Cytosol ( englanniksi cytosol , tulee kreikan sanasta κύτος - solu ja englanniksi sol latinan sanasta solutio - Solution) - solun nestemäinen sisältö . Suurin osa sytosolista on solunsisäisen nesteen varassa. Sytosoli on jaettu osastoihin useiden kalvojen avulla . Eukaryooteissa sytosoli sijaitsee plasmakalvon alla ja on osa sytoplasmaa , joka sisältää sytosolin lisäksi mitokondrioita , plastideja ja muita organelleja, mutta ei niiden sisältämää nestettä ja sisäisiä rakenteita. Siten sytosoli on nestemäinen matriisi, joka ympäröi organelleja. Prokaryooteissa suurin osa aineenvaihdunnan kemiallisista reaktioista tapahtuu sytosolissa, ja vain pieni osa tapahtuu kalvoissa ja periplasmisessa tilassa . Vaikka eukaryooteissa monet reaktiot tapahtuvat organelleissa, jotkut reaktiot tapahtuvat sytosolissa.
Kemiallisesti sytosoli on monimutkainen seos nesteeseen liuenneita aineita. Vaikka suurin osa sytosolista on vettä, sen rakennetta ja ominaisuuksia solujen sisällä ei tunneta hyvin. Ionien , kuten kalium- ja natriumkationien , pitoisuudet vaihtelevat sytosolissa ja solunulkoisessa nesteessä. Tämä pitoisuusero on välttämätön prosesseille, kuten osmoregulaatiolle , signaalitransduktiolle ja toimintapotentiaalin muodostukselle virittävissä soluissa , kuten hormoni- , hermo- ja lihassoluissa . Sytosoli sisältää myös monia makromolekyylejä , jotka voivat muuttaa molekyylien käyttäytymistä makromolekyylien ahtautumisen vaikutuksesta .
Vaikka sytosolia pidettiin aiemmin yksinkertaisena molekyyliliuoksena, sillä on useita organisaatiotasoja. Näitä ovat ionikonsentraatiogradientit (kuten kalsium), suuret entsymaattiset kompleksit, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja suorittavat erilaisia kemiallisia reaktioita, ja proteiinikompleksit, kuten karboksysomit ja proteasomit , jotka sisältävät osan sytosolia.
Henry A. Lardy ehdotti termiä "sytosoli" vuonna 1965, ja sitä käytettiin alun perin suhteessa nesteeseen, joka tulee ulos vaurioituneista soluista ja ultrasentrifugoinnin aikana [2] [3] , joka saostaa liukenemattomia komponentteja. Liukoiset soluuutteet eivät ole identtisiä sytoplasman liukoisen osan kanssa, ja niitä kutsutaan yleisesti sytoplasmafraktioksi [4] .
Tällä hetkellä termiä "sytosoli" käytetään viittaamaan elävän (ehon) solun sytoplasman nestemäiseen fraktioon [4] . Sytosolin koostumus ei sisällä nesteitä organellien sisällä [5] . Jotta vältettäisiin sekaannukset termin "sytosoli" käytössä suhteessa sytoplasman nestemäiseen osaan ja solu-uutteisiin, termiä "vesipitoinen sytoplasma" käytetään joskus viittaamaan elävien solujen sytoplasman nestemäiseen osaan [ 3 ] .
Solutilavuuden suhde sytosoliin vaihtelee: kun bakteereissa sytosoli ylläpitää solun rakennetta ja vie lähes koko tilavuuden, kasveissa suurin osa solutilavuudesta putoaa suureen keskusvakuoliin [ 6] . Sytosoli koostuu pääasiassa vedestä, liuenneista ioneista, pienistä molekyyleistä ja suurista vesiliukoisista molekyyleistä (esim . proteiineista ). Useimpien sytosolin ei-proteiinimolekyylien massa on jopa 300 Da [7] . Sytosoli sisältää valtavan määrän aineenvaihduntatuotteita : esimerkiksi kasveissa soluissa pitäisi muodostua jopa 200 000 metaboliittia [8] ja yhdessä hiivasolussa tai Escherichia coli -bakteerisolussa tulisi muodostua noin tuhat molekyyliä [9] [10 ] ] .
