Citosol

Ilcitosolofluido intracellulare(ICF) è il liquido che si trova all'interno dellecellule. Esso è suddiviso in compartimenti per mezzo delle membrane. Ad esempio, lamembrana mitocondrialesepara ilmitocondrioin molti compartimenti.
Nellacellula eucariotica, il citosol si trova all'interno dellamembrana cellulareed è parte delcitoplasma, che comprende anche i mitocondri, iplastidie altriorganelli(ma non i loro fluidi interni e le strutture); ilnucleo cellulareè separato. Neiprocarioti, la maggior parte dellereazioni chimichedelmetabolismoavvengono nel citosol, mentre solo poche si svolgono nelle membrane o nello spazioperiplasmico. Negli eucarioti, mentre moltevie metabolicheavvengono ancora nel citoplasma, altre si svolgono all'interno degli organelli.
Il citosol è una miscela complessa di sostanze disciolte inacqua. Anche se l'acqua costituisce la grande maggioranza del citosol, la struttura e le proprietà che si trovano all'interno delle cellule non sono ancora del tutto ben comprese. Le concentrazioni diionicomesodioepotassiosono diverse nel citosol rispetto alfluido extracellulare; queste differenze nei livelli di ioni sono importanti nei processi quali l'osmoregolazione, lasegnalazione cellularee la generazione dipotenziali di azionenelle cellule eccitabili, come lecellule endocrine,nervoseemuscolari. Il citosol contiene anche grandi quantità dimacromolecole, che possono alterare il comportamento di altre molecole, come attraverso l'affollamento macromolecolare.
Anche se in principio si riteneva che fosse unasoluzionedi molecole, il citosol vanta più livelli di organizzazione. Questi includono igradienti di concentrazionedi piccole molecole come ilcalcio, e grandi complessi dienzimiche agiscono insieme per effettuarepercorsi metaboliciecomplessi multiproteiciqualiproteasomiecarbossisomache racchiudono e separano parti del citosol.
Il termine citosol è stato introdotto nel 1965 da H.A. Lardy e inizialmente si riferiva al liquido che veniva prodotto rompendo le cellule e passando tutti i componenti insolubili all'ultracentrifugazione.Tale estratto cellulare solubile non è identico alla parte solubile del citoplasma cellulare e di solito è chiamato frazione citoplasmatica.Il terminecitosolviene ora utilizzato per fare riferimento alla fase liquida del citoplasma in una cellula intatta.Ciò esclude qualsiasi parte del citoplasma contenuta all'interno di organelli.A causa della possibilità di confusione tra l'uso della parola "citosol" per indicare sia gli estratti di cellule e la parte solubile del citoplasma nelle cellule intatte, il termine "citoplasma acquoso" è stato utilizzato per descrivere il contenuto liquido del citoplasma delle cellule viventi.
La proporzione rappresentata dal citosol del volume di una cellula è variabile: per esempio esso costituisce la maggior parte della struttura cellulare neibatteri,nellecellule vegetalila zona principale è invece il grandevacuolocentrale.Il citosol consiste principalmente di acqua, ioni disciolti, piccole molecole e grandi molecole idrosolubili (come le proteine). La maggior parte di queste molecole non proteiche possiedono unamassa molecolareinferiore a 300Da.Questa miscela di piccole molecole è straordinariamente complessa, come la varietà di molecole che sono coinvolti nelmetabolismo(metaboliti) che risulta immenso. Ad esempio, fino a 200.000 diverse piccole molecole possono essere create nelle piante, anche non tutte saranno presenti nella stessa specie o in una singola cellula.Le stime del numero di metaboliti nelle singole cellule, come ad esempio nell'Escherichia colio nellievito di birra, prevedono che ve ne siano circa 1.000.
