Цитозо́ль (, происходит от — клетка и от — раствор) — жидкое содержимое клетки. Большую часть цитозоля занимает внутриклеточная жидкость. Цитозоль разбивается на компартменты при помощи разнообразных мембран. У эукариот цитозоль располагается под плазматической мембраной и является частью цитоплазмы, в которую, помимо цитозоля, входят митохондрии, пластиды и другие органеллы, но не содержащаяся в них жидкость и внутренние структуры. Таким образом, цитозоль представляет собой жидкий матрикс, окружающий органеллы. У прокариот большая часть химических реакций метаболизма происходит в цитозоле, и лишь небольшая их часть происходит в мембранах и периплазматическом пространстве. У эукариот, хотя многие реакции протекают в органеллах, некоторые реакции, например, гликолиз или синтез жирных кислот, происходят в цитозоле.
Химически цитозоль представляет собой сложную смесь веществ, растворённых в жидкости. Хотя большая часть цитозоля представлена водой, его структура и свойства внутри клеток изучены недостаточно. Концентрации ионов, таких как катионы калия и натрия, различаются в цитозоле и внеклеточной жидкости. Эта разница концентраций существенна для таких процессов, как осморегуляция, передача сигнала и генерация потенциала действия в возбудимых клетках, таких как эндокринные, нервные и мышечные клетки. В цитозоле также содержится много макромолекул, которые могут изменять поведение молекул посредством эффекта скученности макромолекул ().
Хотя ранее цитозоль рассматривали как простой раствор молекул, он имеет несколько уровней организации. В их числе градиенты концентраций ионов (например, кальция), крупные ферментативные комплексы, которые взаимодействуют друг с другом и осуществляют разнообразные химические реакции, а также белковые комплексы вроде карбоксисом и протеасом, которые заключают в себе часть цитозоля.
Определение Термин «цитозоль» был предложен в 1965 году Генри Ларди () и первоначально использовался в отношении жидкости, которая выходит из повреждённых клеток и при ультрацентрифугированииLardy, H. A. 1965. On the direction of pyridine nucleotide oxidation-reduction reactions in gluconeogenesis and lipogenesis. In: Control of energy metabolism, edited by B. Chance, R. Estabrook, and J. R. Williamson. New York: Academic, 1965, p. 245, . которой оседают нерастворимые компоненты. Растворимые клеточные экстракты не идентичны растворимой части цитоплазмы и обычно называются цитоплазматической фракцией.
В настоящее время термин «цитозоль» используется для обозначения жидкой фракции цитоплазмы живой (интактной) клетки. В состав цитозоля не входят жидкости, находящиеся внутри органелл. Чтобы избежать путаницы в употреблении термина «цитозоль» в отношении жидкой части цитоплазмы и экстрактов клеток, для обозначения жидкой части цитоплазмы живых клеток иногда используется термин «водянистая цитоплазма» ().
Свойства и состав
Доля объёма клетки, приходящаяся на цитозоль, варьируется: в то время как у бактерий цитозоль обеспечивает сохранение структуры клетки и занимает почти весь её объём, у растений большая часть объёма клетки приходится на крупную центральную вакуоль. Цитозоль состоит, главным образом, из воды, растворённых ионов, малых молекул и крупных водорастворимых молекул (например, белков). Большая часть небелковых молекул цитозоля имеет массу до 300 Да. Цитозоль включает колоссальное количество метаболитов: например, у растений в клетках должно производиться до метаболитов, а в одной дрожжевой клетке или клетке бактерии Escherichia coli должно образовываться около тысячи молекул.
Вода Большую часть объёма цитозоля составляет вода (около 70 % в типичной клетке). рН внутриклеточной жидкости составляет 7,4, при этом у человека рН цитозоля составляет от 7,0 до 7,4 и имеет большее значение в случае растущих клеток. Вязкость цитоплазмы примерно такая же, как у воды, хотя скорость диффузии малых молекул через эту жидкость примерно в 4 раза меньше, чем в чистой воде, из-за столкновений с многочисленными макромолекулами. На примере рачков-артемий было показано, как вода влияет на клеточные функции. Показано, что сокращение доли воды в клетке на 20 % останавливает метаболизм, причём при высыхании клетки скорость метаболизма прогрессирующе падает, и всякая метаболическая активность прекращается, когда уровень воды в клетке падает на 70 % ниже нормы.
Хотя вода необходима для жизни, структура этой воды в цитозоле изучена слабо, так как методы вроде ядерного магнитного резонанса и спектроскопии дают только лишь общую информацию о структуре воды, не учитывая микроскопические вариации. Даже структура чистой воды понятна плохо из-за склонности воды образовывать водяные кластеры посредством водородных связей.
Классическое представление о воде в клетке таково, что около 5 % воды находится в связанном с другими веществами состоянии (то есть обеспечивает сольватацию), а остальная вода имеет такую же структуру, как чистая вода. Сольватирующая вода неактивна при осмосе и может иметь другие свойства как растворитель, концентрируя одни молекулы и выталкивая другие. Согласно другой точке зрения, на весь цитозоль огромное влияние оказывает большое количество растворённых макромолекул, и поведение цитозольной воды сильно отличается от поведения чистой воды. Есть предположение, что внутри клетки имеются участки большей или меньшей плотности воды, которые могут оказывать сильное влияние на структуру и функции других частей клетки. Однако результаты ядерного магнитного резонанса противоречат этому предположению, так как, согласно этим результатам, 85 % воды клетки ведёт себя как чистая вода, а остальная вода находится в связанном с макромолекулами состоянии и менее подвижна.
Ионы Концентрации ионов в цитозоле коренным образом отличаются от таковых во внеклеточной жидкости, кроме того, в цитозоле содержится больше заряженных молекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты. В таблице ниже рассматриваются концентрации ключевых ионов в воде и во .
