molecule de semnalizare, cum ar fi calmodulina și protein kinaza C [24] . Alți ioni, cum ar fi ionii de clorură și potasiu, pot juca, de asemenea, roluri de semnalizare în citosol, dar acest rol este în prezent puțin înțeles [25] .
Moleculele de proteine care nu sunt atașate de membrane sau de citoschelet sunt dizolvate în citosol. Cantitatea de proteine din celule este extrem de mare și se apropie de 200 mg/ml; proteinele ocupă între 20 și 30% din întreaga celulă [26] . Cu toate acestea, măsurarea cantității exacte de proteine din citosolul unei celule intacte este foarte dificilă, deoarece unele proteine sunt slab legate de membrane sau organite și intră în soluție în timpul lizei celulare [3] . Într-adevăr, experimentele în care membrana plasmatică a unei celule este distrusă ușor prin acțiunea saponinei fără a deteriora alte membrane au arătat că un sfert din proteine ies. Astfel de celule dărăpănate erau, totuși, capabile să sintetizeze proteine dacă ATP și aminoacizi erau disponibili, așa că multe proteine citosolice sunt de fapt asociate cu citoscheletul [27] . Cu toate acestea, ideea că majoritatea proteinelor sunt strâns legate de o rețea numită rețea microtrabeculară pare puțin probabilă în prezent [28] .
La procariote , genomul este conținut în citosol ca o structură numită nucleoid [29] . Un nucleoid este o masă dezordonată de ADN și proteine asociate care controlează replicarea și transcripția cromozomului bacterian și a plasmidelor . La eucariote, genomul este închis în nucleu , care este separat de citosol prin pori nucleari care nu permit trecerea liberă a moleculelor cu un diametru mai mare de 10 nm [30] .
Concentrația mare de molecule din citosol dă naștere unui efect cunoscut sub denumirea de densificare macromoleculară, în care concentrația efectivă a moleculelor este crescută deoarece nu există loc pentru ca acestea să se miște liber. Acest efect poate provoca modificări semnificative ale vitezei unei reacții chimice și ale poziției de echilibru [26] . Efectul său asupra modificării constantelor de disociere este deosebit de important, deoarece datorită acestui fapt, asocierea macromoleculelor devine favorabilă, de exemplu, asamblarea proteinelor într-un complex multiproteic și legarea proteinelor care leagă ADN-ul de ținta lor pe molecula de ADN. [31] .
Deși componentele citosolului nu sunt separate unele de altele prin membrane, ele nu se amestecă aleatoriu între ele și există mai multe niveluri de organizare în citosol care localizează moleculele în locuri specifice din citosol [32] .
Deși moleculele mici difuzează rapid în citosol, gradienții speciali de concentrație pot fi menținute în citosol. Un bun exemplu sunt „ scânteile de calciu ”, care apar pentru o perioadă scurtă de timp în zona de lângă un canal de calciu deschis [33] . „Blițurile” ating aproximativ 2 microni în diametru și durează doar câteva milisecunde, deși unele blițuri se pot îmbina pentru a forma gradiente mai mari - „calcium waves” ( valuri de calciu în engleză ) [34] . Gradienții de concentrație ai altor molecule mici, cum ar fi oxigenul și ATP , se pot forma în apropierea clusterelor mitocondriale, dar mecanismul formării lor este mai puțin înțeles [35] [36] .
Proteinele se pot asocia între ele pentru a forma complexe proteice, care conțin adesea un set de proteine cu funcții similare, de exemplu, un set de enzime care catalizează diferite etape ale aceleiași căi metabolice [37] . Datorită acestui fapt, se formează canale de substrat ( English Substrate channeling ), în care produșii de reacție ai unei enzime sunt transferați direct către următoarea enzimă a căii fără a fi eliberați în soluție [38] . Canalele de substrat pot face calea metabolică mai rapidă și mai eficientă decât dacă enzimele ar fi localizate aleatoriu în citosol și împiedică intermediarii instabili ai căii să scape în soluție [39] . Deși enzimele sunt strâns legate între ele într-un număr mare de căi metabolice, există, de asemenea, complexe enzimatice mai slab legate, care sunt foarte greu de studiat în afara celulei. Prin urmare, semnificația acestor complexe pentru metabolism rămâne neclară [40] [41] .
Unele complexe proteice conțin o cavitate în interior izolată de citosol. Un exemplu de astfel de complex este proteazomul [42] . Ansamblul de subunități proteazomale formează un „butoi” gol, care conține proteaze care degradează proteinele citoplasmatice. Prezența proteinelor pliate greșit în citoplasmă este nesigură, astfel încât „butoiul” este acoperit cu proteine de reglare care recunosc proteinele cu un semn de degradare ( etichetă ubiquitină ) și le direcționează către proteazom pentru distrugere [43] .
O altă clasă de compartimente proteice este microcompartimentele bacteriene , care constau dintr-o înveliș proteic care conține diverse enzime [44] . În mod obișnuit, astfel de compartimente au o dimensiune de 100-200 nm și constau din proteine strâns legate între ele [45] . Un exemplu bine studiat de microcompartiment este carboxizomul , care conține enzime de fixare a carbonului (de exemplu, rubisco ) [46] .
Deși citoscheletul nu face parte din citosol, prezența acestei rețele de filamente limitează difuzia particulelor mari în interiorul celulei. De exemplu, în mai multe experimente, particulele de control cu dimensiunea de aproximativ 25 nm (aproape ca un ribozom [47] ) au fost îndepărtate din părți ale citosolului situate în apropierea graniței celulei și a nucleului celulei [48] [49] . Astfel de compartimente pot conține o rețea mai densă de filamente de actină decât restul citosolului. Aceste microdomenii pot influența localizarea particulelor mari, cum ar fi ribozomul și alte organite, concentrându-le în unele locuri din celulă și deplasându-le din altele [50] .
Citosolul nu are nicio funcție, deoarece în el au loc multe procese. Printre aceste procese se numără transducția semnalului de la membrana celulară la locații din interiorul celulei, cum ar fi nucleul celular [51] și diverse organele [52] . Multe reacții de citokineză apar, de asemenea, în citosol după descompunerea anvelopei nucleare în mitoză [53] . Un alt rol semnificativ al citosolului este transportul metaboliților din locurile de formare la locurile de utilizare. Printre metaboliți se numără molecule relativ simple solubile în apă, cum ar fi aminoacizii , care pot difuza rapid prin citosol [14] . Cu toate acestea, moleculele hidrofobe , cum ar fi acizii grași sau sterolii , pot fi transportate în citosol prin proteine speciale care transportă aceste molecule între membrane [54] [55] . Veziculele din citosol transportă molecule capturate în timpul endocitozei sau destinate secreției [56] . Veziculele sunt mici saci lipidici care se deplasează de-a lungul citoscheletului cu ajutorul proteinelor motorii [57] .
La procariote, majoritatea proceselor metabolice au loc în citosol [58] , ca la eucariote. Astfel, la mamifere, aproximativ jumătate din proteine sunt localizate în citosol [59] . S-a demonstrat că aproape toate căile metabolice și metaboliții din drojdie sunt localizați în citosol [60] . Printre procesele metabolice care au loc în citosol la animale se numără sinteza proteinelor , calea pentozei fosfatului , glicoliza și gluconeogeneza [61] . În alte organisme, aceste căi metabolice pot fi localizate diferit. De exemplu, la plante, sinteza acizilor grași are loc în cloroplaste [62] , în timp ce la apicoplexe are loc în apicoplast [63] .
Site-uri tematice | |
---|---|
Dicționare și enciclopedii |
|