Цитозоль , также известный как цитоплазматический матрикс или основная плазма , [2] является одной из жидкостей, находящихся внутри клеток ( внутриклеточная жидкость (ВКФ)). [3] Он разделен на отсеки мембранами. Например, митохондриальный матрикс разделяет митохондрию на множество отсеков.
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 отдельное. Таким образом, цитозоль представляет собой жидкую матрицу вокруг органелл. У прокариот большая часть химических реакций метаболизма протекает 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 еще недостаточно изучены. 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 , 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 за счет скученности макромолекул .
Хотя когда-то считалось, что цитозоль представляет собой простой раствор молекул, он 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 , а также белковые комплексы , такие как протеасомы и карбоксисомы , которые окружают и разделяют части цитозоля.
Термин «цитозоль» был впервые введен в 1965 году Х.А. Ларди и первоначально относился к жидкости, полученной путем разделения клеток и осаждения всех нерастворимых компонентов ультрацентрифугированием . [4] [5] Такой растворимый клеточный экстракт не идентичен растворимой части клеточной цитоплазмы и обычно называется цитоплазматической фракцией. [6]
Термин «цитозоль» теперь используется для обозначения жидкой фазы цитоплазмы интактной клетки. [6] Это исключает любую часть цитоплазмы, содержащуюся в органеллах. [7] Из-за возможности путаницы между использованием слова «цитозоль» для обозначения как экстрактов клеток, так и растворимой части цитоплазмы в интактных клетках, для описания жидкого содержимого использовалась фраза «водная цитоплазма». цитоплазмы живых клеток. [5]
До этого для клеточной жидкости использовались другие термины, в том числе гиалоплазма [8] , не всегда как синонимы, так как ее природа не была хорошо понята (см. протоплазма ). [6]
Доля объема клетки, занимающая цитозоль, варьируется: например, хотя этот компартмент образует основную часть клеточной структуры у бактерий , [9] в растительных клетках основным компартментом является большая центральная вакуоль . [10] Цитозоль состоит в основном из воды, растворенных ионов, небольших молекул и крупных водорастворимых молекул (таких как белки). Большинство этих небелковых молекул имеют молекулярную массу менее 300 Да . [11] Эта смесь небольших молекул чрезвычайно сложна, поскольку разнообразие молекул, участвующих в метаболизме (метаболитов ) , огромно. Например, в растениях может быть создано до 200 000 различных малых молекул, хотя не все они будут присутствовать у одного и того же вида или в одной клетке. [12] По оценкам количества метаболитов в отдельных клетках, таких как кишечная палочка и пекарские дрожжи, их количество составляет менее 1000. [13] [14]
Большую часть цитозоля составляет вода , составляющая около 70% общего объема типичной клетки. [15] pH внутриклеточной жидкости составляет 7,4 . [16] , в то время как pH цитозоля человека колеблется в пределах 7,0–7,4 и обычно выше, если клетка растет. [17] Вязкость цитоплазмы примерно такая же, как у чистой воды, хотя диффузия малых молекул через эту жидкость происходит примерно в четыре раза медленнее, чем в чистой воде, главным образом из-за столкновений с большим количеством макромолекул в цитозоле. [18] Исследования артемии показали , как вода влияет на функции клеток; они увидели, что уменьшение количества воды в клетке на 20% подавляет метаболизм, при этом метаболизм постепенно снижается по мере высыхания клетки, а вся метаболическая активность прекращается, когда уровень воды достигает 70% ниже нормального. [5]
Хотя вода жизненно важна для жизни, структура этой воды в цитозоле недостаточно изучена, главным образом потому, что такие методы, как спектроскопия ядерного магнитного резонанса , дают информацию только об средней структуре воды и не могут измерить локальные изменения в микроскопическом масштабе. Даже структура чистой воды плохо изучена из-за способности воды образовывать такие структуры, как водные кластеры, посредством водородных связей . [19]
Классический взгляд на воду в клетках состоит в том, что около 5% этой воды прочно связано растворенными веществами или макромолекулами в виде сольватной воды , тогда как большая часть имеет ту же структуру, что и чистая вода. [5] Эта сольватная вода не активна при осмосе и может иметь различные растворяющие свойства, так что некоторые растворенные молекулы исключаются, а другие становятся концентрированными. [20] [21] Однако другие утверждают, что эффекты высоких концентраций макромолекул в клетках распространяются на весь цитозоль и что вода в клетках ведет себя совсем не так, как вода в разбавленных растворах. [22] Эти идеи включают в себя предположение о том, что клетки содержат зоны с низкой и высокой плотностью воды, что может иметь широкомасштабное воздействие на структуры и функции других частей клетки. [19] [23] 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 эффективна. подвижны и, вероятно, связаны с макромолекулами. [24]
Концентрации других ионов в цитозоле сильно отличаются от таковых во внеклеточной жидкости , и цитозоль также содержит гораздо большее количество заряженных макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты, чем вне клеточной структуры.