+Типичные концентрации ионов в цитозоле и крови млекопитающих.Ион Концентрация в цитозоле (мМ) Концентрация в крови (мМ) Калий 139 4 Натрий 12 145 Хлор 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 большую концентрацию ионов калия и меньшую концентрацию ионов натрия. Это различие в концентрации ионов необходимо для осморегуляции. Если бы концентрации ионов внутри клетки и вне её были одинаковы, по законам осмоса вода бы непрерывно поступала в клетку из-за того, что клетка содержит больше макромолекул, чем их имеется снаружи. Ионы натрия выкачиваются из клетки, а ионы калия, напротив, закачиваются ферментом Na+/K±АТФ-азой. Далее ионы калия движутся по градиенту концентрации наружу через калиевые каналы, и выход катионов вызывает отрицательный мембранный потенциал. Чтобы сбалансировать разницу в потенциалах, из клетки также выходят отрицательно заряженные ионы хлора через специальные хлоридные каналы. Утрата ионов натрия и хлора компенсирует осмотический эффект высокой концентрации макромолекул внутри клетки.
Клетки могут выдерживать ещё большую разницу в потенциалах, накапливая в цитозоле , такие как трегалоза и бетаины. Некоторые из этих молекул помогают клетке выжить при полном высушивании и вхождении в криптобиоз. В этом состоянии цитозоль и осмопротекторы превращаются в стеклоподобное твёрдое вещество, которое предохраняет клеточные белки и мембраны от повреждений при высыхании.
Благодаря низкой концентрации кальция в цитоплазме он может работать как вторичный посредник в . В этом случае сигнал, такой как молекула гормона или потенциал действия, открывает кальциевые каналы, по которым кальций устремляется в цитозоль. Увеличение концентрации кальция в цитозоле активирует другие сигнальные молекулы, такие как кальмодулин и протеинкиназа C. Другие ионы, такие как ионы хлора и калия, тоже могут выполнять сигнальные роли в цитозоле, но эта роль в настоящее время плохо изучена.
Макромолекулы Белковые молекулы, которые не прикреплены к мембранам или цитоскелету, растворены в цитозоле. Количество белков в клетках чрезвычайно велико и приближается к 200 мг/мл, белки занимают от 20 до 30 % всей клетки. Однако измерение точного количества белка в цитозоле интактной клетки очень сложно, поскольку некоторые белки слабо связаны с мембранами или органеллами и выходят в раствор при лизисе клеток. Действительно, эксперименты, в которых плазматическая мембрана клетки аккуратно разрушалась под действием сапонина без повреждения других мембран, показали, что наружу выходит четверть белков. Такие полуразрушенные клетки были способны, тем не менее, синтезировать белки, если в доступе есть АТФ и аминокислоты, поэтому многие белки цитозоля в действительности связаны с цитоскелетом. Однако идея о том, что большинство белков прочно связаны с сетью, называемой микротрабекулярная решётка (), в настоящее время представляется маловероятной.
У прокариот геном содержится в цитозоле в виде структуры, называемой нуклеоидом. Нуклеоид представляет собой неупорядоченную массу ДНК и ассоциированных белков, которые контролируют репликацию и транскрипцию бактериальной хромосомы и плазмид. У эукариот геном заключён в ядре, который отделён от цитозоля ядерными порами, не допускающими свободного прохождения молекул диаметром более 10 нм.
Высокая концентрация молекул в цитозоле порождает эффект, известный как макромолекулярное уплотнение, при котором эффективная концентрация молекул повышается, поскольку у них нет места для свободного движения. Этот эффект может вызывать существенные изменения в скорости химической реакции и положении равновесия. Его действие на изменение констант диссоциации особенно важно, поскольку благодаря этому благоприятной становится ассоциация макромолекул, например, сборка белков в мультибелковый комплекс и связывание ДНК-связывающих белков со своей мишенью на молекуле ДНК.
Организация Хотя компоненты цитозоля не отделены друг от друга мембранами, они не смешиваются друг с другом случайным образом, и внутри цитозоля имеется несколько уровней организации, локализующих молекулы в специальных сайтах цитозоля.
Градиенты концентрации Хотя мелкие молекулы быстро диффундируют в цитозоле, внутри цитозоля могут поддерживаться специальные градиенты концентрации. Хорошим примером могут служить «кальциевые вспышки» (), которые появляются на короткий период времени в участке рядом с открытым кальциевым каналом. «Вспышки» достигают около 2 мкм в диаметре и длятся всего несколько миллисекунд, хотя некоторые вспышки могут сливаться с образованием более крупных градиентов — «кальциевых волн» (). Градиенты концентрации других малых молекул, таких как кислород и АТФ, могут образовываться вблизи кластеров митохондрий, но механизм их образования менее понятен.
Белковые комплексы Белки могут ассоциировать друг с другом с образованием белковых комплексов, которые часто содержат набор белков с похожими функциями, например, набор ферментов, катализирующих разные этапы одного и того же метаболического пути. Благодаря этому формируются субстратные каналы (), при которых продукты реакции одного фермента передаются непосредственно следующему ферменту пути без высвобождения в раствор. Субстратные каналы могут сделать метаболический путь более быстрым и эффективным, чем если бы ферменты располагались в цитозоле случайным образом, и предотвращают выход в раствор нестабильных промежуточных продуктов пути. Хотя в большом количестве метаболических путей ферменты плотно связаны друг с другом, существуют и более слабо связанные ферментные комплексы, которые очень трудно изучать вне клетки. Поэтому и значимость этих комплексов для метаболизма остаётся неясной.
Белковые компартменты