Suurin osa sytosolin tilavuudesta on vettä (noin 70 % tyypillisessä solussa) [11] . Solunsisäisen nesteen pH on 7,4 [12] , kun taas ihmisillä sytosolin pH vaihtelee välillä 7,0-7,4 ja se on tärkeämpi kasvavien solujen tapauksessa [13] . Sytoplasman viskositeetti on suunnilleen sama kuin veden, vaikka pienten molekyylien diffuusionopeus tämän nesteen läpi on noin 4 kertaa pienempi kuin puhtaassa vedessä johtuen törmäyksistä lukuisten makromolekyylien kanssa [14] . Suolavesikatkarapujen esimerkillä osoitettiin , kuinka vesi vaikuttaa solujen toimintoihin. On osoitettu, että veden osuuden vähentäminen solussa 20 % pysäyttää aineenvaihdunnan, ja kun solu kuivuu, aineenvaihdunta hidastuu asteittain ja kaikki aineenvaihduntatoiminta pysähtyy, kun solun vesitaso laskee 70 % normaalin alapuolelle. [3] .
Vaikka vesi on välttämätöntä elämälle, tämän veden rakennetta sytosolissa ymmärretään huonosti, koska menetelmät, kuten ydinmagneettinen resonanssi ja spektroskopia , tarjoavat vain yleistä tietoa veden rakenteesta ottamatta huomioon mikroskooppisia vaihteluita. Jopa puhtaan veden rakenne on huonosti ymmärretty, koska vedellä on taipumus muodostaa vesiklustereita vetysidosten kautta [15] .
Klassinen ajatus vedestä solussa on, että noin 5% vedestä on tilassa, joka liittyy muihin aineisiin (eli tarjoaa liuotinta ), ja lopulla vedestä on sama rakenne kuin puhtaalla vedellä [3] . Solvatoiva vesi on inaktiivista osmoosissa ja sillä voi olla muita ominaisuuksia liuottimena, joka konsentroi joitain molekyylejä ja työntää toiset ulos [16] . Toisen näkökulman mukaan koko sytosoliin vaikuttaa suuresti suuri määrä liuenneita makromolekyylejä, ja sytosolisen veden käyttäytyminen on hyvin erilaista kuin puhtaan veden käyttäytyminen [17] . On oletettu, että solun sisällä on alueita, joilla on suurempi tai pienempi vesitiheys, mikä voi vaikuttaa voimakkaasti solun muiden osien rakenteeseen ja toimintoihin [15] [18] . Ydinmagneettiresonanssin tulokset ovat kuitenkin ristiriidassa tämän oletuksen kanssa, koska näiden tulosten mukaan 85 % solun vedestä käyttäytyy kuin puhdasta vettä, kun taas muu osa vedestä on makromolekyyleihin liittyvässä tilassa ja on vähemmän liikkuvaa [19] . .
Ionikonsentraatiot sytosolissa ovat pohjimmiltaan erilaisia kuin solunulkoisessa nesteessä, lisäksi sytosoli sisältää enemmän varautuneita molekyylejä, kuten proteiineja ja nukleiinihappoja . Alla olevassa taulukossa käsitellään avainionien pitoisuuksia vedessä ja solunulkoisessa nesteessä .
