Citosol

El citosol es una solución llena de muchos tipos diferentes de moléculas que ocupan hasta el 30% del volumen citoplasmático.

El citosol, también conocido como matriz citoplasmática o plasma fundamental, es uno de los líquidos que se encuentran en el interior de las células (líquido intracelular (ICF)). Está separado en compartimentos por membranas. Por ejemplo, la matriz mitocondrial separa la mitocondria en muchos compartimentos.

En la célula eucariota, el citosol está rodeado por la membrana celular y forma parte del citoplasma, que también comprende las mitocondrias, los plástidos y otros orgánulos (pero no sus estructuras y fluidos internos); el núcleo celular está separado. El citosol es así una matriz líquida alrededor de los orgánulos. En los procariotas, la mayoría de las reacciones químicas del metabolismo tienen lugar en el citosol, mientras que unas pocas tienen lugar en las membranas o en el espacio periplásmico. En los eucariotas, mientras que muchas rutas metabólicas todavía ocurren en el citosol, otras tienen lugar dentro de los orgánulos.

El citosol es una mezcla compleja de sustancias disueltas en agua. Aunque el agua forma la gran mayoría del citosol, su estructura y propiedades dentro de las células no se conocen bien. Las concentraciones de iones como sodio y potasio en el citosol son diferentes a las del líquido extracelular; estas diferencias en los niveles de iones son importantes en procesos como la osmorregulación, la señalización celular y la generación de potenciales de acción en células excitables como las células endocrinas, nerviosas y musculares. El citosol también contiene grandes cantidades de macromoléculas, que pueden alterar el comportamiento de las moléculas, a través del hacinamiento macromolecular.

Aunque alguna vez se pensó que era una solución simple de moléculas, el citosol tiene múltiples niveles de organización. Estos incluyen gradientes de concentración de moléculas pequeñas como el calcio, grandes complejos de enzimas que actúan juntas y participan en vías metabólicas y complejos de proteínas como proteasomas y carboxisomas que encierran y separan partes del citosol.

Definición

El término "citosol" fue introducido por primera vez en 1965 por H. A. Lardy e inicialmente se refería al líquido que se producía al romper las células y sedimentar todos los componentes insolubles mediante ultracentrifugación. Dicho extracto celular soluble no es idéntico a la parte soluble del citoplasma celular y normalmente se denomina fracción citoplasmática.

El término citosol ahora se usa para referirse a la fase líquida del citoplasma en una célula intacta. Esto excluye cualquier parte del citoplasma que esté contenida dentro de los orgánulos. Debido a la posibilidad de confusión entre el uso de la palabra "citosol" para referirse tanto a los extractos de células como a la parte soluble del citoplasma en células intactas, la frase "citoplasma acuoso" se ha utilizado para describir el contenido líquido del citoplasma de las células vivas.

Antes de esto, otros términos, incluido hialoplasma, se usaban para el fluido celular, no siempre como sinónimos, ya que su naturaleza no estaba muy clara (ver protoplasma).

Propiedades y composición

Contenido de fluido intracelular en humanos

La proporción del volumen celular que es citosol varía: por ejemplo, mientras que este compartimento forma la mayor parte de la estructura celular en las bacterias, en las células vegetales el compartimento principal es la gran vacuola central. El citosol se compone principalmente de agua, iones disueltos, moléculas pequeñas y moléculas grandes solubles en agua (como las proteínas). La mayoría de estas moléculas no proteicas tienen una masa molecular inferior a 300 Da. Esta mezcla de pequeñas moléculas es extraordinariamente compleja, ya que la variedad de moléculas que intervienen en el metabolismo (los metabolitos) es inmensa. Por ejemplo, se pueden producir hasta 200.000 moléculas pequeñas diferentes en las plantas, aunque no todas estarán presentes en la misma especie o en una sola célula. Estimaciones del número de metabolitos en células individuales como E. coli y la levadura de panadería predicen que se producen menos de 1000.

