Кіріспе
Жасушаларда кездесетін сұйықтық [[Сурет:Көптеген цитозол.png|thumb|right|300px|Цитозол – цитоплазмалық көлемнің 30%-ын алып тұратын, көптеген молекулалардың тығыз жиналған ерітіндісі. Бұл жасушалар ішіндегі сұйықтықтардың бірі (жасушаішілік сұйықтық (ЖІС)). Ол мембраналармен бөлінген. Мысалы, митохондриялық матрица митохондрияны көптеген бөліктерге бөледі. Эукариоттық жасушада цитозол жасуша мембранасымен қоршалған және митохондрия, пластидтер және басқа органеллаларды (бірақ олардың ішкі сұйықтықтары мен құрылымдарын емес) қамтитын цитоплазманың бөлігі болып табылады; жасуша ядросы бөлек. Осылайша, цитозол – органеллалардың айналасындағы сұйық матрица. Прокариоттарда метаболизмнің көптеген химиялық реакциялары цитозолда, ал қалғаны мембраналарда немесе периплазмалық кеңістікте жүзеге асады. Эукариоттарда көптеген метаболикалық жолдар цитозолда орын алса, басқалары органеллалардың ішінде жүзеге асады. Цитозол – суда еріген заттардың күрделі қоспасы. Су цитозолдың басым бөлігін құраса да, жасуша ішіндегі оның құрылымы мен қасиеттері толыққанды түсініксіз. Цитозолдағы натрий және калий сияқты иондардың концентрациясы жасуша сыртындағы сұйықтықтағыдан өзгеше; иондар деңгейіндегі бұл айырмашылық осморегуляция, жасушалық сигнализация және эндокриндік, жүйке және бұлшықет жасушалары сияқты қозғыш жасушаларда әрекет потенциалын тудыру сияқты процестер үшін маңызды. Цитозолда сонымен қатар макромолекулалардың көп мөлшері бар, олар макромолекулалық тығыздық арқылы молекулалардың мінез-құлқына әсер ете алады. Бұрын цитозол молекулалардың қарапайым ерітіндісі деп есептелсе, қазір оның көп деңгейлі ұйымдық құрылымы бар екені белгілі. Оларға кальций сияқты кіші молекулалардың концентрациялық градиенттері, бірлесіп әрекет ететін және метаболикалық жолдарға қатысатын ферменттердің ірі кешендері, сондай-ақ цитозолдың бөліктерін қоршап, бөліп тұратын протеазомалар мен карбоксизомалар сияқты ақуыздық кешендер жатады.
[[Image:Crowded cytosol. png|thumb|right|300px|The cytosol is a crowded solution of many different types of molecules that occupy up to 30% of the cytoplasmic volume. is one of the liquids found inside cells (intracellular fluid (ICF)). It is separated into compartments by membranes. For example, the mitochondrial matrix separates the mitochondrion into many compartments. In the eukaryotic cell, the cytosol is surrounded by the cell membrane and is part of the cytoplasm, which also comprises the mitochondria, plastids, and other organelles (but not their internal fluids and structures); the cell nucleus is separate. The cytosol is thus a liquid matrix around the organelles. In prokaryotes, most of the chemical reactions of metabolism take place in the cytosol, while a few take place in membranes or in the periplasmic space. In eukaryotes, while many metabolic pathways still occur in the cytosol, others take place within organelles. The cytosol is a complex mixture of substances dissolved in water. Although water forms the large majority of the cytosol, its structure and properties within cells is not well understood. The concentrations of ions such as sodium and potassium in the cytosol are different to those in the extracellular fluid; these differences in ion levels are important in processes such as osmoregulation, cell signaling, and the generation of action potentials in excitable cells such as endocrine, nerve and muscle cells. The cytosol also contains large amounts of macromolecules, which can alter how molecules behave, through macromolecular crowding. Although it was once thought to be a simple solution of molecules, the cytosol has multiple levels of organization. These include concentration gradients of small molecules such as calcium, large complexes of enzymes that act together and take part in metabolic pathways, and protein complexes such as proteasomes and carboxysomes that enclose and separate parts of the cytosol.
