Citosol

O citosol é uma solução lotada de muitos tipos diferentes de moléculas que ocupam até 30% do volume citoplasmático.

O citosol, também conhecido como matriz citoplasmática ou groundplasm, é um dos líquidos encontrados no interior das células (fluido intracelular (ICF)). É separado em compartimentos por membranas. Por exemplo, a matriz mitocondrial separa a mitocôndria em muitos compartimentos.

Na célula eucariótica, o citosol é circundado pela membrana celular e faz parte do citoplasma, que também compreende as mitocôndrias, plastídeos e outras organelas (mas não seus fluidos e estruturas internas); o núcleo da célula é separado. O citosol é, portanto, uma matriz líquida em torno das organelas. Nos procariotos, a maioria das reações químicas do metabolismo ocorre no citosol, enquanto algumas ocorrem nas membranas ou no espaço periplasmático. Em eucariotos, enquanto muitas vias metabólicas ainda ocorrem no citosol, outras ocorrem dentro de organelas.

O citosol é uma mistura complexa de substâncias dissolvidas em água. Embora a água forme a grande maioria do citosol, sua estrutura e propriedades dentro das células não são bem compreendidas. As concentrações de íons como sódio e potássio no citosol são diferentes daquelas no líquido extracelular; essas diferenças nos níveis de íons são importantes em processos como osmorregulação, sinalização celular e geração de potenciais de ação em células excitáveis, como células endócrinas, nervosas e musculares. O citosol também contém grandes quantidades de macromoléculas, que podem alterar o comportamento das moléculas, por meio da aglomeração macromolecular.

Embora já tenha sido pensado para ser uma solução simples de moléculas, o citosol tem vários níveis de organização. Estes incluem gradientes de concentração de pequenas moléculas, como o cálcio, grandes complexos de enzimas que atuam em conjunto e participam de vias metabólicas e complexos de proteínas, como proteassomas e carboxissomas, que envolvem e separam partes do citosol.

Definição

O termo "citosol" foi introduzido pela primeira vez em 1965 por H. A. Lardy, e inicialmente se referia ao líquido que era produzido pela quebra das células e peletização de todos os componentes insolúveis por ultracentrifugação. Tal extrato celular solúvel não é idêntico à parte solúvel do citoplasma celular e é geralmente chamado de fração citoplasmática.

O termo citosol agora é usado para se referir à fase líquida do citoplasma em uma célula intacta. Isso exclui qualquer parte do citoplasma que esteja contida nas organelas. Devido à possibilidade de confusão entre o uso da palavra "citosol" para se referir tanto a extratos de células quanto à parte solúvel do citoplasma em células intactas, a frase "citoplasma aquoso" tem sido usado para descrever o conteúdo líquido do citoplasma de células vivas.

Antes disso, outros termos, incluindo hialoplasma, eram usados para o fluido celular, nem sempre como sinônimos, pois sua natureza não era muito clara (ver protoplasma).

Propriedades e composição

Conteúdo de fluido intracelular em humanos

A proporção do volume celular que é citosol varia: por exemplo, enquanto este compartimento forma a maior parte da estrutura celular nas bactérias, nas células vegetais o compartimento principal é o grande vacúolo central. O citosol consiste principalmente de água, íons dissolvidos, pequenas moléculas e grandes moléculas solúveis em água (como proteínas). A maioria dessas moléculas não proteicas tem uma massa molecular inferior a 300 Da. Essa mistura de pequenas moléculas é extraordinariamente complexa, pois a variedade de moléculas envolvidas no metabolismo (os metabólitos) é imensa. Por exemplo, até 200.000 pequenas moléculas diferentes podem ser produzidas nas plantas, embora nem todas estejam presentes na mesma espécie ou em uma única célula. Estimativas do número de metabólitos em células individuais, como E. coli e fermento de padeiro prevêem que menos de 1.000 são produzidos.

