Citosol

O citosol ou matriz citoplasmática é o líquido que enche o interior do citoplasma da célula, que está separado por membranas celulares doutras partes da célula, como a matriz mitocondrial do interior da mitocondria (véxase máis adiante o capítulo Definición). Nos procariotas, a maioría das reaccións químicas do metabolismo teñen lugar no citosol, e só unhas poucas teñen lugar en membranas ou no espazo periplásmico. Nos eucariotas, aínda que moitas vías metabólicas se desenvolven no citosol, outras teñen lugar dentro dos orgánulos.
O citosol é unha complexa mestura de substancias disoltas en auga. Aínda que a auga forma a maior parte do citosol, a súa estrutura e propiedades na célula non se comprenden totalmente. As concentracións de ións como sodio e potasio do citosol son diferentes das do fluído extracelular; estas diferenzas na concentración de ións son importantes en procesos como a osmorregulación e a comunicación celular. O citosol tamén contén grandes cantidades de macromoléculas, as cales poden alterar o comportamento molecular, por medio da súa alta concentración.
Aínda que ao principio se pensaba que o citosol era unha simple solución de moléculas, nel existen múltiples niveis de organización. Isto inclúe gradientes de concentración de pequenas moléculas ou ións como calcio, grandes complexos como moitos encimas que levan a cabo as reaccións das vías metabólicas, e complexos proteínicos como os proteasomas e carboxisomas que encerran e separan partes do citosol. Definición
O termo citosol foi introducido por primeira vez en 1965 por H. A. Lardy, e inicialmente facía referencia ao líquido que se orixinaba ao romper as células e separar todos os compoñentes insolubles por ultracentrifugación. Este extracto celular soluble non é idéntico á porción soluble do citoplasma da célula e é xeralmente denominado fracción citoplasmática. O termo citosol úsase agora para referirse á fase líquida do citoplasma nunha célula intacta, isto exclúe calquera porción do citoplasma contida dentro dos orgánulos. Debido á posibilidade de confusión no uso do termo "citosol" para referirse tanto aos extractos celulares coma á porción soluble do citoplasma en células intactas, empezou a usarse o termo "citoplasma acuoso" para describir o contido líquido do citoplasma nas células vivas.
Anteriormente, utilizábanse outros termos para referirse ao fluído intracelular, que non eran sempre sinónimos de citosol (ver, por exemplo, protoplasma). Un termo aproximadamente sinónimo moi usado é hialoplasma. Propiedades e composición
A proporción do volume celular ocupada polo citosol varía: por exemplo, mentres que esta porción forma a gran maioría da estrutura celular dunha bacteria, nas células vexetais o principal compartimento da célula é o gran vacúolo central. O citosol consta principalmente de auga, ións disoltos, pequenas moléculas, e grandes moléculas hidrosolubles (como as proteínas). A maioría destas moléculas non proteicas teñen unha masa molecular de menos de 300 Da. esta mestura de pequenas moléculas é extraordinariamente complexa, xa que a variedade de moléculas que están implicadas no metabolismo (os metabolitos) é inmensa. Por exemplo, as plantas poden elaborar ata 200000 pequenas moléculas diferentes, aínda que non todas están presentes nunha mesma especie, ou nunha determinada célula. Estímase que o número de metabolitos en células de organismos unicelulares como a bacteria Escherichia coli e o lévedo Saccharomyces cerevisiae está por debaixo de 1000.
Auga
A maior parte do citosol é auga, substancia que supón o 70% do volume total dunha célula típica. O pH do fluído extracelular é 7, 4. mentres que o pH citosólico humano está entre 7, 0 e 7, 4, e é normalmente maior se a célula está crecendo. A viscosidade do citoplasma é aproximadamente a mesma que a da auga pura, pero a difusión de pequenas moléculas a través deste líquido é unhas catro veces máis lenta que en auga pura, debido principalmente a colisións co gran número de macromoléculas que hai no citosol. Estudos feitos no camarón Artemia comprobaron como afectaba a perda de auga ás funcións celulares; e atoparon que reducindo a cantidade de auga na célula por debaixo do 80% do nivel normal o metabolismo quedaba inhibido, xa que este decrecía progresivamente a medida que a célula perdía auga e acababa por deterse por completo cando o nivel de auga chegaba ao 30% do normal.
