Citosol

Citosol ( en inglés  cytosol , proviene del griego κύτος  - célula y en inglés  sol del latín  solutio  - solución) - el contenido líquido de la célula . La mayor parte del citosol está ocupado por líquido intracelular. El citosol está dividido en compartimentos por una variedad de membranas . En los eucariotas, el citosol se encuentra debajo de la membrana plasmática y forma parte del citoplasma , que, además del citosol, incluye mitocondrias , plástidosy otros orgánulos, pero no el líquido que contienen y las estructuras internas. Así, el citosol es una matriz líquida que rodea a los orgánulos. En procariotas , la mayoría de las reacciones químicas del metabolismo ocurren en el citosol, y solo una pequeña proporción ocurre en las membranas y el espacio periplásmico . En los eucariotas, aunque muchas reacciones tienen lugar en los orgánulos, algunas reacciones tienen lugar en el citosol.

Químicamente, el citosol es una mezcla compleja de sustancias disueltas en un líquido. Aunque la mayor parte del citosol es agua, su estructura y propiedades dentro de las células no se comprenden bien. Las concentraciones de iones , como los cationes de potasio y sodio , difieren en el citosol y el líquido extracelular. Esta diferencia de concentración es esencial para procesos como la osmorregulación , la transducción de señales y la generación de potencial de acción en células excitables como las células endocrinas , nerviosas y musculares . El citosol también contiene muchas macromoléculas que pueden cambiar el comportamiento de las moléculas a través del efecto del hacinamiento macromolecular . 

Aunque anteriormente se consideraba al citosol como una simple solución de moléculas, tiene varios niveles de organización. Estos incluyen gradientes de concentración de iones (como el calcio), grandes complejos enzimáticos que interactúan entre sí y llevan a cabo varias reacciones químicas y complejos de proteínas como carboxisomas y proteasomas que contienen parte del citosol.

Definición

El término "citosol" fue propuesto en 1965 por Henry  A. Lardy y se utilizó originalmente en relación con el líquido que sale de las células dañadas y, durante la ultracentrifugación [2] [3] , que precipita los componentes insolubles. Los extractos de células solubles no son idénticos a la porción soluble del citoplasma y se denominan comúnmente fracción citoplasmática [4] .

Actualmente, el término "citosol" se utiliza para referirse a la fracción líquida del citoplasma de una célula viva (intacta) [4] . La composición del citosol no incluye fluidos dentro de los orgánulos [5] . Para evitar confusiones en el uso del término "citosol" en relación con la parte líquida del citoplasma y los extractos celulares, a veces se utiliza el término "citoplasma acuoso" para referirse a la parte líquida del citoplasma de las células vivas  [ 3 ] .

Propiedades y composición

La proporción del volumen celular respecto al citosol varía: mientras que en las bacterias el citosol mantiene la estructura de la célula y ocupa casi todo su volumen, en las plantas la mayor parte del volumen celular recae sobre la gran vacuola central [6] . El citosol se compone principalmente de agua, iones disueltos, moléculas pequeñas y moléculas grandes solubles en agua (por ejemplo , proteínas ). La mayoría de las moléculas no proteicas del citosol tienen una masa de hasta 300 Da [7] . El citosol incluye una enorme cantidad de metabolitos : por ejemplo, en las plantas , se deben producir hasta 200.000 metabolitos en las células [8] , y se deben formar alrededor de mil moléculas en una célula de levadura o de bacteria Escherichia coli [9] [10 ] .

Agua

La mayor parte del volumen del citosol es agua (alrededor del 70 % en una célula típica) [11] . El pH del fluido intracelular es de 7,4 [12] , mientras que en humanos el pH del citosol oscila entre 7,0 y 7,4 y es más importante en el caso de células en crecimiento [13] . La viscosidad del citoplasma es aproximadamente la misma que la del agua, aunque la velocidad de difusión de las moléculas pequeñas a través de este líquido es unas 4 veces menor que en el agua pura debido a las colisiones con numerosas macromoléculas [14] . Usando el ejemplo de los camarones en salmuera , se mostró cómo el agua afecta las funciones celulares. Se ha demostrado que reducir la proporción de agua en la célula en un 20 % detiene el metabolismo, y cuando la célula se seca, la tasa metabólica disminuye progresivamente y toda la actividad metabólica se detiene cuando el nivel de agua en la célula cae un 70 % por debajo de lo normal. [3] .