La maggior parte del citosol è costituito da acqua, che rappresenta circa il 70% del volume totale di una tipica cellula.IlpHdel liquido intracellulare è 7,4mentre il pH citosolico umano varia tra 7,0 -7,4, e solitamente è maggiore se una cellula è in crescita.Laviscositàdel citoplasma è circa la stessa dell'acqua pura, anche se ladiffusionedi piccole molecole attraverso questo liquido è di circa quattro volte più lenta rispetto all'acqua pura, soprattutto a causa delle collisioni con il grande numero dimacromolecolepresenti.Studi effettuati sulleartemiehanno esaminato come l'acqua modifica le funzioni delle cellule; essi hanno evidenziato che una riduzione del 20% della quantità di acqua in una cellula è in grado di inibire ilmetabolismo, infatti con la progressiva diminuzione delle attività metaboliche la cellula si secca e tutta l'attività metabolica si arresta quando il livello dell'acqua raggiunge il 70% inferiore alla norma.
Sebbene l'acqua sia fondamentale per la vita, la struttura di essa nel citosol non è ancora ben compresa, soprattutto perché metodi come laspettroscopia di risonanza magnetica nucleareforniscono solo informazioni sulla struttura media dell'acqua e non possono evidenziare variazioni locali su scala microscopica. Anche la struttura dell'acqua pura è scarsamente compresa, a causa della sua capacità di formare strutture comecluster d'acquaattraversolegami idrogeno.
La visione classica dell'acqua nelle cellule è che circa il 5% di essa sia fortemente legata daisolutio dalle macromolecole come l'acqua disolvatazione, mentre la maggior parte ha la stessa struttura dell'acqua pura.Questa acqua di solvatazione non è attiva nell'osmosie può avere differenti proprietà come solventi, in modo che alcune molecole disciolte sono escluse, mentre altre diventano concentrate.Tuttavia, altri sostengono che gli effetti delle alte concentrazioni di macromolecole nelle cellule si estendono per tutto il citosol e che l'acqua presente nelle cellule si comporti molto diversamente dall'acqua delle soluzioni diluite.Queste teorie comprendono l'ipotesi che le cellule contengano zone di acqua a bassa e ad altadensitàe ciò potrebbe comportare effetti diffusi sulle strutture e sulle funzioni delle altre parti di essa.Tuttavia, l'uso di metodi avanzati dirisonanza magnetica nucleare, al fine di misurare direttamente la mobilità dell'acqua nelle cellule viventi contraddice questa idea, suggerendo che l'85% dell'acqua agisca sulla cellula come acqua pura, mentre il resto risulta meno mobile e probabilmente destinata alle macromolecole.
Le concentrazioni degliioninel citosol sono molto diverse da quelle nel liquido extracellulare e il citosol contiene anche quantità molto elevate di macromolecole cariche, come proteine e acidi nucleici, superiori all'esterno della struttura cellulare.
A differenza del fluido extracellulare, il citosol possiede un'alta concentrazione di ionipotassioe una bassa concentrazione di ioni disodio.Questa differenza di concentrazione di ioni è fondamentale per l'osmoregolazione, poiché se i livelli di ioni fossero gli stessi all'interno e all'esterno di una cella, l'acqua entrerebbe costantemente perosmosi, poiché i quantitativi di macromolecole all'interno delle cellule sono superiori ai quelli esterni. Invece, gli ioni di sodio vengono espulsi e gli ioni potassio inseriti per mezzo dellapompa sodio-potassio, gli ioni di potassio poi diminuiscono il loro gradiente di concentrazione attraverso i canali ionici di selezione del potassio, ciò comporta una perdita dicarica positivache crea unpotenziale di membrananegativo. Per bilanciare questadifferenza di potenziale, anche gli ioni negativi di cloruro escono dalla cellula, attraverso canali selettivi del cloro. La perdita di ioni sodio e cloro compensa l'effetto osmotico della maggiore concentrazione di molecole organiche all'interno della cellula.
Le cellule sono in grado di realizzare ancora più grandi cambiamenti osmotici accumulandoosmoprotettoriqualibetaineotrealosionel loro citoplasma.Alcune di queste molecole permettono alle cellule di sopravvivere anche se sono completamente asciugate e permettono ad un organismo di entrare in uno stato di vita ametabolico chiamatocriptobiosi.In questo stato, il citoplasma e gli osmoprotettori diventano simili al vetro solido e ciò aiuta a stabilizzare le proteine e le membrane cellulari dagli effetti dannosi del disseccamento.