Анықтама
Цитозол терминін алғаш рет 1965 жылы Х. А. Ларди енгізді. Бастапқыда ол жасушаларды бөлшектеу және барлық ерімейтін компоненттерді ультрацентрифугация арқылы тұндыру нәтижесінде алынған сұйықтықты білдірді. Бұл органеллалардың ішіндегі цитоплазманың кез келген бөлігін қамтымайды. Жасуша сұйықтығы үшін бұл терминдер де қолданылды, бірақ олардың мәні толыққанды түсініксіз болғандықтан, әрқашан синоним ретінде қолданылмады (қ. протоплазма). Цитозол негізінен судан, еріген иондардан, кішкентай молекулалардан және суда еритін ірі молекулалардан (мысалы, ақуыздардан) тұрады. Бұл ақуыз емес молекулалардың көпшілігінің молекулалық массасы 300 Да-дан төмен. Бұл кішкентай молекулалардың қоспасы өте күрделі, себебі метаболизмге қатысатын (метаболиттер) молекулалардың әртүрлілігі зор. Мысалы, өсімдіктерде 200 000-ға дейін әртүрлі кішкентай молекулалар түзілуі мүмкін, бірақ олардың барлығы бір түрде немесе бір жасушада кездеспейді. E. coli және ашытқы сияқты жеке жасушалардағы метаболиттердің саны 1000-нан аспайды деп есептеледі.
Су
Цитозолдың көп бөлігі су, ол әдеттегі жасушаның жалпы көлемінің шамамен 70% құрайды. Жасушаішілік сұйықтықтың pH деңгейі 7,4-ке тең, ал адам цитозолының pH 7,0–7,4 аралығында өзгереді, жасуша өсіп жатқанда көбінесе жоғары болады. Цитоплазманың тұтқырлығы таза суға ұқсас, бірақ кішкентай молекулалардың осы сұйықтықтағы диффузиясы таза суға қарағанда төрт есе баяу, себебі цитозолдағы макромолекулалардың көп санымен соқтығысулар болады. Сулы шаянды зерттеулер судың жасуша функцияларына қалай әсер ететінін көрсетті; олар жасушадағы су мөлшерінің 20% төмендеуі метаболизмді тежейтінін, ал жасуша кепкен сайын метаболизм біртіндеп төмендейтінін, ал су деңгейі қалыпты деңгейден 70% төмен болғанда барлық метаболистік белсенділік тоқтатылатынын анықтады. Су тіршілік үшін өте маңызды болғанымен, цитозолдағы судың құрылымы толыққанды түсініксіз, себебі ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы сияқты әдістер судың орташа құрылымы туралы ғана ақпарат береді және микроскопиялық деңгейдегі жергілікті өзгерістерді өлшеуге мүмкіндік бермейді. Тіпті таза судың құрылымы да сутекті байланыстар арқылы су кластерлері сияқты құрылымдарды қалыптастыру қабілетіне байланысты жақсы түсініксіз. Дегенмен, басқалар жасушалардағы макромолекулалардың жоғары концентрациясының әсері цитозолдың барлық бөлігіне таралатынын және жасушадағы судың сұйытылған ерітінділердегі судан өзгеше қасиеттерге ие екенін айтады. Бұл идеялар жасушаларда төмен және жоғары тығыздықтағы су аймақтарының болу мүмкіндігін қамтиды, бұл жасушаның басқа бөліктерінің құрылымы мен функцияларына кең ауқымды әсер етуі мүмкін. Алайда, тірі жасушалардағы судың қозғалғыштығын тікелей өлшеу үшін қолданылатын жетілдірілген ядролық магниттік резонанс әдістері бұл идеяға қарсы келеді, себебі олар жасуша суының 85% таза су сияқты әрекет ететінін, ал қалған бөлігі аз қозғалғыш және макромолекулалармен байланысқан болуы мүмкін екенін көрсетеді.