Aínda que a auga é vital para a vida, a estrutura da auga no citosol non se comprende ben, principalmente porque métodos como a resonancia magnética nuclear só dan información da estrutura media da auga, e non poden medir as variacións locais a escala microscópica. Mesmo a estrutura da auga pura é pouco comprendida, debido á capacidade da auga de formar estruturas por medio do establecemento de pontes de hidróxeno entre as súas moléculas.
A idea clásica que se ten da auga nas células é que arredor do 5% da auga está fortemente unida a solutos e macromoléculas como auga de solvatación, e o resto ten unha estrutura idéntica á da auga pura. Esta auga de solvatación non é activa na osmose e pode ter diferentes propiedades como solvente, de modo que algunhas moléculas disoltas son excluídas, mentres que outras son concentradas. Porén, outros argumentan que as grandes concentracións de macromoléculas na célula exercen efectos que se espallan polo citosol e que a auga nas células compórtase de xeito moi diferente ao da auga en solucións diluídas. Estas ideas inclúen a proposta de que as células conteñen zonas con alta e con baixa densidade de auga, as cales poderían estender os seus efectos sobre estruturas e funcións doutras partes da célula. Non obstante, o uso de avanzados métodos de resonancia magnética nuclear para medir directamente a mobilidade da auga nas células vivas contradí esta idea, xa que suxire que o 85% da auga celular actúa igual que a auga pura, e o resto é menos móbil e probablemente está unida ás macromoléculas.
Ións
As concentracións de ións no citosol son bastante diferentes das que hai no fluído extracelular e o citosol contén moita maior cantidade de macromoléculas cargadas, como proteínas e ácidos nucleicos, que o exterior da célula. A diferenza do fluído extracelular, o citosol ten altas concentracións de ións potasio e unha baixa concentración de ións sodio. Esta diferenza nas concentracións de ións é crucial para a osmorregulación, xa que se os niveis de ións fosen os mesmos dentro e fóra da célula, a auga entraría constantemente por osmose, dado que os niveis de macromoléculas dentro da célula son sempre moito máis altos que fóra. En lugar disto, o que sucede é que os ións sodio son expulsados da célula e os ións potasio son incorporados pola ATPase de Na⁺/K⁺ ou bomba de Na⁺/K⁺, polo que os ións potasio flúen a favor de gradiente de concentración por canles iónicas selectivas para o potasio, e esta perda de cargas positivas crea un potencial de membrana negativo. Para equilibrar esta diferenza de potencial, saen tamén da célula ións cloruro negativos, a través de canles específicas para o cloruro. A perda de ións sodio e cloruro compensa o efecto osmótico exercido polas altas concentracións de moléculas orgánicas do interior da célula. As células poden compensar cambios osmóticos mesmo maiores acumulando osmoprotectores como betaínas ou a trehalosa no seu citosol. Algunhas destas moléculas poden permitir que as células sobrevivan estando completamente secas e que un organismo entre nun estado de animación suspendida chamado criptobiose. Neste estado o citosol e os osmoprotectores convértense en algo parecido a un sólido cristalino que axuda a estabilizar as proteínas e as membranas celulares dos efectos nocivos da desecamento.
As baixas concentracións de ión calcio no citosol permiten que este ión funcione como un segundo mensaxeiro intracelular na activación por calcio. Nesta activación un sinal como a chegada dunha hormona ou o establecemento dun potencial de ación abre as canles de calcio para que o calcio flúa cara a dentro do citosol. Este súbito incremento de calcio citosólico activa outras moléculas sinalizadoras, como a calmodulina e a proteína quinase C. Outros ións como o cloruro e o potasio poden tamén ter funcións activadoras no citosol, mais estas non se comprenden tan ben.