Ja hän | Konsentraatio sytosolissa ( mM ) | Pitoisuus veressä (mM) |
---|---|---|
kalium | 139 | neljä |
Natrium | 12 | 145 |
Kloori | neljä | 116 |
Bikarbonaatti | 12 | 29 |
Aminohapot proteiineissa | 138 | 9 |
Magnesium | 0.8 | 1.5 |
Kalsium | < 0,0002 | 1.8 |
Toisin kuin solunulkoisessa nesteessä, sytosolissa on korkeampi kalium-ionien pitoisuus ja pienempi natriumionien pitoisuus [20] . Tämä ionipitoisuuden ero on välttämätön osmoregulaatiolle. Jos ionien pitoisuudet solun sisällä ja sen ulkopuolella olisivat samat, osmoosilakien mukaan vettä pääsisi soluun jatkuvasti, koska solu sisältää enemmän makromolekyylejä kuin sen ulkopuolella. Natriumionit pumpataan ulos solusta, ja kaliumionit päinvastoin pumpataan sisään Na+/K±ATPaasi-entsyymin toimesta . Lisäksi kaliumionit liikkuvat ulospäin pitoisuusgradienttia pitkin kaliumkanavien kautta , ja kationien vapautuminen aiheuttaa negatiivisen kalvopotentiaalin . Potentiaalieron tasapainottamiseksi negatiivisesti varautuneet kloridi -ionit poistuvat myös solusta erityisten kloridikanavien kautta . Natrium- ja kloridi-ionien menetys kompensoi suuren makromolekyylipitoisuuden osmoottista vaikutusta solun sisällä [20] .
Solut kestävät vielä suurempia potentiaalieroja keräämällä osmoprotektantteja , kuten trehaloosia ja betaiinia sytosoliin [20] . Jotkut näistä molekyyleistä auttavat solua selviytymään täydellisestä kuivumisesta ja joutumisesta kryptobioosiin [21] . Tässä tilassa sytosoli ja osmoprotektantit muuttuvat lasimaiseksi kiinteäksi aineeksi, joka suojaa solun proteiineja ja kalvoja vaurioilta kuivumisen aikana [22] .
Sytoplasman alhaisen kalsiumin pitoisuuden vuoksi se voi toimia toisena lähettinä kalsiumin signaalinvälitysreiteissä . Tällöin signaali, kuten hormonimolekyyli tai toimintapotentiaali, avaa kalsiumkanavia , joiden kautta kalsium ryntää sytosoliin [23] . Kalsiumpitoisuuden lisääminen sytosolissa aktivoi muita signalointimolekyylejä, kuten kalmoduliinia ja proteiinikinaasi C :tä [24] . Muilla ioneilla, kuten kloridi- ja kalium-ioneilla, voi myös olla signalointirooleja sytosolissa, mutta tämä rooli on tällä hetkellä huonosti ymmärretty [25] .
Proteiinimolekyylit, jotka eivät ole kiinnittyneet kalvoihin tai sytoskeletiin, liukenevat sytosoliin. Proteiinien määrä soluissa on erittäin korkea ja lähestyy 200 mg/ml; proteiinit vievät 20-30 % koko solusta [26] . Intaktin solun sytosolissa olevan proteiinin tarkan määrän mittaaminen on kuitenkin erittäin vaikeaa, koska jotkut proteiinit sitoutuvat heikosti kalvoihin tai organelleihin ja liukenevat solujen hajoamisen aikana [3] . Itse asiassa kokeet, joissa solun plasmakalvo tuhoutuu hellävaraisesti saponiinin vaikutuksesta vahingoittamatta muita kalvoja, ovat osoittaneet, että neljäsosa proteiineista tulee ulos. Tällaiset rappeutuneet solut kykenivät kuitenkin syntetisoimaan proteiineja, jos ATP:tä ja aminohappoja olisi saatavilla, joten monet sytosoliset proteiinit liittyvät itse asiassa sytoskeletiin [27] . Kuitenkin ajatus, että useimmat proteiinit ovat tiukasti sidottu verkostoon, jota kutsutaan mikrotrabekulaariseksi hilaksi , näyttää tällä hetkellä epätodennäköiseltä [28] .