Иондар
Цитозолдағы басқа иондардың концентрациясы клеткадан тыс сұйықтықтан мүлдем өзгеше, сонымен қатар цитозолда жасуша құрылымынан гөрі ақуыздар мен нуклеин қышқылдары сияқты зарядталған макромолекулалардың мөлшері әлдеқайда көп. + Сүтқоректілердің цитозолы мен плазмасындағы иондардың типтік концентрациясы. Иондық концентрация (миллимоляр) Цитозолда Плазмада Калий 139–150 4 Натрий 12 145 Хлорид 4 116 Бикарбонат 12 29 Ақуыздағы аминқышқылдары 138 9 Магний 0,8 1,5 Кальций <0,0002 1,8 Клеткадан тыс сұйықтықтан айырмашылығы цитозолда калий иондарының концентрациясы жоғары, ал натрий иондарының концентрациясы төмен. Иондық концентрациядағы бұл айырмашылық осморегуляция үшін өте маңызды, себебі егер ион деңгейі клетканың ішінде және сыртында бірдей болса, су осмоз арқылы үнемі еніп отырады, өйткені клеткалар ішіндегі макромолекулалардың деңгейі сыртқы деңгейден жоғары. Оның орнына натрий иондары шығарылады және калий иондары Na⁺/K⁺ АТФазасы арқылы қабылданады, содан кейін калий иондары калийге таңдамалы иондық каналдар арқылы концентрация градиенті бойынша ағып түседі, оң зарядтың осы жоғалуы теріс мембраналық потенциалды тудырады. Бұл потенциал айырмашылығын теңестіру үшін теріс хлорид иондары да хлорид каналдары арқылы клеткадан шығады. Натрий мен хлорид иондарының жоғалуы клетка ішіндегі органикалық молекулалардың жоғары концентрациясының осмостық әсерін толықтырады. Бұл жағдайда цитозол және осмопротекторлар шыны тәрізді қатты күйге өтеді, бұл ақуыздар мен жасуша мембраналарын құрғаудың зиянды әсерінен тұрақтандыруға көмектеседі. Цитозолдағы кальцийдің төмен концентрациясы кальций иондарына кальций сигналдауында екінші хабаршы ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Мұнда гормон немесе әрекет потенциалы сияқты сигнал кальций каналдарын ашады, соның салдарынан кальций цитозолға ағып түседі. Цитозольдік кальцийдің кенеттен артуы кальмодулин және протеинкиназа С сияқты басқа сигнал молекулаларын белсендіреді. Хлор және калий сияқты басқа иондар да цитозольде сигналдық функцияларды атқара алады, бірақ олар туралы толыққанды түсінік жоқ.
In contrast to extracellular fluid, cytosol has a high concentration of potassium ions and a low concentration of sodium ions. This difference in ion concentrations is critical for osmoregulation, since if the ion levels were the same inside a cell as outside, water would enter constantly by osmosis since the levels of macromolecules inside cells are higher than their levels outside. Instead, sodium ions are expelled and potassium ions taken up by the Na⁺/K⁺ ATPase, potassium ions then flow down their concentration gradient through potassium selection ion channels, this loss of positive charge creates a negative membrane potential. To balance this potential difference, negative chloride ions also exit the cell, through selective chloride channels. The loss of sodium and chloride ions compensates for the osmotic effect of the higher concentration of organic molecules inside the cell. In this state the cytosol and osmoprotectants become a glass like solid that helps stabilize proteins and cell membranes from the damaging effects of desiccation. The low concentration of calcium in the cytosol allows calcium ions to function as a second messenger in calcium signaling. Here, a signal such as a hormone or an action potential opens calcium channel so that calcium floods into the cytosol. This sudden increase in cytosolic calcium activates other signalling molecules, such as calmodulin and protein kinase C. Other ions such as chloride and potassium may also have signaling functions in the cytosol, but these are not well understood.