Agua

La mayor parte del citosol es agua, que constituye aproximadamente el 70 % del volumen total de una célula típica. El pH del líquido intracelular es de 7,4. mientras que el pH citosólico humano oscila entre 7,0 y 7,4 y suele ser más alto si una célula está creciendo. La viscosidad del citoplasma es aproximadamente la misma que la del agua pura, aunque la difusión de moléculas pequeñas a través de este líquido es unas cuatro veces más lenta que en el agua pura, debido principalmente a colisiones con el gran número de macromoléculas en el citosol. Los estudios en el camarón de salmuera han examinado cómo el agua afecta las funciones celulares; estos vieron que una reducción del 20% en la cantidad de agua en una célula inhibe el metabolismo, el metabolismo disminuye progresivamente a medida que la célula se seca y toda la actividad metabólica se detiene cuando el nivel de agua alcanza un 70% por debajo de lo normal.

Aunque el agua es vital para la vida, la estructura de esta agua en el citosol no se comprende bien, principalmente porque métodos como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear solo brindan información sobre la estructura promedio del agua y no pueden medir las variaciones locales a nivel microscópico. escala. Incluso la estructura del agua pura es poco conocida debido a la capacidad del agua para formar estructuras como grupos de agua a través de enlaces de hidrógeno.

La visión clásica del agua en las células es que alrededor del 5 % de esta agua está fuertemente unida por solutos o macromoléculas como agua de solvatación, mientras que la mayoría tiene la misma estructura que el agua pura. Esta agua de solvatación no es activa en ósmosis y puede tener diferentes propiedades disolventes, por lo que algunas moléculas disueltas quedan excluidas, mientras que otras se concentran. Sin embargo, otros argumentan que los efectos de las altas concentraciones de macromoléculas en las células se extienden por todo el citosol y que el agua en las células se comporta de manera muy diferente al agua en soluciones diluidas. Estas ideas incluyen la propuesta de que las células contienen zonas de agua de baja y alta densidad, lo que podría tener efectos generalizados en las estructuras y funciones de las otras partes de la célula. Sin embargo, el uso de métodos avanzados de resonancia magnética nuclear para medir directamente la movilidad del agua en las células vivas contradice esta idea, ya que sugiere que el 85 % del agua celular actúa como agua pura, mientras que el resto es menos móvil y probablemente está unido a macromoléculas..

Iones

Las concentraciones de los otros iones en el citosol son bastante diferentes de las del líquido extracelular y el citosol también contiene cantidades mucho más altas de macromoléculas cargadas, como proteínas y ácidos nucleicos, que el exterior de la estructura celular.

A diferencia del líquido extracelular, el citosol tiene una alta concentración de iones de potasio y una baja concentración de iones de sodio. Esta diferencia en las concentraciones de iones es crítica para la osmorregulación, ya que si los niveles de iones fueran los mismos dentro de una célula que fuera, el agua entraría constantemente por ósmosis, ya que los niveles de macromoléculas dentro de las células son más altos que sus niveles fuera. En cambio, los iones de sodio son expulsados y los iones de potasio son absorbidos por la Na⁺/K⁺-ATPasa, luego los iones de potasio fluyen a favor de su gradiente de concentración a través de los canales de iones de selección de potasio, esta pérdida de carga positiva crea un potencial de membrana negativo. Para equilibrar esta diferencia de potencial, los iones de cloruro negativos también salen de la celda a través de canales de cloruro selectivos. La pérdida de iones de sodio y cloruro compensa el efecto osmótico de la mayor concentración de moléculas orgánicas en el interior de la célula.

Las células pueden hacer frente a cambios osmóticos aún mayores acumulando osmoprotectores como betaínas o trehalosa en su citosol. Algunas de estas moléculas pueden permitir que las células sobrevivan al estar completamente secas y permitir que un organismo entre en un estado de animación suspendida llamado criptobiosis. En este estado, el citosol y los osmoprotectores se convierten en un sólido cristalino que ayuda a estabilizar las proteínas y las membranas celulares de los efectos dañinos de la desecación.

