Cytosol ( az angol cytosol a görög κύτος - cell és az angol sol szóból származik, latin solutio - Solution) - a sejt folyékony tartalma . A citoszol nagy részét az intracelluláris folyadék foglalja el. A citoszolt különféle membránok osztják részekre . Az eukariótákban a citoszol a plazmamembrán alatt helyezkedik el, és része a citoplazmának , amely a citoszolon kívül mitokondriumokat , plasztidokat és más organellumokat tartalmaz, de nem a bennük lévő folyadékot és belső struktúrákat. Így a citoszol az organellumokat körülvevő folyékony mátrix. A prokariótákban az anyagcsere kémiai reakcióinak többsége a citoszolban megy végbe, és csak kis része a membránokban és a periplazmatikus térben . Az eukariótákban, bár sok reakció megy végbe az organellumokban, néhány reakció a citoszolban megy végbe.
Kémiailag a citoszol folyadékban oldott anyagok összetett keveréke. Bár a citoszol nagy része víz, szerkezetét és sejten belüli tulajdonságait nem ismerjük jól. Az ionok , például a kálium- és nátriumkationok koncentrációja különbözik a citoszolban és az extracelluláris folyadékban. Ez a koncentrációkülönbség elengedhetetlen az olyan folyamatokhoz, mint az ozmoreguláció , a jelátvitel és az akciós potenciál generálása olyan ingerlékeny sejtekben, mint az endokrin , ideg- és izomsejtek . A citoszol sok olyan makromolekulát is tartalmaz, amelyek a makromolekuláris zsúfoltság hatására megváltoztathatják a molekulák viselkedését .
Bár a citoszolt korábban molekulák egyszerű oldatának tekintették, több szerveződési szintje van. Ezek közé tartoznak az ionkoncentráció gradiensek (például kalcium), a nagy enzimatikus komplexek, amelyek kölcsönhatásba lépnek egymással és különféle kémiai reakciókat hajtanak végre, valamint olyan fehérjekomplexek, mint a karboxiszómák és proteaszómák , amelyek a citoszol egy részét tartalmazzák.
A "citoszol" kifejezést 1965-ben Henry A. Lardy javasolta, és eredetileg a sérült sejtekből kilépő folyadékkal kapcsolatban használták, valamint az ultracentrifugálás során [2] [3] , amely az oldhatatlan komponenseket kicsapja. Az oldható sejtkivonatok nem azonosak a citoplazma oldható részével, és általában citoplazmatikus frakciónak nevezik őket [4] .
Jelenleg a "citoszol" kifejezést egy élő (ép) sejt citoplazmájának folyékony frakciójára használják [4] . A citoszol összetétele nem tartalmaz folyadékokat az organellumokon belül [5] . A "citoszol" kifejezésnek a citoplazma folyékony részével és a sejtkivonatokkal kapcsolatos használatában a félreértés elkerülése érdekében a "vizes citoplazma" kifejezést néha az élő sejtek citoplazmájának folyékony részére utalják [ 3 ] .
A sejttérfogat citoszolhoz viszonyított aránya változó: míg a baktériumokban a citoszol fenntartja a sejt szerkezetét, és szinte teljes térfogatát elfoglalja, addig növényekben a sejttérfogat nagy része a nagy központi vakuólumra esik [6] . A citoszol főleg vízből, oldott ionokból, kis molekulákból és nagy vízoldható molekulákból (pl . fehérjékből ) áll. A citoszol legtöbb nem fehérje molekulájának tömege eléri a 300 Da -t [7] . A citoszol hatalmas számú metabolitot tartalmaz : például növényekben a sejtekben akár 200 000 metabolitnak kell képződnie [8] , és egy élesztősejtben vagy Escherichia coli baktériumsejtben körülbelül ezer molekulának kell képződnie [9] [10 ] ] .
A citoszol térfogatának nagy része víz (egy tipikus sejtben körülbelül 70%) [11] . Az intracelluláris folyadék pH -ja 7,4 [12] , míg emberben a citoszol pH-ja 7,0 és 7,4 között mozog, és a növekvő sejtek esetében fontosabb [13] . A citoplazma viszkozitása megközelítőleg megegyezik a vízével, bár a kis molekulák diffúziós sebessége ezen a folyadékon keresztül körülbelül 4-szer kisebb, mint a tiszta vízben a számos makromolekulával való ütközés következtében [14] . A sós garnélarák példáján bemutatták, hogy a víz hogyan befolyásolja a sejtfunkciókat. Kimutatták, hogy a sejtben lévő víz arányának 20%-os csökkentése leállítja az anyagcserét, és amikor a sejt kiszárad, az anyagcsere sebessége fokozatosan csökken, és minden anyagcsere leáll, ha a sejt vízszintje 70%-kal a normál alá esik. [3] .