Prokaryooteissa genomi sisältyy sytosoliin rakenteena, jota kutsutaan nukleoidiksi [29] . Nukleoidi on epäjärjestynyt massa DNA:ta ja siihen liittyviä proteiineja, jotka säätelevät bakteerikromosomin ja plasmidien replikaatiota ja transkriptiota . Eukaryooteissa genomi on suljettu ytimeen , joka on erotettu sytosolista ydinhuokosilla , jotka eivät salli halkaisijaltaan yli 10 nm :n molekyylien vapaata kulkua [30] .
Molekyylien korkea pitoisuus sytosolissa aiheuttaa makromolekyylien tihentymisenä tunnetun vaikutuksen, jossa molekyylien tehokas pitoisuus kasvaa, koska niillä ei ole tilaa liikkua vapaasti. Tämä vaikutus voi aiheuttaa merkittäviä muutoksia kemiallisen reaktion nopeudessa ja tasapainoasennossa [26] . Sen vaikutus dissosiaatiovakioiden muutokseen on erityisen tärkeä, koska tämän seurauksena makromolekyylien assosiaatiosta tulee suotuisa, esimerkiksi proteiinien kokoaminen moniproteiinikompleksiksi ja DNA:ta sitovien proteiinien sitoutuminen kohteeseensa DNA-molekyylissä. [31] .
Vaikka sytosolin komponentit eivät ole erotettu toisistaan kalvoilla, ne eivät sekoitu satunnaisesti toistensa kanssa, ja sytosolissa on useita organisoitumistasoja, jotka paikantavat molekyylit tiettyihin kohtiin sytosolissa [32] .
Vaikka pienet molekyylit diffundoituvat nopeasti sytosolissa, erityisiä pitoisuusgradientteja voidaan ylläpitää sytosolissa. Hyvä esimerkki ovat " kalsiumkipinät ", jotka ilmaantuvat lyhyeksi ajaksi avoimen kalsiumkanavan viereen [33] . "Välähdysten" halkaisija on noin 2 mikronia ja kestää vain muutaman millisekunnin, vaikka jotkut välähdykset voivat sulautua yhteen muodostaen suurempia gradientteja - "kalsiumaaltoja" ( englanniksi kalsiumaaltoja ) [34] . Muiden pienten molekyylien, kuten hapen ja ATP :n, pitoisuusgradientit voivat muodostaa lähelle mitokondrioklustereita, mutta niiden muodostumismekanismia ei ymmärretä vähemmän [35] [36] .
Proteiinit voivat liittyä toisiinsa muodostaen proteiinikomplekseja, jotka sisältävät usein joukon proteiineja, joilla on samanlaiset toiminnot, esimerkiksi joukon entsyymejä, jotka katalysoivat saman metabolisen reitin eri vaiheita [37] . Tästä johtuen muodostuu substraattikanavia ( English Substrate channeling ), joissa yhden entsyymin reaktiotuotteet siirtyvät suoraan reitin seuraavaan entsyymiin vapautumatta liuokseen [38] . Substraattikanavat voivat tehdä aineenvaihduntareitistä nopeamman ja tehokkaamman kuin jos entsyymit sijaitsivat satunnaisesti sytosolissa ja estävät epävakaita reitin välituotteita karkaamasta liuokseen [39] . Vaikka entsyymit ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa useissa aineenvaihduntareiteissä, on myös löyhämmin sitoutuneita entsyymikomplekseja, joita on erittäin vaikea tutkia solun ulkopuolella. Siksi näiden kompleksien merkitys metabolialle on edelleen epäselvä [40] [41] .
Jotkut proteiinikompleksit sisältävät sisällä olevan ontelon, joka on eristetty sytosolista. Esimerkki tällaisesta kompleksista on proteasomi [42] . Proteasomialayksiköiden joukko muodostaa onton "tynnyrin", joka sisältää proteaaseja , jotka hajottavat sytoplasmaproteiineja. Väärin laskostuneiden proteiinien esiintyminen sytoplasmassa ei ole turvallista, joten "tynnyri" on peitetty säätelyproteiineilla, jotka tunnistavat proteiinit, joissa on hajoamismerkki ( ubikvitiinileima ) ja ohjaavat ne proteasomiin tuhottavaksi [43] .