Macromoléculas
As moléculas proteicas que non están unidas á membrana plasmática ou ao citoesqueleto están disoltas no citosol. A cantidade de proteínas das células é extremadamente alta, e chega a uns 200 mg/ml, ocupando do 20 ao 30% do volume do citosol. Porén, medir con precisión a cantidade de proteínas disoltas no citosol en células intactas non é doado, xa que algunhas proteínas parecen estar feblemente asociadas a membranas ou orgánulos nas células enteiras e son liberadas en disolución despois da lise celular. Así, en experimentos onde a membrana plasmática foi desfeita coidadosamente usando saponina, sen danar as outras membranas celulares, só quedaron liberadas arredor dunha cuarta parte das proteínas celulares. Estas células podían tamén sintetizar proteínas se recibían ATP e aminoácidos, o que implica que moitos dos encimas do citosol están unidos ao citoesqueleto. Non obstante, a idea tradicional de que a maioría das proteínas da célula están fortemente unidas á rede chamada rede microtrabecular parece hoxe improbable.
En procariotas o citosol contén o xenoma celular, concentrado nunha zona chamada nucleoide. Este é unha masa irregular de ADN e proteínas asociadas que controla a transcrición e a replicación do ADN dos cromosomas e plásmidos bacterianos. En eucariotas o xenoma está contido no núcleo celular, o cal está separado do citosol por poros nucleares que bloquean a libre difusión de calquera molécula maior de 10 nanómetros de diámetro.
Esta alta concentración de macromoléculas no citosol causa un efecto chamado ateigamento macromolecular (macromolecular crowding), que se dá cando a concentración efectiva doutras macromoléculas se incrementa e teñen menos volume para moverse. Este efecto pode producir grandes cambios tanto na velocidade de reacción coma na posición do equilibrio químico das reaccións no citosol. É especialmente importante a súa capacidade de alterar a constante de disociación ao favorecer a asociación de macromoléculas, como cando múltiples proteínas se unen para formar un complexo proteico, ou cando proteínas de unión ao ADN se ligan aos seus sitios de unión no xenoma. Organización
Aínda que os compoñentes do citosol non están separados en rexións por membranas celulares, estes compoñentes non sempre se mesturan aleatoriamente e obsérvanse varios niveis de organización que fan que determinadas moléculas poidan localizarse en sitios específicos do citosol.
Gradientes de concentración
A pesar de que as moléculas pequenas poden difundir rapidamente polo citosol, poden, de todos modos, orixinarse gradientes de concentración dentro deste compartimento celular. Un exemplo ben estudado disto son as "explosións de calcio" que se producen durante un curto período de tempo nas rexións que rodean unha canle de calcio aberta. Estas canles teñen arredor de 2 micrómetros de diámetro e duran abertas só uns poucos milisegundos, aínda que pode combinarse a acción de varias destas canles para formar fortes gradientes, chamados "ondas de calcio". Na célula poden producirse gradientes de concentración doutras pequenas moléculas, como o osíxeno e a adenosina trifosfato arredor de agrupacións de mitocondrias, aínda que estes se comprenden peor.
Complexos proteicos
As proteínas poden asociarse para formar complexos proteicos, estes a miúdo constan dun conxunto de proteínas con funcións similares, como encimas que levan a cabo varias reaccións na mesma vía metabólica. Esta organización pode permitir a canalización de substratos, o cal consiste en pasar o produto dun encima directamente ao seguinte encima da vía metabólica, sen que o produto chegue a estar libre en disolución. A canalización de substratos pode facer que unha vía metabólica funcione máis á présa e máis eficientemente que se os encimas estivesen distribuídos aleatoriamente polo citosol, e pode tamén impedir a liberación de intermediarios inestables das reaccións. Aínda que unha ampla variedade de vías metabólicas implican encimas que están estreitamente unidos uns a outros, noutras poden intervir complexos encimáticos máis debilmente asociados, que son moi difíciles de estudar fóra da célula. En consecuencia, a importancia destes complexos no metabolismo en xeral non está aínda clara.