Bár a víz nélkülözhetetlen az élethez, ennek a víznek a szerkezete a citoszolban kevéssé ismert, mivel az olyan módszerek, mint a mágneses magrezonancia és a spektroszkópia , csak általános információkat adnak a víz szerkezetéről, anélkül, hogy figyelembe vennék a mikroszkopikus eltéréseket. Még a tiszta víz szerkezete is kevéssé ismert, mivel a víz hajlamos hidrogénkötéseken keresztül vízklasztereket képezni [15] .
A sejtben lévő víz klasszikus elképzelése az, hogy a víz körülbelül 5%-a olyan állapotban van, amely más anyagokhoz kapcsolódik (azaz oldódást biztosít ), és a víz többi részének szerkezete megegyezik a tiszta vízével [3] . A szolvatáló víz ozmózis alatt inaktív, és más tulajdonságokkal is rendelkezhet, mint oldószer, egyes molekulákat koncentrálva, másokat pedig kiszorítva [16] . Egy másik nézőpont szerint az egész citoszolt nagymértékben befolyásolja nagyszámú oldott makromolekula, és a citoszolos víz viselkedése nagyon eltér a tiszta víz viselkedésétől [17] . Feltételezhető, hogy a sejt belsejében vannak kisebb-nagyobb sűrűségű vízterületek, amelyek erősen befolyásolhatják a sejt más részeinek szerkezetét és működését [15] [18] . A mágneses magrezonancia eredményei azonban ellentmondanak ennek a feltételezésnek, mivel ezen eredmények szerint a sejt vizének 85%-a tiszta vízként viselkedik, míg a víz többi része makromolekulákkal asszociált állapotban van, és kevésbé mozgékony [19]. .
A citoszolban az ionok koncentrációja alapvetően eltér az extracelluláris folyadékban lévőktől, ráadásul a citoszol több töltésű molekulát tartalmaz, például fehérjéket és nukleinsavakat . Az alábbi táblázat a kulcsionok koncentrációját tárgyalja a vízben és az extracelluláris folyadékban .
És ő | Koncentráció a citoszolban ( mM ) | Koncentráció a vérben (mM) |
---|---|---|
Kálium | 139 | négy |
Nátrium | 12 | 145 |
Klór | négy | 116 |
Bikarbonát | 12 | 29 |
Aminosavak a fehérjékben | 138 | 9 |
Magnézium | 0.8 | 1.5 |
Kalcium | < 0,0002 | 1.8 |
Az extracelluláris folyadéktól eltérően a citoszolban magasabb a káliumionok és alacsonyabb a nátriumionok koncentrációja [20] . Ez az ionkoncentráció különbség az ozmoregulációhoz szükséges. Ha a sejten belüli és azon kívüli ionok koncentrációja azonos lenne, az ozmózis törvényei szerint a víz folyamatosan kerülne a sejtbe, mivel a sejt több makromolekulát tartalmaz, mint amennyi kívül van. A nátriumionokat kiszivattyúzzák a sejtből, a káliumionokat pedig éppen ellenkezőleg, a Na+/K±ATPáz enzim pumpálja be . Továbbá a káliumionok a koncentráció gradiens mentén kifelé mozognak a káliumcsatornákon keresztül , és a kationok felszabadulása negatív membránpotenciált okoz . A potenciálkülönbség kiegyenlítése érdekében a negatív töltésű kloridionok speciális kloridcsatornákon keresztül is kilépnek a sejtből . A nátrium- és kloridionok elvesztése kompenzálja a sejten belüli nagy koncentrációjú makromolekulák ozmotikus hatását [20] .
A sejtek még nagyobb potenciálkülönbségeknek is ellenállnak azáltal, hogy a citoszolban felhalmozódnak ozmoprotektánsok , például trehalóz és betain [20] . Ezen molekulák némelyike segít a sejtnek túlélni a teljes kiszáradást és a kriptobiózisba való belépést [21] . Ebben az állapotban a citoszol és az ozmoprotektánsok üvegszerű szilárd anyaggá alakulnak, amely megvédi a sejtfehérjéket és a membránokat a szárítás során bekövetkező károsodástól [22] .