Água

A maior parte do citosol é água, que representa cerca de 70% do volume total de uma célula típica. O pH do fluido intracelular é 7,4. enquanto o pH citosólico humano varia entre 7,0–7,4 e geralmente é mais alto se uma célula estiver crescendo. A viscosidade do citoplasma é aproximadamente a mesma da água pura, embora a difusão de pequenas moléculas através desse líquido seja cerca de quatro vezes mais lenta do que na água pura, devido principalmente às colisões com o grande número de macromoléculas no citosol. Estudos no camarão de salmoura examinaram como a água afeta as funções celulares; estes viram que uma redução de 20% na quantidade de água em uma célula inibe o metabolismo, com o metabolismo diminuindo progressivamente à medida que a célula seca e toda a atividade metabólica é interrompida quando o nível de água atinge 70% abaixo do normal.

Embora a água seja vital para a vida, a estrutura dessa água no citosol não é bem compreendida, principalmente porque métodos como a espectroscopia de ressonância magnética nuclear fornecem apenas informações sobre a estrutura média da água e não podem medir variações locais no microscópio escala. Mesmo a estrutura da água pura é mal compreendida, devido à capacidade da água de formar estruturas como aglomerados de água por meio de ligações de hidrogênio.

A visão clássica da água nas células é que cerca de 5% dessa água é fortemente ligada por solutos ou macromoléculas como água de solvatação, enquanto a maioria tem a mesma estrutura da água pura. Esta água de solvatação não é ativa na osmose e pode ter propriedades solventes diferentes, de modo que algumas moléculas dissolvidas são excluídas, enquanto outras se concentram. No entanto, outros argumentam que os efeitos das altas concentrações de macromoléculas nas células se estendem por todo o citosol e que a água nas células se comporta de maneira muito diferente da água em soluções diluídas. Essas ideias incluem a proposta de que as células contêm zonas de baixa e alta densidade de água, o que poderia ter efeitos generalizados nas estruturas e funções das outras partes da célula. No entanto, o uso de métodos avançados de ressonância magnética nuclear para medir diretamente a mobilidade da água nas células vivas contradiz essa ideia, pois sugere que 85% da água celular age como aquela água pura, enquanto o restante é menos móvel e provavelmente ligado a macromoléculas.

Íons

As concentrações dos outros íons no citosol são bastante diferentes daquelas no fluido extracelular e o citosol também contém quantidades muito maiores de macromoléculas carregadas, como proteínas e ácidos nucléicos, do que o exterior da estrutura celular.

Em contraste com o fluido extracelular, o citosol tem uma alta concentração de íons de potássio e uma baixa concentração de íons de sódio. Essa diferença nas concentrações de íons é crítica para a osmorregulação, pois se os níveis de íons fossem os mesmos dentro e fora de uma célula, a água entraria constantemente por osmose - já que os níveis de macromoléculas dentro das células são maiores que seus níveis fora. Em vez disso, os íons de sódio são expelidos e os íons de potássio captados pela Na⁺/K⁺-ATPase, os íons de potássio então fluem a favor de seu gradiente de concentração através dos canais iônicos de seleção de potássio, essa perda de carga positiva cria um potencial de membrana negativo. Para equilibrar essa diferença de potencial, os íons cloreto negativos também saem da célula, através de canais seletivos de cloreto. A perda de íons sódio e cloreto compensa o efeito osmótico da maior concentração de moléculas orgânicas dentro da célula.

As células podem lidar com mudanças osmóticas ainda maiores acumulando osmoprotetores como betaínas ou trealose em seu citosol. Algumas dessas moléculas podem permitir que as células sobrevivam sendo completamente secas e permitem que um organismo entre em um estado de animação suspensa chamado criptobiose. Nesse estado, o citosol e os osmoprotetores tornam-se um sólido semelhante a vidro que ajuda a estabilizar as proteínas e as membranas celulares contra os efeitos nocivos da dessecação.