Compartimentos proteínicos
Algúns complexos proteicos conteñen unha gran cavidade central que está illada do resto do citosol. Un exemplo dun compartimento cerrado deste tipo é o proteasoma. Nel un conxunto de subunidades dispóñense formando unha estrutura con forma de barril oco que contén proteases, cuxa función é degradar proteínas citosólicas. Como podería ser daniño para a célula que se mesturasen libremente as proteases co resto do citosol, o barril está pechado por unha serie de proteínas reguladoras que recoñecen aquelas proteínas que levan un sinal para a súa degradación (a marca de ubiquitina) e introdúcenas dentro da cavidade proteolítica do proteasoma.
Outra gran clase de compartimentos proteicos son os microcompartimentos bacterianos, os cales están formados por unha cuberta proteica que encapsula varios encimas. Estes compartimentos teñen tipicamente arredor de 100-200 nanómetros de largo e están feitos de proteínas ensambladas. Un exemplo ben coñecido son os carboxisomas bacterianos, que conteñen encimas implicados na fixación do carbono como a RuBisCO.
Influencia do citoesqueleto
Aínda que o citoesqueleto non é parte do citosol, a presenza desta rede de filamentos restrinxe a difusión na célula de grandes partículas. Por exemplo, en varios estudos viuse que partículas trazadoras maiores de 25 nanómetros (aproximadamente o tamaño dun ribosoma) eran excluídas de partes do citosol próximas á superficie da célula e das proximidades do núcleo. Estes "compartimentos de exclusión" poden conter unha rede máis densa de fibras de actina que o resto do citosol. Estes microdominios poderían influír na distribución de estruturas grandes como ribosomas e orgánulos no citosol ao excluílos dalgunhas áreas e concentralos noutras. Función
O citosol non ten unha soa función senón que é o lugar onde se desenvolven múltiples procesos celulares. Exemplos destes procesos son a transdución de sinais desde a membrana celular a outros lugares do interior da célula, como o núcleo, ou os orgánulos. Este compartimento é tamén o sitio de moitos dos procesos da citocinese, posteriores á rotura da membrana nuclear na mitose. Outra importante función do citosol é transportar metabolitos desde o seu lugar de produción ao lugar onde van ser usados. Isto é relativamente simple para as moléculas hidrosolubles, como aminoácidos, os cales poden difundir rapidamente a través do citosol. Pero é moi distinto para as moléculas hidrófobas, como os ácidos graxos ou os esterois, que só poden ser transportados polo citosol ligados a proteínas de unión específicas, as cales trasladan estas moléculas entre as membranas celulares. As moléculas incorporadas á célula por endocitose ou que deben ser secretadas poden transportarse tamén polo citosol dentro de vesículas, as cales son pequenas esferas membranosas que son movidas ao longo do citoesqueleto por proteínas motoras.
O citosol é sitio onde ten lugar a maior parte do metabolismo dos procariotas, e unha gran parte do metabolismo dos eucariotas. Por exemplo, en mamíferos arredor da metade das proteínas da célula están localizadas no citosol. Os datos máis completos dispoñibles son os dos lévedos, nos cales as reconstrucións metabólicas indican que atopamos no citosol a maioría dos procesos metabólicos e dos metabolitos. As principais vías metabólicas que se desenvolven no citosol nos animais son as biosínteses de proteínas, a vía da pentosa fosfato, a glicólise e gliconeoxénese. A localización das vías metabólicas pode ser distinta noutros organismos; por exemplo, nas plantas a síntese de ácidos graxos acontece nos cloroplastos, e en protozoos apicomplexos ten lugar nuns orgánulos chamados apicoplastos.