Введение

Жидкость, содержащаяся в клетках. [[Изображение: Населенный цитозол.png|thumb|right|300px|Цитозоль – это густой раствор множества различных типов молекул, занимающий до 30% объема цитоплазмы. Он является одной из жидкостей, находящихся внутри клеток (внутриклеточная жидкость (ICF)). Цитозоль разделен на компартменты мембранами. Например, митохондриальный матрикс разделяет митохондрию на множество отсеков. В эукариотической клетке цитозоль окружен плазматической мембраной и является частью цитоплазмы, которая также включает митохондрии, пластиды и другие органеллы (но не их внутренние жидкости и структуры); ядро клетки отделено. Таким образом, цитозоль представляет собой жидкую матрицу, окружающую органеллы. У прокариот большинство химических реакций метаболизма протекает в цитозоле, в то время как некоторые происходят в мембранах или в периплазматическом пространстве. У эукариот многие метаболические пути по-прежнему происходят в цитозоле, а другие – внутри органелл. Цитозоль – это сложная смесь веществ, растворенных в воде. Хотя вода составляет основную массу цитозоля, его структура и свойства внутри клеток изучены недостаточно. Концентрации ионов, таких как натрий и калий, в цитозоле отличаются от таковых во внеклеточной жидкости; эти различия в уровнях ионов важны для таких процессов, как осморегуляция, клеточная сигнализация и генерация потенциалов действия в возбудимых клетках, таких как эндокринные, нервные и мышечные клетки. Цитозоль также содержит большое количество макромолекул, которые могут изменять поведение молекул из-за макромолекулярной скученности. Хотя ранее считалось, что это простой раствор молекул, цитозоль имеет несколько уровней организации. К ним относятся концентрационные градиенты малых молекул, таких как кальций, крупные комплексы ферментов, которые действуют совместно и участвуют в метаболических путях, а также белковые комплексы, такие как протеасомы и карбоксисомы, которые заключают в себя и отделяют части цитозоля.

Определение

Термин "цитозоль" был впервые введен в 1965 году Х. А. Ларди и первоначально обозначал жидкость, полученную при разрушении клеток и осаждении всех нерастворимых компонентов с помощью ультрацентрифугирования. Это исключает любую часть цитоплазмы, заключенную в органеллы. Ранее для обозначения клеточной жидкости использовался термин "протоплазма", не всегда как синоним, поскольку её природа была недостаточно изучена (см. протоплазма). Цитозоль состоит главным образом из воды, растворенных ионов, небольших молекул и крупных водорастворимых молекул (например, белков). Большинство этих не белковых молекул имеют молекулярную массу менее 300 Да. Эта смесь небольших молекул чрезвычайно сложна, поскольку разнообразие молекул, участвующих в метаболизме (метаболитов), огромно. Например, в растениях может синтезироваться до 200 000 различных малых молекул, хотя не все они присутствуют в одном и том же виде или в одной клетке. Оценки количества метаболитов в отдельных клетках, таких как кишечная палочка и пекарские дрожжи, показывают, что их число не превышает 1000.

Вода

Большая часть цитозоля состоит из воды, которая составляет около 70% от общего объема типичной клетки. pH внутриклеточной жидкости равен 7,4, в то время как pH цитозоля человека колеблется между 7,0 и 7,4 и обычно выше, если клетка растет. Вязкость цитоплазмы примерно такая же, как у чистой воды, хотя диффузия малых молекул в этой жидкости примерно в четыре раза медленнее, чем в чистой воде, главным образом из-за столкновений с большим количеством макромолекул в цитозоле. Исследования на артемиях изучили, как вода влияет на клеточные функции; они показали, что снижение количества воды в клетке на 20% замедляет метаболизм, при этом метаболизм прогрессивно снижается по мере высыхания клетки, и вся метаболическая активность прекращается, когда уровень воды снижается на 70% от нормы. Хотя вода жизненно важна для жизни, структура этой воды в цитозоле изучена недостаточно, в основном потому, что такие методы, как спектроскопия ядерного магнитного резонанса, предоставляют информацию только о средней структуре воды и не могут измерять локальные изменения в микроскопическом масштабе. Даже структура чистой воды изучена плохо из-за способности воды образовывать структуры, такие как водные кластеры, посредством водородных связей. Однако другие утверждают, что влияние высоких концентраций макромолекул в клетках распространяется на весь цитозоль, и что вода в клетках ведет себя иначе, чем в разбавленных растворах. Эти идеи включают предположение о том, что клетки содержат зоны воды с низкой и высокой плотностью, которые могут оказывать широкое влияние на структуру и функции других частей клетки. Однако использование современных методов ядерного магнитного резонанса для непосредственного измерения подвижности воды в живых клетках противоречит этой идее, поскольку показывает, что 85% клеточной воды ведет себя как чистая вода, а остальная часть менее подвижна и, вероятно, связана с макромолекулами.