La baja concentración de calcio en el citosol permite que los iones de calcio funcionen como un segundo mensajero en la señalización del calcio. Aquí, una señal como una hormona o un potencial de acción abre un canal de calcio para que el calcio inunde el citosol. Este aumento repentino del calcio citosólico activa otras moléculas señalizadoras, como la calmodulina y la proteína quinasa C. Otros iones, como el cloruro y el potasio, también pueden tener funciones señalizadoras en el citosol, pero no se comprenden bien.

Macromoléculas

Las moléculas de proteína que no se unen a las membranas celulares o al citoesqueleto se disuelven en el citosol. La cantidad de proteína en las células es extremadamente alta y se acerca a los 200 mg/ml, ocupando alrededor del 20-30% del volumen del citosol. Sin embargo, es difícil medir con precisión cuánta proteína se disuelve en el citosol en células intactas, ya que algunas proteínas parecen estar débilmente asociadas con membranas u orgánulos en células enteras y se liberan en solución tras la lisis celular. De hecho, en experimentos en los que la membrana plasmática de las células se rompió cuidadosamente usando saponina, sin dañar las otras membranas celulares, solo se liberó alrededor de una cuarta parte de la proteína celular. Estas células también pudieron sintetizar proteínas si se les daba ATP y aminoácidos, lo que implica que muchas de las enzimas del citosol están unidas al citoesqueleto. Sin embargo, la idea de que la mayoría de las proteínas en las células están estrechamente unidas en una red llamada red microtrabecular ahora se considera poco probable.

En las procariotas, el citosol contiene el genoma de la célula, dentro de una estructura conocida como nucleoide. Esta es una masa irregular de ADN y proteínas asociadas que controlan la transcripción y replicación del cromosoma y plásmidos bacterianos. En los eucariotas, el genoma se mantiene dentro del núcleo celular, que está separado del citosol por poros nucleares que bloquean la libre difusión de cualquier molécula de más de 10 nanómetros de diámetro.

Esta alta concentración de macromoléculas en el citosol provoca un efecto llamado aglomeración macromolecular, que es cuando aumenta la concentración efectiva de otras macromoléculas, ya que tienen menos volumen para moverse. Este efecto de aglomeración puede producir grandes cambios tanto en las tasas como la posición de equilibrio químico de las reacciones en el citosol. Es particularmente importante en su capacidad para alterar las constantes de disociación al favorecer la asociación de macromoléculas, como cuando múltiples proteínas se unen para formar complejos de proteínas, o cuando las proteínas de unión al ADN se unen a sus objetivos en el genoma.

Organización

Aunque los componentes del citosol no están separados en regiones por las membranas celulares, estos componentes no siempre se mezclan al azar y varios niveles de organización pueden localizar moléculas específicas en sitios definidos dentro del citosol.

Gradientes de concentración

Aunque las moléculas pequeñas se difunden rápidamente en el citosol, aún se pueden producir gradientes de concentración dentro de este compartimento. Un ejemplo bien estudiado de estos son las "chispas de calcio" que se producen durante un período corto en la región alrededor de un canal de calcio abierto. Estos tienen alrededor de 2 micrómetros de diámetro y duran solo unos pocos milisegundos, aunque varias chispas pueden fusionarse para formar gradientes más grandes, llamados "ondas de calcio". Los gradientes de concentración de otras moléculas pequeñas, como el oxígeno y el trifosfato de adenosina, se pueden producir en las células alrededor de los grupos de mitocondrias, aunque estos son menos conocidos.

Complejos proteicos

Las proteínas pueden asociarse para formar complejos proteicos, estos a menudo contienen un conjunto de proteínas con funciones similares, como enzimas que llevan a cabo varios pasos en la misma ruta metabólica. Esta organización puede permitir la canalización de sustratos, que es cuando el producto de una enzima pasa directamente a la siguiente enzima en una ruta sin liberarse en la solución. La canalización puede hacer que una vía sea más rápida y eficiente de lo que sería si las enzimas se distribuyeran al azar en el citosol, y también puede evitar la liberación de intermediarios de reacción inestables. Aunque una amplia variedad de vías metabólicas involucran enzimas que están estrechamente unidas entre sí, otras pueden involucrar complejos asociados más débiles que son muy difíciles de estudiar fuera de la célula. En consecuencia, la importancia de estos complejos para el metabolismo en general sigue sin estar clara.