Макромолекулалар
Клеткалық мембранаға немесе цитоскелетке байланыспайтын ақуыз молекулалары цитозольде ерітіледі. Жасушалардағы ақуыз мөлшері өте жоғары, шамамен 200 мг/мл-ге жетеді және цитозоль көлемінің 20–30% құрайды. Дегенмен, толық жасушаларда цитозольде еріген ақуыз мөлшерін дәл өлшеу қиын, себебі кейбір ақуыздар толық жасушаларда мембраналармен немесе органеллалармен әлсіз байланысқан сияқты көрінеді және жасуша лизисі кезінде ерітіндіге босатылады. Алайда, жасушадағы ақуыздардың көп бөлігі микротрабекулярлық тор деп аталатын желіге берік байланысқан деген пікір қазір күмәнді көрінеді. Прокариоттарда цитозольде нуклеоид деп аталатын құрылымда жасушаның геномы орналасады. Бұл бактериялық хромосома мен плазмидтердің транскрипциясы мен репликациясын бақылайтын ДНК және оған байланысты ақуыздардың жиынтық массасы болып табылады. Эукариоттарда геном жасуша ядросының ішінде орналасады, ол цитозольден ядролық тесіктер арқылы бөлінеді, бұл диаметрі шамамен 10 нанометрден асатын кез келген молекуланың еркін таралуына кедерес жасайды. Цитозольдегі макромолекулалардың жоғары концентрациясы макромолекулалық тығыздық деп аталатын құбылысты тудырады, онда басқа макромолекулалардың тиімді концентрациясы артады, себебі олардың қозғалуға арналған көлемі шектеулі. Бұл тығыздық әсері цитозольдегі реакциялардың жылдамдығы мен химиялық тепе-теңдігіне елеулі өзгерістер әкелуі мүмкін.
Ұйым
Цитозолдың құрамы жасуша мембраналарымен бөлініп жатпаса да, оның компоненттері әрқашан ретсіз араласпайды, және бірнеше ұйымдастыру деңгейлері нақты молекулаларды цитозол ішіндегі белгілі бір жерлерге шоғырландыра алады.
Концентрация градиенттері
Кішкентай молекулалар цитозолда жылдам тараса да, осы бөлімшеде концентрация градиенттері қалыптасуы мүмкін. Бұған жақсы зерттелген мысал – ашық кальций арнасының маңында қысқа мерзімге пайда болатын "кальций ұшқындары". Олардың диаметрі шамамен 2 микрометр және олар бірнеше миллисекундқа созылады, алайда бірнеше ұшқын бірігіп, "кальций толқындары" деп аталатын үлкен градиенттерді құрай алады. Митохондриялар шоғырларының маңындағы жасушаларда оттегі және аденозин трифосфаты сияқты басқа да кішкентай молекулалардың концентрация градиенттері пайда болуы мүмкін, бірақ олар бұл құбылыс толыққанды зерттелмеген.
Белок кешендері
Ақуыздар белдік кешендерін құру үшін біріге алады, олар көбінесе ұқсас функциялары бар ақуыздар жиынтығын қамтиды, мысалы, бір метаболизмік жолдың бірнеше қадамдарын орындайтын ферменттер. Бұл ұйым субстратты тікелей беруге мүмкіндік береді, яғни бір ферменттің өнімі ерітіндіге шығарылмай, жол бойынша келесі ферментке беріледі. Тікелей беру жолы ферменттер цитозолда кездейсоқ тарағандағыдан гөрі жылдам және тиімді болуы мүмкін, сондай-ақ тұрақсыз реакция аралықтарының шығарылуын болдырмайды. Көптеген метаболизмік жолдар бір-бірімен тығыз байланысқан ферменттерді қамтиды, ал басқалары жасушадан тыс зерттеуге өте қиын, әлсіз байланысқан кешендерді қамтиды. Сондықтан, осы кешендердің жалпы метаболизмдегі маңыздылығы әлі де анық емес. thumb|right|400px|Карбоксисомалар – цитозол ішіндегі ақуызбен қапталған бактериялық микроқұрылымдар. Сол жақта – карбоксисомалардың электронды микроскоптағы суреті, ал оң жақта – олардың құрылымының моделі.