Ионы

Концентрации других ионов в цитозоле значительно отличаются от концентраций во внеклеточной жидкости, а цитозоль также содержит гораздо большее количество заряженных макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты, чем внеклеточное пространство. + Типичные концентрации ионов в цитозоле и плазме млекопитающих. Концентрация ионов (миллимолярная) В цитозоле В плазме Калий 139–150 4 Натрий 12 145 Хлорид 4 116 Бикарбонат 12 29 Аминокислоты в белках 138 9 Магний 0,8 1,5 Кальций <0,0002 1,8

В отличие от внеклеточной жидкости, цитозоль имеет высокую концентрацию ионов калия и низкую концентрацию ионов натрия. Эта разница в концентрациях ионов критически важна для осморегуляции, поскольку если бы уровни ионов внутри клетки были такими же, как снаружи, вода постоянно поступала бы внутрь посредством осмоса, так как концентрация макромолекул внутри клеток выше, чем снаружи. Вместо этого ионы натрия выводятся из клетки, а ионы калия поглощаются Na⁺/K⁺ АТФазой, после чего ионы калия перемещаются по градиенту концентрации через калий-селективные ионные каналы. Эта потеря положительного заряда создает отрицательный мембранный потенциал. Для компенсации этой разницы потенциалов отрицательные ионы хлорида также покидают клетку через селективные хлоридные каналы. Потеря ионов натрия и хлорида компенсирует осмотический эффект более высокой концентрации органических молекул внутри клетки. В этом состоянии цитозоль и осмопротекторы приобретают стекловидную консистенцию, которая помогает стабилизировать белки и клеточные мембраны, защищая их от повреждающего воздействия высыхания. Низкая концентрация кальция в цитозоле позволяет ионам кальция выполнять роль вторичного посредника в кальциевой сигнализации. Здесь сигнал, такой как гормон или потенциал действия, открывает кальциевые каналы, позволяя кальцию поступать в цитозоль. Это резкое увеличение концентрации кальция в цитозоле активирует другие сигнальные молекулы, такие как кальмодулин и протеинкиназа C. Другие ионы, такие как хлорид и калий, также могут выполнять сигнальные функции в цитозоле, но эти функции изучены недостаточно.

Макромолекулы

Молекулы белка, которые не связываются с клеточными мембранами или цитоскелетом, растворены в цитозоле. Количество белка в клетках чрезвычайно высоко и приближается к 200 мг/мл, занимая около 20–30% объема цитозоля. Однако точное измерение количества белка, растворенного в цитозоле в неповрежденных клетках, затруднено, поскольку некоторые белки, по-видимому, слабо связаны с мембранами или органеллами в целых клетках и высвобождаются в раствор при клеточном лизе. Тем не менее, представление о том, что большинство белков в клетках плотно связаны в сети, называемой микротрабекулярной решеткой, сейчас считается маловероятным. У прокариот цитозоль содержит геном клетки в структуре, известной как нуклеоид. Это нерегулярная масса ДНК и ассоциированных с ней белков, которые контролируют транскрипцию и репликацию бактериальной хромосомы и плазмид. У эукариот геном находится в ядре клетки, которое отделено от цитозоля ядерными порами, препятствующими свободной диффузии любых молекул диаметром более 10 нанометров. Эта высокая концентрация макромолекул в цитозоле вызывает эффект, называемый макромолекулярным скучиванием, при котором эффективная концентрация других макромолекул возрастает из-за уменьшения объема, доступного для их перемещения. Этот эффект скучивания может приводить к значительным изменениям как в скорости, так и в положении химического равновесия реакций в цитозоле.

Организация

Хотя компоненты цитозоля не разделены областями клеточными мембранами, эти компоненты не всегда перемешиваются хаотично, и несколько уровней организации могут локализовать специфические молекулы в определенных участках внутри цитозоля.

Градиенты концентрации

Хотя небольшие молекулы быстро диффундируют в цитозоле, в этом компартменте все же могут формироваться градиенты концентрации. Хорошо изученным примером являются "кальциевые искры", возникающие на короткое время в области вокруг открытого кальциевого канала. Они имеют диаметр около 2 микрометров и длятся всего несколько миллисекунд, хотя несколько искр могут сливаться, образуя более крупные градиенты, называемые "кальциевыми волнами". Градиенты концентрации других небольших молекул, таких как кислород и аденозинтрифосфат, могут формироваться в клетках вокруг скоплений митохондрий, хотя они изучены хуже.