Aunque el agua es esencial para la vida, la estructura de esta agua en el citosol es poco conocida, ya que métodos como la resonancia magnética nuclear y la espectroscopia solo proporcionan información general sobre la estructura del agua, sin tener en cuenta las variaciones microscópicas. Incluso la estructura del agua pura es poco conocida debido a la tendencia del agua a formar grupos de agua a través de enlaces de hidrógeno [15] .

La idea clásica del agua en una célula es que alrededor del 5% del agua está en un estado asociado con otras sustancias (es decir, proporciona solvatación ), y el resto del agua tiene la misma estructura que el agua pura [3] . El agua de solvatación es inactiva bajo ósmosis y puede tener otras propiedades como solvente, concentrando algunas moléculas y expulsando otras [16] . Según otro punto de vista, todo el citosol está muy influenciado por un gran número de macromoléculas disueltas, y el comportamiento del agua citosólica es muy diferente al comportamiento del agua pura [17] . Existe la suposición de que dentro de la célula hay áreas de mayor o menor densidad de agua, que pueden tener una fuerte influencia en la estructura y funciones de otras partes de la célula [15] [18] . Sin embargo, los resultados de la resonancia magnética nuclear contradicen esta suposición, ya que, según estos resultados, el 85% del agua de la célula se comporta como agua pura, mientras que el resto del agua se encuentra en un estado asociado a macromoléculas y es menos móvil [19]. .

Jonás

Las concentraciones de iones en el citosol son fundamentalmente diferentes de las del líquido extracelular, además, el citosol contiene moléculas más cargadas, como proteínas y ácidos nucleicos . La siguiente tabla analiza las concentraciones de iones clave en el agua y el líquido extracelular .

A diferencia del líquido extracelular, el citosol tiene una mayor concentración de iones de potasio y una menor concentración de iones de sodio [20] . Esta diferencia en la concentración de iones es necesaria para la osmorregulación. Si las concentraciones de iones dentro y fuera de la célula fueran las mismas, según las leyes de la ósmosis, el agua entraría continuamente en la célula debido a que la célula contiene más macromoléculas que las que hay fuera. Los iones de sodio son bombeados fuera de la célula y los iones de potasio, por el contrario, son bombeados por la enzima Na+/K±ATPasa . Además, los iones de potasio se mueven hacia el exterior a lo largo del gradiente de concentración a través de los canales de potasio y la liberación de cationes provoca un potencial de membrana negativo . Para equilibrar la diferencia de potencial, los iones de cloruro cargados negativamente también salen de la celda a través de canales de cloruro especiales . La pérdida de iones de sodio y cloruro compensa el efecto osmótico de una alta concentración de macromoléculas en el interior de la célula [20] .

Las células pueden soportar diferencias de potencial aún mayores mediante la acumulación de osmoprotectores como trehalosa y betaínas en el citosol [20] . Algunas de estas moléculas ayudan a la célula a sobrevivir la desecación completa y la entrada en criptobiosis [21] . En este estado, el citosol y los osmoprotectores se convierten en un sólido vítreo que protege las proteínas y las membranas celulares del daño durante el secado [22] .

Debido a la baja concentración de calcio en el citoplasma, puede actuar como segundo mensajero en las vías de transducción de señales de calcio . En este caso, una señal, como una molécula hormonal o un potencial de acción, abre los canales de calcio , a través de los cuales el calcio se precipita hacia el citosol [23] . El aumento de la concentración de calcio en el citosol activa otras moléculas de señalización como la calmodulina y la proteína quinasa C [24] . Otros iones, como los iones de cloruro y potasio, también pueden desempeñar funciones de señalización en el citosol, pero esta función es actualmente poco conocida [25] .