A baixa concentração de cálcio no citosol permite que os íons de cálcio funcionem como um segundo mensageiro na sinalização de cálcio. Aqui, um sinal como um hormônio ou um potencial de ação abre o canal de cálcio para que o cálcio flua para o citosol. Esse aumento súbito do cálcio citosólico ativa outras moléculas de sinalização, como a calmodulina e a proteína quinase C. Outros íons, como cloreto e potássio, também podem ter funções de sinalização no citosol, mas não são bem compreendidas.

Macromoléculas

As moléculas de proteína que não se ligam às membranas celulares ou ao citoesqueleto são dissolvidas no citosol. A quantidade de proteína nas células é extremamente alta e se aproxima de 200 mg/ml, ocupando cerca de 20 a 30% do volume do citosol. No entanto, é difícil medir com precisão quanta proteína é dissolvida no citosol em células intactas, uma vez que algumas proteínas parecem estar fracamente associadas a membranas ou organelas em células inteiras e são liberadas em solução após a lise celular. De fato, em experimentos em que a membrana plasmática das células foi cuidadosamente rompida com saponina, sem danificar as outras membranas celulares, apenas cerca de um quarto da proteína celular foi liberada. Essas células também foram capazes de sintetizar proteínas se receberem ATP e aminoácidos, o que implica que muitas das enzimas no citosol estão ligadas ao citoesqueleto. No entanto, a ideia de que a maioria das proteínas nas células está fortemente ligada em uma rede chamada rede microtrabecular é agora vista como improvável.

Nos procariotos, o citosol contém o genoma da célula, dentro de uma estrutura conhecida como nucleoide. Esta é uma massa irregular de DNA e proteínas associadas que controlam a transcrição e replicação do cromossomo bacteriano e plasmídeos. Em eucariotos, o genoma é mantido dentro do núcleo da célula, que é separado do citosol por poros nucleares que bloqueiam a difusão livre de qualquer molécula maior que cerca de 10 nanômetros de diâmetro.

Essa alta concentração de macromoléculas no citosol causa um efeito chamado aglomeração macromolecular, que é quando a concentração efetiva de outras macromoléculas é aumentada, pois elas têm menos volume para se mover. Esse efeito de aglomeração pode produzir grandes mudanças tanto nas taxas quanto nas a posição de equilíbrio químico das reações no citosol. É particularmente importante em sua capacidade de alterar as constantes de dissociação, favorecendo a associação de macromoléculas, como quando várias proteínas se unem para formar complexos proteicos ou quando proteínas de ligação ao DNA se ligam a seus alvos no genoma.

Organização

Embora os componentes do citosol não sejam separados em regiões por membranas celulares, esses componentes nem sempre se misturam aleatoriamente e vários níveis de organização podem localizar moléculas específicas em locais definidos dentro do citosol.

Gradientes de concentração

Embora pequenas moléculas se difundam rapidamente no citosol, gradientes de concentração ainda podem ser produzidos dentro deste compartimento. Um exemplo bem estudado disso são as "faíscas de cálcio" que são produzidos por um curto período na região ao redor de um canal de cálcio aberto. Eles têm cerca de 2 micrômetros de diâmetro e duram apenas alguns milissegundos, embora várias faíscas possam se fundir para formar gradientes maiores, chamados de "ondas de cálcio". Gradientes de concentração de outras moléculas pequenas, como oxigênio e trifosfato de adenosina, podem ser produzidos em células ao redor de aglomerados de mitocôndrias, embora sejam menos bem compreendidos.

Complexos de proteínas

As proteínas podem associar-se para formar complexos proteicos, estes muitas vezes contêm um conjunto de proteínas com funções semelhantes, como enzimas que realizam várias etapas na mesma via metabólica. Essa organização pode permitir a canalização do substrato, que é quando o produto de uma enzima é passado diretamente para a próxima enzima em uma via sem ser liberado na solução. A canalização pode tornar uma via mais rápida e eficiente do que seria se as enzimas fossem distribuídas aleatoriamente no citosol e também pode impedir a liberação de intermediários instáveis da reação. Embora uma ampla variedade de vias metabólicas envolva enzimas fortemente ligadas umas às outras, outras podem envolver complexos associados de forma mais fraca e muito difíceis de estudar fora da célula. Consequentemente, a importância desses complexos para o metabolismo em geral permanece obscura.