В отличие от внеклеточной жидкости, цитозоль имеет высокую концентрацию ионов калия и низкую концентрацию ионов натрия . [27] 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 выводятся, а ионы калия поглощаются Na⁺/K⁺-АТФазой , ионы калия затем стекают по градиенту своей концентрации через ионные каналы отбора калия, эта потеря положительного заряда создает отрицательный мембранный потенциал . Чтобы сбалансировать эту разность потенциалов , отрицательные ионы хлорида также выходят из клетки через селективные хлоридные каналы. Потеря ионов натрия и хлорида компенсирует осмотический эффект более высокой концентрации органических молекул внутри клетки. [27]
Клетки могут справляться с еще более серьезными осмотическими изменениями, накапливая в цитозоле осмопротекторы, такие как бетаины или трегалоза . [27] Некоторые из этих молекул могут позволить клеткам выжить, будучи полностью высушенными, и позволить организму войти в состояние анабиоза, называемое криптобиозом . [28] В этом состоянии цитозоль и осмопротекторы становятся стеклообразным твердым веществом, которое помогает стабилизировать белки и клеточные мембраны от разрушительного воздействия высыхания. [29]
Низкая концентрация кальция в цитозоле позволяет ионам кальция действовать как вторичный мессенджер при передаче сигналов кальция . Здесь сигнал, такой как гормон или потенциал действия, открывает кальциевый канал , и кальций попадает в цитозоль. [30] Это внезапное увеличение цитозольного кальция активирует другие сигнальные молекулы, такие как кальмодулин и протеинкиназа C. [31] Другие ионы, такие как хлорид и калий, также могут выполнять сигнальные функции в цитозоле, но они недостаточно изучены. [32]
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. [1] 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 высвобождаются в раствор при лизисе клеток . [5] Действительно, в экспериментах, где плазматическая мембрана клеток была осторожно разрушена с помощью сапонина , не повреждая другие клеточные мембраны, было высвобождено только около четверти клеточного белка. Эти клетки также были способны синтезировать белки, если им давали АТФ и аминокислоты, а это означает, что многие ферменты в цитозоле связаны с цитоскелетом. [33] Однако идея о том, что большинство белков в клетках прочно связаны в сеть, называемую микротрабекулярной решеткой, сейчас считается маловероятной. [34]
У прокариот цитозоль содержит геном клетки внутри структуры, известной как нуклеоид . [35] Это неравномерная масса ДНК и связанных с ней белков, которые контролируют транскрипцию и репликацию бактериальных хромосом и плазмид . У эукариот геном содержится в ядре клетки , которое отделено от цитозоля ядерными порами , которые блокируют свободную диффузию любой молекулы диаметром более 10 нанометров . [36]
Эта высокая концентрация макромолекул в цитозоле вызывает эффект, называемый макромолекулярным краудингом , когда эффективная концентрация других макромолекул увеличивается, поскольку у них меньше объема для перемещения. Этот эффект краудинга может вызывать большие изменения как в скорости , так и в положении химическое равновесие реакций в цитозоле. [1] Это особенно важно из-за его способности изменять константы диссоциации , способствуя ассоциации макромолекул, например, когда несколько белков собираются вместе, образуя белковые комплексы , или когда ДНК-связывающие белки связываются со своими мишенями в геноме . [37]
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. [38]
Хотя небольшие молекулы быстро диффундируют в цитозоль, внутри этого компартмента все же могут возникать градиенты концентрации. Хорошо изученным примером являются «кальциевые искры», которые на короткое время возникают в области вокруг открытого кальциевого канала . [39] Они имеют диаметр около 2 микрометров и существуют всего несколько миллисекунд , хотя несколько искр могут сливаться, образуя более крупные градиенты, называемые «волнами кальция». [40] Градиенты концентрации других малых молекул, таких как кислород и аденозинтрифосфат, могут образовываться в клетках вокруг кластеров митохондрий , хотя они менее изучены. [41] [42]
Белки могут объединяться с образованием белковых комплексов , которые часто содержат набор белков со схожими функциями, например ферменты, которые выполняют несколько этапов одного и того же метаболического пути. [43] Такая организация может обеспечить каналирование субстрата , то есть когда продукт одного фермента передается непосредственно следующему ферменту в пути, не высвобождаясь в раствор. [44] 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. [45] Хотя широкий спектр метаболических путей включает ферменты, которые тесно связаны друг с другом, другие могут включать более слабо связанные комплексы, которые очень трудно изучать вне клетки. [46] [47] Следовательно, значение этих комплексов для метаболизма в целом остается неясным.