A citoplazmában lévő kalcium alacsony koncentrációja miatt másodlagos hírvivőként működhet a kalcium jelátviteli útvonalakban . Ebben az esetben egy jel, például egy hormonmolekula vagy egy akciós potenciál kalciumcsatornákat nyit meg , amelyeken keresztül a kalcium a citoszolba rohan [23] . A citoszol kalciumkoncentrációjának növelése más jelátviteli molekulákat is aktivál, például a kalmodulint és a protein kináz C- t [24] . Más ionok, mint például a klorid- és káliumionok szintén jelző szerepet játszhatnak a citoszolban, de ez a szerep jelenleg kevéssé ismert [25] .
A membránokhoz vagy a citoszkeletonhoz nem kapcsolódó fehérjemolekulák feloldódnak a citoszolban. A fehérjék mennyisége a sejtekben rendkívül magas, megközelíti a 200 mg/ml-t; a fehérjék a teljes sejt 20-30%-át foglalják el [26] . Az intakt sejt citoszoljában lévő fehérje mennyiségének pontos mérése azonban nagyon nehéz, mert egyes fehérjék gyengén kötődnek a membránokhoz vagy organellumokhoz, és a sejtlízis során oldatba kerülnek [3] . Valójában azok a kísérletek, amelyek során egy sejt plazmamembránját gyengéden tönkreteszi a szaponin hatása anélkül, hogy más membránokat károsítaná, azt mutatták, hogy a fehérjék negyede kikerül. Az ilyen leromlott sejtek azonban képesek lennének fehérjék szintetizálására, ha rendelkezésre álltak volna ATP és aminosavak, így sok citoszolikus fehérje ténylegesen kapcsolódik a citoszkeletonhoz [27] . Az az elképzelés azonban, hogy a legtöbb fehérje szorosan kötődik a mikrotrabekuláris rácsnak nevezett hálózathoz , jelenleg valószínűtlennek tűnik [28] .
A prokariótákban a genomot a citoszol egy nukleoidnak nevezett struktúraként tartalmazza [29] . A nukleoid DNS és kapcsolódó fehérjék rendezetlen tömege, amely szabályozza a bakteriális kromoszóma és a plazmidok replikációját és transzkripcióját . Az eukariótákban a genom a sejtmagba záródik , amelyet a citoszoltól nukleáris pórusok választanak el , amelyek nem teszik lehetővé a 10 nm -nél nagyobb átmérőjű molekulák szabad áthaladását [30] .
A molekulák magas koncentrációja a citoszolban olyan hatást vált ki, amelyet makromolekuláris denzifikációnak neveznek, amelynek során a molekulák effektív koncentrációja megnő, mivel nincs helye szabad mozgásuknak. Ez a hatás jelentős változásokat okozhat a kémiai reakció sebességében és az egyensúlyi helyzetben [26] . A disszociációs állandók változására gyakorolt hatása különösen fontos, mert ennek köszönhetően a makromolekulák asszociációja kedvezővé válik, például a fehérjék multiprotein komplexsé való összeállítása és a DNS-kötő fehérjék kötődése a célpontjukhoz a DNS-molekulán. [31] .
Bár a citoszol komponenseit nem választják el egymástól membránok, nem véletlenszerűen keverednek egymással, és a citoszolon belül számos szerveződési szint létezik, amelyek a molekulákat a citoszol meghatározott helyeire lokalizálják [32] .
Bár a kis molekulák gyorsan diffundálnak a citoszolban, speciális koncentrációgradiensek tarthatók fenn a citoszolon belül. Jó példa erre a „ kalcium - szikrák ”, amelyek rövid időre megjelennek a nyitott kalciumcsatorna melletti területen [33] . A "villanások" körülbelül 2 mikron átmérőjűek, és csak néhány milliszekundumig tartanak, bár egyes felvillanások összeolvadhatnak nagyobb gradiensekké - "calcium waves" ( angolul kalciumhullámok ) [34] . Más kis molekulák, például oxigén és ATP koncentráció-gradiensei is kialakulhatnak mitokondriális klaszterek közelében, de kialakulásuk mechanizmusa kevésbé ismert [35] [36] .