Toinen proteiiniosastojen luokka on bakteerien mikroosastot , jotka koostuvat erilaisia entsyymejä sisältävästä proteiinikuoresta [44] . Tyypillisesti tällaiset osastot ovat kooltaan 100–200 nm ja koostuvat tiiviisti toisiinsa kiinnitetyistä proteiineista [45] . Hyvin tutkittu esimerkki mikroosastosta on karboksysomi , joka sisältää hiiltä sitovia entsyymejä (esim. rubisco ) [46] .
Vaikka sytoskeleti ei ole osa sytosolia, tämän filamenttiverkoston läsnäolo rajoittaa suurten hiukkasten diffuusiota solun sisällä. Esimerkiksi useissa kokeissa noin 25 nm:n kokoisia kontrollihiukkasia (melkein kuin ribosomi [47] ) poistettiin sytosolin osista, jotka sijaitsevat lähellä solun ja solun ytimen rajaa [48] [49] . Tällaiset osastot voivat sisältää tiheämmän aktiinifilamenttien verkoston kuin muu sytosoli. Nämä mikrodomeenit voivat vaikuttaa suurten hiukkasten, kuten ribosomien ja muiden organellien, sijaintiin keskittymällä ne joihinkin paikkoihin solussa ja syrjäyttäen ne toisista [50] .
Sytosolilla ei ole yhtä tehtävää, koska siinä tapahtuu monia prosesseja. Näihin prosesseihin kuuluu signaalinsiirto solukalvolta solun sisällä oleviin paikkoihin, kuten solun tumaan [51] ja erilaisiin organelleihin [52] . Monet sytokineesireaktiot tapahtuvat myös sytosolissa mitoosissa tapahtuneen ydinvaipan hajoamisen jälkeen [53] . Toinen sytosolin merkittävä rooli on metaboliittien kuljettaminen muodostumispaikoista käyttökohteisiin. Metaboliittien joukossa on suhteellisen yksinkertaisia vesiliukoisia molekyylejä, kuten aminohappoja , jotka voivat diffundoitua nopeasti sytosolin läpi [14] . Hydrofobisia molekyylejä , kuten rasvahappoja tai steroleja , voidaan kuitenkin kuljettaa sytosolissa erityisillä proteiineilla, jotka kuljettavat näitä molekyylejä kalvojen välillä [54] [55] . Sytosolin kuljetusmolekyyleissä olevat rakkulat, jotka on vangittu endosytoosin aikana tai tarkoitettu erittymään [56] . Vesikkelit ovat pieniä lipidipusseja , jotka liikkuvat sytoskeletoa pitkin moottoriproteiinien avulla [57] .
Prokaryooteilla suurin osa aineenvaihduntaprosesseista tapahtuu sytosolissa [58] , kuten eukaryooteissa. Siten nisäkkäillä noin puolet proteiineista sijaitsee sytosolissa [59] . On osoitettu, että melkein kaikki hiivan aineenvaihduntareitit ja metaboliitit sijaitsevat sytosolissa [60] . Eläinten sytosolissa tapahtuvia aineenvaihduntaprosesseja ovat proteiinisynteesi , pentoosifosfaattireitti , glykolyysi ja glukoneogeneesi [61] . Muissa organismeissa nämä aineenvaihduntareitit voivat lokalisoitua eri tavalla. Esimerkiksi kasveissa rasvahappojen synteesi tapahtuu kloroplasteissa [62] , kun taas apikomplekseissa se tapahtuu apikoplastissa [63] .
Temaattiset sivustot | |
---|---|
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
|