La bassa concentrazione di calcio nel citosol permette agli ioni calcio di funzionare comesecondo messaggeronellasegnalazione del calcio. Qui, un segnale, ad esempio unormoneo unpotenziale d'azioneapre i canali del calcio in modo che entri nel citosol.Questo improvviso aumento di calcio citosolico attiva altre molecole di segnalazione, qualicalmodulinaeprotein-chinasi C.Altri ioni, come ilcloruro di potassiopossono anch'essi possedere funzioni di segnalazione nel citosol, ma queste non sono ancora ben comprese.
Le molecole proteiche che non legano allemembrane cellulario alcitoscheletrovengono sciolti nel citosol. La quantità di proteine nelle cellule è estremamente elevata e si avvicina a 200 mg/ml, che occupa circa il 20%-30% del volume totale del citosol.Tuttavia, misurare con precisione la quantità di proteine disciolta nel citosol nelle cellule intatte è difficile, poiché alcune proteine sembrano essere debolmente associate con le membrane o gliorganulidelle cellule intere e vengono rilasciati in soluzione appena avvine lalisicellulare.In effetti, negli esperimenti in cui la membrana plasmatica delle cellule è stata accuratamente rotta utilizzando lasaponina, senza danneggiare le altre membrane cellulari, soltanto circa un quarto delle proteine cellulari è stata rilasciata. Queste cellule sono in grado di sintetizzare le proteine se dispongono degliaminoacidie dell'ATP, implicando molti degli enzimi presenti nel citosol che sono collegati al citoscheletro.Tuttavia, la teoria che la maggior parte delle proteine delle cellule siano strettamente legate in una rete chiamatareticolo microtrabecolareè ora è vista come improbabile.
Neiprocarioti, il citosol contiene ilgenomadella cellula, all'interno di una struttura nota comenucleoide.Questo è una massa irregolare di DNA e proteine associate che controllano latrascrizionee lareplicazionedei cromosomibattericie deiplasmidi. Neglieucarioti, invece, il genoma si trova nelnucleodella cellula, che è separato dal citosol dapori nucleariche bloccano la libera diffusione di qualsiasi molecola più grande di circa 10nanometrididiametro.
L'elevata concentrazione di macromolecole nel citosol provoca un effetto chiamatoaffollamento macromolecolare, che avviene quando si riscontra l'aumento della concentrazione effettiva di altre macromolecole, poiché hanno meno volume per muoversi. Questo effetto affollamento può produrre grandi cambiamenti nellavelocità di reazionee nell'equilibrio chimicodelle reazioni che avvengono nel citosol.È particolarmente importante nella sua capacità di alterare lecostanti di dissociazionefavorendo l'associazione di macromolecole, ad esempio quando più proteine si uniscono per formarecomplessi proteicio quando leproteine che legano il DNAsi legano ai loro bersagli nelgenoma.
Sebbene i componenti del citosol non sono separati in regioni tramite membrane cellulari, questi componenti non si mescolano sempre in modo casuale e diversi livelli di organizzazione esistono e possono localizzare le molecole specifiche.
Anche se le piccole molecole sidiffondonorapidamente nel citosol, possono ancora essere creati dei gradienti di concentrazione. Un esempio ben studiato di questi sono le "scintille di calcio" che vengono prodotte per un breve periodo nella regione intorno a un canale del calcio aperto.Essi hanno un diametro di circa 2 micrometri e durano solo pochi millisecondi, anche se diverse scintille possono fondersi per formare pendenze più grandi, chiamate "onde di calcio".I gradienti di concentrazione di altre piccole molecole, comeossigenoeadenosina trifosfatopossono essere prodotti nelle cellule intorno a gruppi di mitocondri, tuttavia questi sono meno conosciuti.