A fehérjék egymással asszociálva fehérjekomplexeket képezhetnek, amelyek gyakran tartalmaznak hasonló funkciójú fehérjék halmazát, például egy sor enzimet, amelyek ugyanazon anyagcsereút különböző lépéseit katalizálják [37] . Ennek köszönhetően szubsztrátcsatornák ( angolul Substrate channeling ) képződnek, amelyekben az egyik enzim reakciótermékei közvetlenül az út következő enziméhez jutnak anélkül, hogy oldatba kerülnének [38] . A szubsztrátcsatornák gyorsabbá és hatékonyabbá tehetik az anyagcsere-utat, mintha az enzimek véletlenszerűen helyezkednének el a citoszolban, és megakadályozzák, hogy instabil intermedierek oldatba kerüljenek [39] . Bár az enzimek nagyszámú metabolikus útvonalon szorosan egymáshoz kötődnek, vannak lazábban kötődő enzimkomplexek is, amelyeket nagyon nehéz a sejten kívül tanulmányozni. Ezért ezeknek a komplexeknek az anyagcsere szempontjából való jelentősége továbbra is tisztázatlan [40] [41] .
Egyes fehérjekomplexek belsejében a citoszolból izolált üreget tartalmaznak. Ilyen komplex például a proteaszóma [42] . A proteaszóma alegységek halmaza egy üreges "hordót" képez, amely a citoplazmatikus fehérjéket lebontó proteázokat tartalmazza. A rosszul hajtogatott fehérjék jelenléte a citoplazmában nem biztonságos, ezért a „hordót” szabályozó fehérjék borítják, amelyek felismerik a degradációs jellel ( ubiquitin címkével) rendelkező fehérjéket, és a proteaszómához irányítják elpusztításra [43] .
A fehérjekompartmentek másik osztálya a bakteriális mikrokompartmentek , amelyek különböző enzimeket tartalmazó fehérjehéjból állnak [44] . Az ilyen kompartmentek jellemzően 100-200 nm méretűek, és egymáshoz szorosan illeszkedő fehérjékből állnak [45] . A mikrokompartment jól tanulmányozott példája a karboxiszóma , amely szénmegkötő enzimeket tartalmaz (pl. rubisco ) [46] .
Bár a citoszkeleton nem része a citoszolnak, ennek a filamentumhálózatnak a jelenléte korlátozza a nagy részecskék sejten belüli diffúzióját. Például számos kísérletben körülbelül 25 nm méretű (majdnem riboszómához hasonló [47] ) kontrollrészecskéket távolítottak el a citoszol azon részeiből, amelyek a sejt és a sejtmag határa közelében helyezkednek el [48] [49] . Az ilyen kompartmentek aktinszálak sűrűbb hálózatát tartalmazhatják, mint a citoszol többi része. Ezek a mikrodomének befolyásolhatják a nagy részecskék, például a riboszómák és más organellumok elhelyezkedését, egyes helyeken koncentrálva azokat a sejtben, és kiszorítva őket másokról [50] .
A citoszolnak nincs egyetlen funkciója, mert sok folyamat játszódik le benne. E folyamatok közé tartozik a jelátvitel a sejtmembránból a sejten belüli olyan helyekre, mint a sejtmag [51] és a különféle organellumok [52] . Számos citokinézis reakció is fellép a citoszolban a nukleáris burok mitózisban bekövetkező lebomlása után [53] . A citoszol másik jelentős szerepe a metabolitok szállítása a képződés helyéről a felhasználási helyekre. A metabolitok között vannak viszonylag egyszerű vízoldható molekulák, például aminosavak , amelyek gyorsan átdiffundálhatnak a citoszolon [14] . Azonban hidrofób molekulák , például zsírsavak vagy szterinek , speciális fehérjék segítségével szállíthatók a citoszolban, amelyek ezeket a molekulákat a membránok között szállítják [54] [55] . A citoszol transzportmolekuláiban endocitózis során befogott vagy szekrécióra szánt hólyagok [56] . A vezikulák kis lipidzsákok , amelyek motorfehérjék segítségével mozognak a citoszkeleton mentén [57] .
A prokariótákban a metabolikus folyamatok többsége a citoszolban zajlik [58] , akárcsak az eukariótákban. Emlősökben tehát a fehérjék körülbelül fele a citoszolban lokalizálódik [59] . Kimutatták, hogy az élesztőben szinte minden metabolikus út és metabolit a citoszolban lokalizálódik [60] . Az állatokban a citoszolban végbemenő metabolikus folyamatok közé tartozik a fehérjeszintézis , a pentóz-foszfát-útvonal , a glikolízis és a glükoneogenezis [61] . Más szervezetekben ezek a metabolikus utak eltérően lokalizálhatók. Például a növényekben a zsírsavak szintézise a kloroplasztiszokban [62] , míg az apikomplexekben az apikoplasztban [63] történik .
![]() | |
---|---|
Szótárak és enciklopédiák |
|