Некоторые белковые комплексы содержат большую центральную полость, изолированную от остального цитозоля. Одним из примеров такого закрытого отсека является протеасома . [48] Здесь набор субъединиц образует полый бочонок, содержащий протеазы , которые разрушают цитозольные белки. Поскольку они были бы вредными, если бы свободно смешивались с остатком цитозоля, цилиндр покрыт набором регуляторных белков, которые распознают белки с помощью сигнала, направляющего их на деградацию (убиквитиновая метка ) , и подают их в протеолитическую полость. [49]
Другой большой класс белковых компартментов — это бактериальные микрокомпартменты , которые состоят из белковой оболочки, инкапсулирующей различные ферменты. [50] Эти отсеки обычно имеют диаметр около 100–200 нанометров и состоят из взаимосвязанных белков. [51] Хорошо понятным примером является карбоксисома , которая содержит ферменты, участвующие в фиксации углерода , такие как RuBisCO . [52]
Несвязанные с мембраной органеллы могут образовываться в виде биомолекулярных конденсатов , которые возникают в результате кластеризации, олигомеризации или полимеризации макромолекул , что приводит к коллоидному фазовому разделению 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 ) [53] были исключены из частей цитозоля по краям клетки и рядом с ядром. [54] [55] Эти «исключающие отсеки» 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 в других. [56]
Цитозоль является местом многих клеточных процессов. Примеры этих процессов включают передачу сигнала от клеточной мембраны к участкам внутри клетки, таким как клеточное ядро [57] или органеллы. [58] Этот отсек также является местом многих процессов цитокинеза после разрушения ядерной мембраны в митозе . [59] Другой важной функцией цитозоля является транспортировка метаболитов от места их производства туда, где они используются. Это относительно просто для водорастворимых молекул, таких как аминокислоты, которые могут быстро диффундировать через цитозоль. [18] Однако гидрофобные молекулы, такие как жирные кислоты или стерины , могут транспортироваться через цитозоль с помощью специфически связывающихся белков, которые переносят эти молекулы между клеточными мембранами. [60] [61] Молекулы, попадающие в клетку путем эндоцитоза или на пути к секреции , также могут транспортироваться через цитозоль внутри везикул , [62] которые представляют собой небольшие сферы липидов, которые перемещаются по цитоскелету с помощью моторных белков . [63]
Цитозоль является местом большей части метаболизма у прокариот [9] и значительной части метаболизма эукариот. Например, у млекопитающих около половины белков клетки локализованы в цитозоле. [64] Наиболее полные данные доступны по дрожжам, где метаболические реконструкции показывают, что большинство как метаболических процессов, так и метаболитов происходит в цитозоле. [65] Основными метаболическими путями, которые происходят в цитозоле у животных, являются биосинтез белка , пентозофосфатный путь , гликолиз и глюконеогенез . [66] Локализация путей может быть разной у других организмов, например, синтез жирных кислот происходит в хлоропластах у растений [67] [68] и в апикопластах у апикомплексов . [69]