Войти
Цитозоль - это переполненный раствор множества различных типов молекул, которые занимают до 30% объема цитоплазмы. | Клеточная биология | |
|---|---|
| Клетка животного | |
 Компоненты типичной животной клетки:
|
Цитозоле, также известная как внутриклеточная жидкость ( ICF) или цитоплазматический матрикс, или groundplasm, это жидкость находится внутри клеток. Он разделен на отсеки мембранами. Например, митохондриальный матрикс разделяет митохондрии на множество компартментов.
В эукариотической клетке цитозоль окружен клеточной мембраной и является частью цитоплазмы, которая также включает митохондрии, пластиды и другие органеллы (но не их внутренние жидкости и структуры); ядро клетки отдельно. Таким образом, цитозоль представляет собой жидкую матрицу вокруг органелл. У прокариот большинство химических реакций метаболизма происходит в цитозоле, а некоторые - в мембранах или в периплазматическом пространстве. У эукариот, хотя многие метаболические пути все еще происходят в цитозоле, другие происходят внутри органелл.
Цитозоль представляет собой сложную смесь веществ, растворенных в воде. Хотя вода составляет большую часть цитозоля, ее структура и свойства внутри клеток изучены недостаточно. Концентрации таких ионов, как натрий и калий, в цитозоле отличаются от концентрации во внеклеточной жидкости ; Эти различия в уровнях ионов важны для таких процессов, как осморегуляция, передача сигналов клетками 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 скопления макромолекул.
Хотя когда-то считалось, что это простой раствор молекул, цитозоль имеет несколько уровней организации. К ним относятся градиенты концентрации малых молекул, таких как кальций, большие комплексы ферментов, которые действуют вместе и принимают участие в метаболических путях, и белковые комплексы, такие как протеасомы и карбоксисомы, которые охватывают и разделяют части цитозоля.
Термин «цитозоль» был впервые введен в 1965 г. HA Lardy и первоначально относился к жидкости, которая была произведена путем разрушения клеток и осаждения всех нерастворимых компонентов ультрацентрифугированием. Такой растворимый клеточный экстракт не идентичен растворимой части цитоплазмы клетки и обычно называется цитоплазматической фракцией.
Термин цитозоль теперь используется для обозначения жидкой фазы цитоплазмы в интактной клетке. Это исключает любую часть цитоплазмы, которая содержится в органеллах. Из-за возможности путаницы между использованием слова «цитозоль» для обозначения как экстрактов клеток, так и растворимой части цитоплазмы в интактных клетках фраза «водная цитоплазма» была использована для описания жидкого содержимого цитоплазмы. живых клеток.
До этого для обозначения клеточной жидкости использовались другие термины, в том числе гиалоплазма, не всегда синонимы, поскольку ее природа была не очень ясна (см. Протоплазма ).
Содержание внутриклеточной жидкости у человека Доля цитозоля в объеме клетки варьируется: например, в то время как этот компартмент формирует основную часть клеточной структуры у бактерий, в растительных клетках основным компартментом является большая центральная вакуоль. Цитозоль состоит в основном из воды, растворенных ионов, небольших молекул и крупных водорастворимых молекул (например, белков). Большинство этих небелковых молекул имеют молекулярную массу менее 300 Да. Эта смесь малых молекул чрезвычайно сложна, поскольку количество молекул, участвующих в метаболизме ( метаболитов ), огромно. Например, в растениях может образовываться до 200 000 различных небольших молекул, хотя не все они будут присутствовать в одном и том же виде или в одной клетке. По оценкам количества метаболитов в отдельных клетках, таких как кишечная палочка и пекарские дрожжи, их производится менее 1000.
Большую часть цитозоля составляет вода, которая составляет около 70% от общего объема типичной клетки. РН внутриклеточной жидкости 7.4. в то время как pH цитозоля человека находится в диапазоне 7,0–7,4 и обычно выше, если клетка растет. Вязкость цитоплазмы примерно такой же, как чистая вода, хотя диффузия малых молекул через эту жидкость примерно в четыре раз медленнее, чем в чистой воде, в основном, из - за столкновения с большим количеством макромолекул в цитозоле. Исследования морских креветок показали, как вода влияет на функции клеток; они увидели, что уменьшение количества воды в клетке на 20% подавляет метаболизм, причем метаболизм постепенно снижается по мере высыхания клетки, и вся метаболическая активность останавливается, когда уровень воды достигает 70% ниже нормы.
Хотя вода жизненно важна для жизни, структура этой воды в цитозоле до конца не изучена, в основном потому, что такие методы, как спектроскопия ядерного магнитного резонанса, дают информацию только о средней структуре воды и не могут измерить локальные изменения в микроскопическом масштабе. Даже структура чистой воды плохо изучена из-за способности воды образовывать структуры, такие как кластеры воды, посредством водородных связей.