Carboxysomes são microcompartimentos bacterianos fechados por proteínas dentro do citosol. À esquerda está uma imagem de microscópio eletrônico de carboxysomes, e à direita um modelo de sua estrutura.

Compartimentos de proteínas

Alguns complexos de proteínas contêm uma grande cavidade central que é isolada do restante do citosol. Um exemplo desse compartimento fechado é o proteassoma. Aqui, um conjunto de subunidades forma um barril oco contendo proteases que degradam as proteínas citosólicas. Uma vez que estes seriam prejudiciais se se misturassem livremente com o restante do citosol, o barril é coberto por um conjunto de proteínas reguladoras que reconhecem as proteínas com um sinal direcionando-as para a degradação (uma marca de ubiquitina) e as alimentam na cavidade proteolítica.

Outra grande classe de compartimentos de proteínas são os microcompartimentos bacterianos, que são feitos de uma casca de proteína que encapsula várias enzimas. Esses compartimentos têm tipicamente cerca de 100 a 200 nanômetros de diâmetro e são feitos de proteínas interligadas. Um exemplo bem compreendido é o carboxissoma, que contém enzimas envolvidas na fixação de carbono, como a RuBisCO.

Condensados biomoleculares

As organelas não ligadas à membrana podem se formar como condensados biomoleculares, que surgem por agrupamento, oligomerização ou polimerização de macromoléculas para conduzir a separação de fase coloidal do citoplasma ou núcleo.

Crivagem do citoesqueleto

Embora o citoesqueleto não faça parte do citosol, a presença dessa rede de filamentos restringe a difusão de partículas grandes na célula. Por exemplo, em vários estudos, partículas traçadoras maiores que cerca de 25 nanômetros (aproximadamente do tamanho de um ribossomo) foram excluídas de partes do citosol ao redor das bordas da célula e próximas ao núcleo. Esses "compartimentos excluindo" pode conter uma malha muito mais densa de fibras de actina do que o restante do citosol. Esses microdomínios podem influenciar a distribuição de grandes estruturas, como ribossomos e organelas no citosol, excluindo-os de algumas áreas e concentrando-os em outras.

Função

O citosol é o local de múltiplos prolongamentos celulares. Exemplos desses processos incluem a transdução de sinal da membrana celular para locais dentro da célula, como o núcleo da célula ou organelas. Este compartimento é também o local de muitos dos processos de citocinese, após a ruptura da membrana nuclear na mitose. Outra função importante do citosol é transportar metabólitos de seu local de produção para onde são usados. Isso é relativamente simples para moléculas solúveis em água, como os aminoácidos, que podem se difundir rapidamente pelo citosol. No entanto, moléculas hidrofóbicas, como ácidos graxos ou esteróis, podem ser transportadas através do citosol por proteínas de ligação específicas, que transportam essas moléculas entre as membranas celulares. Moléculas levadas para dentro da célula por endocitose ou a caminho de serem secretadas também podem ser transportadas através do citosol dentro de vesículas, que são pequenas esferas de lipídios que são movidas ao longo do citoesqueleto por proteínas motoras.

O citosol é o local de maior metabolismo em procariotos e uma grande proporção do metabolismo de eucariotos. Por exemplo, em mamíferos, cerca de metade das proteínas da célula estão localizadas no citosol. Os dados mais completos estão disponíveis em leveduras, onde as reconstruções metabólicas indicam que a maioria dos processos metabólicos e metabólitos ocorre no citosol. As principais vias metabólicas que ocorrem no citosol em animais são a biossíntese de proteínas, a via das pentoses fosfato, a glicólise e a gliconeogênese. A localização das vias pode ser diferente em outros organismos, por exemplo, a síntese de ácidos graxos ocorre em cloroplastos em plantas e em apicoplastos em apicomplexa.