Los carboximosos son microcompartidos bacterianos encerrados en proteínas dentro del citosol. A la izquierda hay una imagen de microscopio electrónico de carboxísomes, y a la derecha un modelo de su estructura.

Compartimentos de proteínas

Algunos complejos de proteínas contienen una gran cavidad central que está aislada del resto del citosol. Un ejemplo de un compartimento cerrado de este tipo es el proteasoma. Aquí, un conjunto de subunidades forman un barril hueco que contiene proteasas que degradan las proteínas citosólicas. Dado que estos serían dañinos si se mezclaran libremente con el resto del citosol, el barril está cubierto por un conjunto de proteínas reguladoras que reconocen las proteínas con una señal que las dirige hacia la degradación (una etiqueta de ubiquitina) y las introducen en la cavidad proteolítica.

Otra gran clase de compartimentos de proteínas son los microcompartimentos bacterianos, que están hechos de una cubierta de proteína que encapsula varias enzimas. Estos compartimentos suelen tener entre 100 y 200 nanómetros de ancho y están hechos de proteínas entrelazadas. Un ejemplo bien entendido es el carboxisoma, que contiene enzimas involucradas en la fijación de carbono como RuBisCO.

Condensados biomoleculares

Los orgánulos no unidos a la membrana pueden formarse como condensados biomoleculares, que surgen por agrupación, oligomerización o polimerización de macromoléculas para impulsar la separación de fases coloidal del citoplasma o el núcleo.

Tamizado de citoesqueleto

Aunque el citoesqueleto no forma parte del citosol, la presencia de esta red de filamentos restringe la difusión de partículas grandes en la célula. Por ejemplo, en varios estudios se excluyeron partículas trazadoras de más de 25 nanómetros (aproximadamente el tamaño de un ribosoma) de partes del citosol alrededor de los bordes de la célula y junto al núcleo. Estos "excluyendo los compartimentos" puede contener una red mucho más densa de fibras de actina que el resto del citosol. Estos microdominios podrían influir en la distribución de grandes estructuras como ribosomas y orgánulos dentro del citosol al excluirlos de algunas áreas y concentrarlos en otras.

Función

El citosol es el sitio de múltiples procesos celulares. Los ejemplos de estos procesos incluyen la transducción de señales desde la membrana celular a sitios dentro de la célula, como el núcleo celular o los orgánulos. Este compartimento también es el sitio de muchos de los procesos de citocinesis, después de la ruptura de la membrana nuclear en la mitosis. Otra función importante del citosol es transportar metabolitos desde su sitio de producción hasta donde se utilizan. Esto es relativamente simple para las moléculas solubles en agua, como los aminoácidos, que pueden difundirse rápidamente a través del citosol. Sin embargo, las moléculas hidrófobas, como los ácidos grasos o los esteroles, pueden transportarse a través del citosol mediante proteínas de unión específicas, que transportan estas moléculas entre las membranas celulares. Las moléculas que ingresan a la célula por endocitosis o en camino a ser secretadas también pueden transportarse a través del citosol dentro de vesículas, que son pequeñas esferas de lípidos que se mueven a lo largo del citoesqueleto por proteínas motoras.

El citosol es el sitio de la mayor parte del metabolismo en procariotas y una gran proporción del metabolismo de eucariotas. Por ejemplo, en los mamíferos, aproximadamente la mitad de las proteínas de la célula se localizan en el citosol. Los datos más completos están disponibles en la levadura, donde las reconstrucciones metabólicas indican que la mayoría de los procesos metabólicos y los metabolitos ocurren en el citosol. Las principales vías metabólicas que se producen en el citosol de los animales son la biosíntesis de proteínas, la vía de las pentosas fosfato, la glucólisis y la gluconeogénesis. La localización de las vías puede ser diferente en otros organismos, por ejemplo, la síntesis de ácidos grasos se produce en los cloroplastos de las plantas y en los apicoplastos de la apicomplexa.