Le proteine possono associarsi per formare complessi proteici. Questi spesso contengono una serie di proteine con funzioni simili, comeenzimiche svolgono più passi nella stessavia metabolica.Questa organizzazione può consentire lacanalizzazione del substrato, che avviene quando il prodotto di un enzima viene passato direttamente al secondo enzima, attraverso un percorso, senza essere rilasciato nella soluzione.La canalizzazione è in grado di rendere un percorso più rapido ed efficiente rispetto a quanto lo fosse se gli enzimi fossero casualmente distribuiti nel citosol ed è anche in grado di prevenire il rilascio di intermedi instabili di reazione.Anche se una grande varietà di vie metaboliche coinvolgono enzimi strettamente legati tra loro, altre possono coinvolgere complessi più scarsamente associati che sono molto più difficili da studiare all'esterno della cellula.Di conseguenza, l'importanza di questi complessi per il metabolismo in generale rimane poco chiaro.
Alcuni complessi proteici contengono una grande cavità centrale che risulta isolata dal resto del citosol. Un esempio di una tale cavità è ilproteosoma.Esso è una serie di subunità che formano una zona vuota contenenteproteasiche degradano le proteine citosoliche. Poiché sarebbe dannoso se queste fossero miscelate liberamente con il resto del citosol, il complesso è costituito da un insieme di proteine regolatrici che riconoscono (ubiquitinazione) quelle da degradare indirizzandole verso la cavità proteolitica.
Un altro grande classe di comparti proteici sono imicrocompartimenti batterici, che sono fatti di un involucro proteico che incapsula diversi enzimi.Questi comparti sono in genere circa grandi da 100 a 200nanometrie fatti di proteine ad incastro.Un esempio ben capito è ilcarbossisoma, che contiene enzimi coinvolti nellafase di fissazione del carbonionella fissazione del carbonio dellaribulosio-bisfosfato carbossilasi.
Sebbene ilcitoscheletronon faccia parte del citosol, la presenza di questa rete di filamenti limita la diffusione delle particelle di grandi dimensioni nella cellula. Ad esempio, in diversi studi le particelle grandi circa 25 nanometri (circa la dimensione di unribosoma)sono state escluse dalle zone del citosol intorno ai bordi della cellula e vicino al nucleo.Questi "comparti esclusi" possono contenere un reticolo molto più denso di fibre diactinarispetto al resto del citosol. Questi microdomini potrebbero influenzare la distribuzione delle grandi strutture come i ribosomi e gli organuli all'interno del citoplasma escludendoli da alcune zone e concentrandoli in altre.
Il citosol non ha una sola funzione, al contrario è il sito di multipli processi cellulari. Un esempio di questi processi include latrasduzione del segnaledalla membrana cellulare ai siti all'interno della cellula, come ilnucleo della cellula,o altri organuli.Questo comparto è anche il sito di molti dei processi dicitochinesi, dopo la separazione della membrana nucleare durante lamitosi.Un'altra importante funzione del citosol è quella di trasportare imetabolitidal loro sito di produzione verso la zona in cui verranno utilizzati. Questo è relativamente semplice per le molecole idrosolubili, come gli amminoacidi, che possono diffondersi rapidamente attraverso il citosol.Tuttavia, le molecole idrofobe, come gliacidi grassio glisteroli, possono essere trasportati attraverso citosol solo mediante specifiche proteine di legame, che spostano queste molecole tra le membrane cellulari.Le molecole inglobate nella cellula medianteendocitosio quellesecretepossono essere trasportate attraverso il citosol all'interno dellevescicole,che sono piccole sferelipidicheche vengono spostate lungo il citoscheletro grazie all'azione diproteine motrici.
Il citosol è il sito dove avvengono la maggior parte dei processi metabolici nei procariotie una gran parte di essi negli eucarioti. Ad esempio, neimammifericirca la metà delle proteine della cellula sono localizzate nel citosol. I dati più completi sono disponibili per il lievito, dove le ricostruzioni metaboliche indicano che la maggior parte dei processi metabolici e metaboliti si verificano nel citosol.Le principalivie metabolicheche si realizzano nel citosol degli animali consistono nellabiosintesi proteica, lavia dei pentoso fosfati, laglicolisie lagluconeogenesi.La localizzazione dei percorsi può essere differente negli altri organismi: per esempio, nelle piante la sintesi degli acidi grassi avviene neicloroplastimentre neiapicomplexaavviene degliapicoplasti.