Macromoléculas

Las moléculas de proteína que no están unidas a las membranas o al citoesqueleto se disuelven en el citosol. La cantidad de proteínas en las células es extremadamente alta y se acerca a los 200 mg/ml; las proteínas ocupan del 20 al 30% de la célula entera [26] . Sin embargo, medir la cantidad exacta de proteína en el citosol de una célula intacta es muy difícil porque algunas proteínas se unen débilmente a las membranas u orgánulos y se disuelven durante la lisis celular [3] . De hecho, los experimentos en los que la membrana plasmática de una célula se destruye suavemente por la acción de la saponina sin dañar otras membranas han demostrado que se desprende una cuarta parte de las proteínas. Sin embargo, estas células deterioradas eran capaces de sintetizar proteínas si se disponía de ATP y aminoácidos, por lo que muchas proteínas citosólicas están realmente asociadas con el citoesqueleto [27] . Sin embargo, la idea de que la mayoría de las proteínas están estrechamente unidas a una red llamada red microtrabecular parece poco probable en la actualidad [28] . 

En procariotas , el genoma está contenido en el citosol como una estructura llamada nucleoide [29] . Un nucleoide es una masa desordenada de ADN y proteínas asociadas que controlan la replicación y transcripción del cromosoma bacteriano y los plásmidos . En eucariotas, el genoma está encerrado en el núcleo , que está separado del citosol por poros nucleares que no permiten el libre paso de moléculas con un diámetro superior a 10 nm [30] .

La alta concentración de moléculas en el citosol da lugar a un efecto conocido como densificación macromolecular, en el que la concentración efectiva de moléculas aumenta porque no hay espacio para que se muevan libremente. Este efecto puede causar cambios significativos en la velocidad de una reacción química y la posición de equilibrio [26] . Su efecto sobre el cambio en las constantes de disociación es especialmente importante, porque debido a esto, la asociación de macromoléculas se vuelve favorable, por ejemplo, el ensamblaje de proteínas en un complejo multiproteico y la unión de proteínas de unión a ADN a su objetivo en la molécula de ADN. [31] .

Organización

Aunque los componentes del citosol no están separados entre sí por membranas, no se mezclan al azar entre sí y hay varios niveles de organización dentro del citosol que localizan las moléculas en sitios específicos del citosol [32] .

Gradientes de concentración

Aunque las moléculas pequeñas se difunden rápidamente en el citosol, se pueden mantener gradientes de concentración especiales dentro del citosol. Un buen ejemplo son las " chispas de calcio  ", que aparecen durante un breve período de tiempo en la zona próxima a un canal de calcio abierto [33] . Los "destellos" alcanzan alrededor de 2 micras de diámetro y duran solo unos pocos milisegundos, aunque algunos destellos pueden fusionarse para formar gradientes más grandes: "ondas de calcio" (en inglés , calcio waves ) [34] . Los gradientes de concentración de otras moléculas pequeñas, como el oxígeno y el ATP , pueden formarse cerca de grupos mitocondriales, pero el mecanismo de su formación es menos conocido [35] [36] .  

Complejos proteicos

Las proteínas pueden asociarse entre sí para formar complejos de proteínas, que a menudo contienen un conjunto de proteínas con funciones similares, por ejemplo, un conjunto de enzimas que catalizan diferentes pasos de la misma vía metabólica [37] . Debido a esto, se forman canales de sustrato ( English  Substrate channeling ), en los que los productos de reacción de una enzima se transfieren directamente a la siguiente enzima del camino sin liberarse en la solución [38] . Los canales de sustrato pueden hacer que la ruta metabólica sea más rápida y eficiente que si las enzimas estuvieran ubicadas al azar en el citosol y evitar que los intermedios inestables de la ruta escapen a la solución [39] . Aunque las enzimas se unen estrechamente en un gran número de vías metabólicas, también existen complejos enzimáticos unidos de forma más flexible que son muy difíciles de estudiar fuera de la célula. Por lo tanto, la importancia de estos complejos para el metabolismo sigue sin estar clara [40] [41] .