Белокожные комплексы

Белки могут объединяться, образуя белковые комплексы, которые часто содержат набор белков с похожими функциями, например, ферменты, катализирующие несколько этапов одного и того же метаболического пути. Такая организация может обеспечивать перенос субстрата по каналу, когда продукт одного фермента напрямую передается следующему ферменту в пути, не высвобождаясь в раствор. Перенос по каналу может сделать путь более быстрым и эффективным, чем если бы ферменты были распределены случайным образом в цитозоле, а также предотвратить высвобождение нестабильных промежуточных соединений реакции. Хотя в широком спектре метаболических путей участвуют ферменты, прочно связанные друг с другом, другие могут включать менее устойчивые комплексы, которые очень сложно изучать вне клетки. Следовательно, значение этих комплексов для метаболизма в целом остаётся неясным. Карбоксисомы – это белковые микроотсеки бактерий, заключенные в белковую оболочку и находящиеся в цитозоле. Слева – изображение карбоксисом, полученное с помощью электронного микроскопа, а справа – модель их структуры.

Белокожие отсеки

Некоторые белковые комплексы содержат большую центральную полость, изолированную от остальной части цитозоля. Одним из примеров такого замкнутого пространства является протеасома. В ней набор субъединиц формирует полый цилиндр, содержащий протеазы, которые расщепляют цитозольные белки. Поскольку свободное смешивание этих протеаз с остальным цитозолем было бы вредным, цилиндр закрыт комплексом регуляторных белков, которые распознают белки с сигналом, направляющим их на деградацию (убиквитин-метка), и направляют их в протеолитическую полость. Другим крупным классом белковых компартментов являются бактериальные микрокомпартменты, состоящие из белковой оболочки, инкапсулирующей различные ферменты. Эти компартменты обычно имеют размер около 100–200 нанометров и образованы взаимосвязанными белками. Хорошо изученным примером является карбоксисома, содержащая ферменты, участвующие в фиксации углерода, такие как RuBisCO.

Биомолекулярные конденсаты

Немембранные органеллы могут формироваться как биомолекулярные конденсаты, возникающие в результате кластеризации, олигомеризации или полимеризации макромолекул, что приводит к коллоидному фазовому разделению цитоплазмы или ядра.

Цитоскелетное просеивание

Хотя цитоскелет не является частью цитозоля, наличие этой сети филаментов ограничивает диффузию крупных частиц в клетке. Например, в нескольких исследованиях частицы-трассеры размером более 25 нанометров (примерно размером с рибосому) были исключены из определенных участков цитозоля вокруг краев клетки и вблизи ядра. Эти "исключающие компартменты", возможно, содержат более плотную сеть актиновых волокон, чем остальная часть цитозоля. Эти микродомены могут влиять на распределение крупных структур, таких как рибосомы и органеллы, в цитозоле, исключая их из одних областей и концентрируя в других.

Функция

Цитозоль является местом протекания множества клеточных процессов. К ним относятся передача сигналов от клеточной мембраны к различным участкам внутри клетки, таким как ядро или органеллы. Этот компартмент также является местом осуществления многих процессов цитокинеза, происходящих после распада ядерной оболочки в митозе. Важной функцией цитозоля является транспорт метаболитов от места их образования к месту использования. Для водорастворимых молекул, таких как аминокислоты, этот процесс относительно прост, поскольку они способны быстро диффундировать в цитозоле. Молекулы, поступающие в клетку посредством эндоцитоза или предназначенные для секреции, также могут транспортироваться через цитозоль внутри везикул – небольших сферических структур, состоящих из липидов и перемещаемых вдоль цитоскелета моторными белками. Цитозоль является местом протекания большей части метаболизма у прокариот и значительной доли метаболизма у эукариот. Например, у млекопитающих около половины клеточных белков локализованы в цитозоле. Наиболее полные данные доступны для дрожжей, где метаболические реконструкции указывают на то, что большинство метаболических процессов и метаболитов находятся в цитозоле. Основными метаболическими путями, протекающими в цитозоле животных, являются биосинтез белков, пентозофосфатный путь, гликолиз и глюконеогенез. Локализация этих путей может различаться у других организмов: например, синтез жирных кислот происходит в хлоропластах растений и в апикопластах у апикомплекс.