Классический взгляд на воду в клетках состоит в том, что около 5% этой воды прочно связано растворенными веществами или макромолекулами в виде сольватационной воды, в то время как большинство из них имеет такую же структуру, как чистая вода. Эта сольватационная вода не активна при осмосе и может иметь различные свойства растворителя, поэтому некоторые растворенные молекулы исключаются, а другие становятся концентрированными. Однако другие утверждают, что влияние высоких концентраций макромолекул в клетках распространяется на весь цитозоль и что вода в клетках ведет себя совершенно иначе, чем вода в разбавленных растворах. Эти идеи включают предположение, что клетки содержат зоны с низкой и высокой плотностью воды, которые могут иметь широкое влияние на структуры и функции других частей клетки. Однако использование передовых методов ядерного магнитного резонанса для прямого измерения подвижности воды в живых клетках противоречит этой идее, поскольку предполагает, что 85% клеточной воды действует как чистая вода, а остальная часть менее подвижна и, вероятно, связана с макромолекулами..
Концентрации других ионов в цитозоле сильно отличаются от концентраций во внеклеточной жидкости, и цитозоль также содержит гораздо большее количество заряженных макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты, чем вне клеточной структуры.
| Ион | Концентрация (миллимолярная) | |
|---|---|---|
| В цитозоле | В плазме | |
| Калий | 139–150 | 4 |
| Натрий | 12 | 145 |
| Хлористый | 4 | 116 |
| Бикарбонат | 12 | 29 |
| Аминокислоты в белках | 138 | 9 |
| Магний | 0,8 | 1.5 |
| Кальций | lt;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 имеет решающее значение для осморегуляции, поскольку, если бы уровни ионов внутри клетки были такими же, как и снаружи, вода постоянно поступала бы в результате осмоса, поскольку уровни макромолекул внутри клеток выше, чем их уровни снаружи. Вместо этого ионы натрия вытесняются, а ионы калия поглощаются Na⁺ / K⁺-АТФазой, ионы калия затем стекают вниз по градиенту их концентрации через ионные каналы отбора калия, эта потеря положительного заряда создает отрицательный мембранный потенциал. Чтобы уравновесить эту разность потенциалов, отрицательные ионы хлора также выходят из клетки через селективные хлоридные каналы. Потеря ионов натрия и хлора компенсирует осмотический эффект более высокой концентрации органических молекул внутри клетки.
Клетки могут справляться с еще более значительными осмотическими изменениями за счет накопления в цитозоле осмопротекторов, таких как бетаины или трегалоза. Некоторые из этих молекул могут позволить клеткам выжить, будучи полностью высушенными, и позволяют организму войти в состояние анабиоза, называемое криптобиозом. В этом состоянии цитозоль и осмопротекторы превращаются в стеклообразное твердое вещество, которое помогает стабилизировать белки и клеточные мембраны от разрушающего воздействия высыхания.
Низкая концентрация кальция в цитозоле позволяет ионам кальция действовать как вторичный посредник в передаче сигналов кальция. Здесь сигнал, такой как гормон или потенциал действия, открывает кальциевый канал, так что кальций наводняется в цитозоль. Это внезапное увеличение цитозольного кальция активизирует другие молекулы сигнализации, такие как кальмодулина и протеинкиназы С. Другие ионы, такие как хлорид и калий, также могут выполнять сигнальные функции в цитозоле, но они недостаточно изучены.
Молекулы белка, которые не связываются с клеточными мембранами или цитоскелетом, растворяются в цитозоле. Количество белка в клетках чрезвычайно велико и приближается к 200 мг / мл, занимая около 20–30% объема цитозоля. Однако точно измерить, сколько белка растворено в цитозоле в интактных клетках, сложно, поскольку некоторые белки, по-видимому, слабо связаны с мембранами или органеллами в целых клетках и выделяются в раствор при лизисе клеток. Действительно, в экспериментах, где плазматическая мембрана клеток была осторожно разрушена с помощью сапонина, без повреждения других клеточных мембран, высвобождалась только около четверти клеточного белка. Эти клетки также были способны синтезировать белки, если им дали АТФ и аминокислоты, что означает, что многие ферменты в цитозоле связаны с цитоскелетом. Однако идея о том, что большинство белков в клетках прочно связаны в сеть, называемую микротрабекулярной решеткой, теперь считается маловероятной.
У прокариот цитозоль содержит геном клетки в структуре, известной как нуклеоид. Это нерегулярная масса ДНК и связанных белков, которые контролируют транскрипцию и репликацию бактериальной хромосомы и плазмид. У эукариот геном удерживается в ядре клетки, которое отделено от цитозоля ядерными порами, которые блокируют свободную диффузию любой молекулы диаметром более 10 нанометров.
Эта высокая концентрация макромолекул в цитозоле вызывает эффект, называемый макромолекулярным скоплением, когда эффективная концентрация других макромолекул увеличивается, поскольку они имеют меньший объем для перемещения. Этот эффект скопления может вызвать большие изменения как в скорости, так и в положении химическое равновесие реакций в цитозоле. Это особенно важно из-за его способности изменять константы диссоциации, способствуя ассоциации макромолекул, например, когда несколько белков объединяются с образованием белковых комплексов или когда ДНК-связывающие белки связываются со своими мишенями в геноме.