Compartimentos de proteínas

Algunos complejos proteicos contienen una cavidad en su interior aislada del citosol. Un ejemplo de tal complejo es el proteasoma [42] . El conjunto de subunidades del proteasoma forma un "barril" hueco que contiene proteasas que degradan las proteínas citoplasmáticas. La presencia de proteínas mal plegadas en el citoplasma es insegura, por lo que el “barril” se cubre con proteínas reguladoras que reconocen proteínas con una marca de degradación ( etiqueta de ubiquitina ) y las dirigen al proteasoma para su destrucción [43] .

Otra clase de compartimentos de proteínas son los microcompartimentos bacterianos , que consisten en una cubierta de proteína que contiene varias enzimas [44] . Por lo general, estos compartimentos tienen un tamaño de 100 a 200 nm y consisten en proteínas estrechamente unidas entre sí [45] . Un ejemplo bien estudiado de un microcompartimento es el carboxisoma , que contiene enzimas de fijación de carbono (p. ej., rubisco ) [46] .

Tamiz de citoesqueleto

Aunque el citoesqueleto no forma parte del citosol, la presencia de esta red de filamentos limita la difusión de partículas grandes dentro de la célula. Por ejemplo, en varios experimentos, se extrajeron partículas de control de aproximadamente 25 nm de tamaño (casi como un ribosoma [47] ) de partes del citosol ubicadas cerca del borde de la célula y del núcleo celular [48] [49] . Dichos compartimentos pueden contener una red más densa de filamentos de actina que el resto del citosol. Estos microdominios pueden influir en la ubicación de partículas grandes como el ribosoma y otros orgánulos, concentrándolas en algunos lugares de la célula y desplazándolas de otros [50] .

Funciones

El citosol no tiene una sola función, porque en él tienen lugar muchos procesos. Entre estos procesos se encuentra la transducción de señales desde la membrana celular a lugares dentro de la célula, como el núcleo celular [51] y varios orgánulos [52] . Muchas reacciones de citocinesis también ocurren en el citosol después de la ruptura de la envoltura nuclear en la mitosis [53] . Otro papel importante del citosol es el transporte de metabolitos desde los lugares de formación hasta los lugares de uso. Entre los metabolitos se encuentran moléculas solubles en agua relativamente simples, como los aminoácidos , que pueden difundirse rápidamente a través del citosol [14] . Sin embargo, las moléculas hidrofóbicas , como los ácidos grasos o los esteroles , pueden ser transportadas en el citosol por proteínas especiales que transportan estas moléculas entre las membranas [54] [55] . Las vesículas en el citosol transportan moléculas capturadas durante la endocitosis o destinadas a la secreción [56] . Las vesículas son pequeños sacos de lípidos que se mueven a lo largo del citoesqueleto con la ayuda de proteínas motoras [57] .

En procariotas, la mayoría de los procesos metabólicos tienen lugar en el citosol [58] , al igual que en eucariotas. Así, en los mamíferos, aproximadamente la mitad de las proteínas se localizan en el citosol [59] . Se ha demostrado que casi todas las vías metabólicas y los metabolitos de la levadura están localizados en el citosol [60] . Entre los procesos metabólicos que tienen lugar en el citosol de los animales se encuentran la síntesis de proteínas , la vía de las pentosas fosfato , la glucólisis y la gluconeogénesis [61] . En otros organismos, estas vías metabólicas pueden estar localizadas de manera diferente. Por ejemplo, en las plantas, la síntesis de ácidos grasos ocurre en los cloroplastos [62] , mientras que en los apicomplejos ocurre  en el apicoplasto [63] .

Notas

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