Белок бөліктері
Кейбір ақуыздық кешендер цитозолдың қалған бөлігінен оқшауланған үлкен орталық қуысты қамтиды. Мұндай жабық бөліктің бір мысалы – протеасома. Мұнда, ақуыздық бөлімшелер жиынтығы цитозолдық ақуыздарды ыдырататын протеазаларды қамтитын қуыс цилиндр құрайды. Егер олар цитозолдың қалған бөлігімен еркін араласса, зиян келтіруі мүмкін болғандықтан, цилиндр деградацияға бағытталған сигналды (убиквитин таңбасы) танитын және оларды протеолитикалық қуысқа жіберуге арналған реттеуші ақуыздар жиынтығымен жабылады. Тағы бір үлкен класс ақуыздық бөлімдер – бактериялық микрокөліктер, олар әртүрлі ферменттерді капсулалайтын ақуыздық қабықтан тұрады. Бұл бөлімдер әдетте 100–200 нанометр диаметрлі болып келеді және бір-бірімен байланысқан ақуыздардан құралған. Жақсы зерттелген мысалы – карбоксисома, ол RuBisCO сияқты көміртекті байланыстыруға қатысатын ферменттерді қамтиды.
Биомолекулалық конденсаттар
Мембранаға байланбаған органельдер биомолекулалық конденсаттар ретінде қалыптасуы мүмкін, олар цитоплазманың немесе ядроның коллоидты фазалық бөлінуін қозғау үшін макромолекулалардың кластерленуі, олигомеризациясы немесе полимеризациясы нәтижесінде пайда болады.
Цитоскелетті сылау
Цитоскелет цитозолдың құрамына кірмесе де, бұл жіптер желісінің болуы жасушадағы ірі бөлшектердің таралуын шектейді. Мысалы, бірнеше зерттеуде 25 нанометрден (рибосоманың шамамен мөлшері) үлкен іздеуші бөлшектер жасуша шеттеріндегі және ядроға жақын орналасқан цитозол бөліктеріне енбеді. Бұл "енбеу аймақтарында" цитозолдың қалған бөлігіне қарағанда актин талшықтарының әлдеқайда тығыз торы болуы мүмкін. Бұл микроаймақтар цитозол ішінде рибосомалар және органеллалар сияқты ірі құрылымдардың таралуына әсер ете алады, оларды кейбір аймақтардан шығарып, басқаларында шоғырландырады.
Функция
Цитозол – жасушаның көптеген процестері жүзеге асырылатын орын. Осы процестердің мысалдары: жасуша мембранасынан жасуша ядросына немесе органеллалар сияқты жасуша ішіндегі белгілі бір жерлерге сигналдардың берілуі. Бұл бөлік митоз кезінде ядролық мембрананың ыдырауынан кейін цитокинез процестерінің көптеген түрлерінің орны болып табылады. Цитозолдың тағы бір маңызды функциясы – метаболиттерді олардың түзілу орынынан пайдаланылатын жерге тасымалдау. Бұл суда еритін молекулалар үшін, мысалы, аминқышқылдары үшін салыстырмалы түрде оңай, себебі олар цитозол арқылы жылдам таралады. Эндоцитоз арқылы жасушаға енген немесе шығарылуға дайындалып жатқан молекулалар да цитозол арқылы көпіршіктердің ішінде тасымалдануы мүмкін, ал бұл көпіршіктер – липидтерден тұратын кішкентай шарлар және цитоскелет бойымен моторлық ақуыздардың көмегімен қозғалады. Цитозол – прокариоттардағы метаболизмнің басым бөлігін, ал эукариоттардағы метаболизмнің үлкен бөлігін қамтиды. Мысалы, сүтқоректілерде жасушадағы ақуыздардың шамамен жартысы цитозолда орналасқан. Ең толық деректер ашытқыда бар, онда метаболизмдік реконструкциялар метаболизм процестерінің және метаболиттердің көпшілігі цитозолда жүзеге асыратынын көрсетеді. Жануарлар цитозолында жүретін негізгі метаболизм жолдары – ақуыз биосинтезі, пентоза фосфат жолы, гликолиз және глюконеогенез. Басқа организмдерде жолдардың орналасуы әр түрлі болуы мүмкін, мысалы, май қышқылдарының синтезі өсімдіктерде хлоропластарда, ал апикомплексада – апикопластарда жүзеге асырылады.