Хотя компоненты цитозоля не разделены на области клеточными мембранами, эти компоненты не всегда смешиваются случайным образом, и несколько уровней организации могут локализовать определенные молекулы в определенных местах внутри цитозоля.
Хотя небольшие молекулы быстро диффундируют в цитозоле, градиенты концентрации все же могут возникать в этом отсеке. Хорошо изученным примером этого являются «кальциевые искры», которые возникают в течение короткого периода времени в области вокруг открытого кальциевого канала. Они имеют диаметр около 2 микрометров и длятся всего несколько миллисекунд, хотя несколько искр могут сливаться, образуя большие градиенты, называемые «кальциевыми волнами». Градиенты концентрации других малых молекул, таких как кислород и аденозинтрифосфат, могут образовываться в клетках вокруг скоплений митохондрий, хотя они менее изучены.
Белки могут связываться с образованием белковых комплексов, которые часто содержат набор белков со схожими функциями, например ферменты, которые выполняют несколько этапов одного и того же метаболического пути. Эта организация может позволить субстратный канал, когда продукт одного фермента передается непосредственно следующему ферменту в пути, не попадая в раствор. Каналирование может сделать путь более быстрым и эффективным, чем если бы ферменты были случайным образом распределены в цитозоле, а также может предотвратить высвобождение нестабильных промежуточных продуктов реакции. Хотя большое количество метаболических путей включает ферменты, которые тесно связаны друг с другом, другие могут включать более слабо связанные комплексы, которые очень трудно изучать вне клетки. Следовательно, важность этих комплексов для метаболизма в целом остается неясной.
Карбоксисомы представляют собой заключенные в белки бактериальные микрокомпартменты в цитозоле. Слева изображение карбоксисом, полученное с помощью электронного микроскопа, а справа - модель их структуры. Некоторые белковые комплексы содержат большую центральную полость, изолированную от остальной части цитозоля. Одним из примеров такого закрытого отсека является протеасома. Здесь набор субъединиц образует полый ствол, содержащий протеазы, которые разрушают цитозольные белки. Так как они будут повреждать, если они свободно смешиваются с остальной частью цитозоля, цилиндр закрывается набором регуляторных белков, которые распознают белки с сигналом, направляющим их на деградацию ( метка убиквитина ), и направляют их в протеолитическую полость.
Другой большой класс белковых компартментов - бактериальные микрокомпартменты, которые состоят из белковой оболочки, в которой заключены различные ферменты. Эти компартменты обычно имеют размер около 100–200 нанометров в поперечнике и состоят из взаимосвязанных белков. Хорошо известным примером является карбоксисома, которая содержит ферменты, участвующие в фиксации углерода, такие как RuBisCO.
Номера мембраносвязанные органеллы могут образовывать, как биомолекулярные конденсаты, которые возникают по кластеризации, олигомеризации или полимеризацией из макромолекул управлять коллоидным фазовым разделением цитоплазмы или ядра.
Хотя цитоскелет не является частью цитозоля, наличие этой сети нитей ограничивает диффузию крупных частиц в клетке. Например, в нескольких исследованиях частицы-индикаторы размером более 25 нанометров (размером с рибосому ) были исключены из частей цитозоля по краям клетки и рядом с ядром. Эти «исключающие компартменты» могут содержать гораздо более плотную сеть актиновых волокон, чем остальная часть цитозоля. Эти микродомены могут влиять на распределение крупных структур, таких как рибосомы и органеллы, внутри цитозоля, исключая их из одних областей и концентрируя их в других.
Цитозоль не выполняет единственной функции и вместо этого является участком множества клеточных процессов. Примеры этих процессов включают передачу сигнала от клеточной мембраны к участкам внутри клетки, таким как ядро клетки или органеллы. Этот компартмент также является местом многих процессов цитокинеза после разрушения ядерной мембраны в митозе. Другой важной функцией цитозоля является транспортировка метаболитов от места их производства к месту их использования. Это относительно просто для водорастворимых молекул, таких как аминокислоты, которые могут быстро диффундировать через цитозоль. Однако гидрофобные молекулы, такие как жирные кислоты или стерины, могут транспортироваться через цитозоль с помощью специфических связывающих белков, которые перемещают эти молекулы между клеточными мембранами. Молекулы, попавшие в клетку в результате эндоцитоза или на пути к секретированию, также могут транспортироваться через цитозоль внутри пузырьков, которые представляют собой небольшие липидные сферы, которые перемещаются вдоль цитоскелета моторными белками.
В цитозоле происходит большая часть метаболизма прокариот и большая часть метаболизма эукариот. Например, у млекопитающих около половины белков в клетке локализованы в цитозоле. Наиболее полные данные доступны по дрожжам, где метаболические реконструкции показывают, что большинство метаболических процессов и метаболитов происходит в цитозоле. Основными метаболическими путями, которые происходят в цитозоле у животных, являются биосинтез белков, пентозофосфатный путь, гликолиз и глюконеогенез. Локализация путей может быть различной в других организмах, например, синтез жирных кислот происходит в хлоропластах в растениях и в apicoplasts в Apicomplexa.
