El citosol , también conocido como matriz citoplasmática o plasma fundamental , [2] es uno de los líquidos que se encuentran en el interior de las células ( líquido intracelular (LIC)). [3] 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 plastidios y otros orgánulos (pero no sus fluidos y estructuras internas); el núcleo celular está separado. Por tanto, el citosol es 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 algunas tienen lugar en las membranas o en el espacio periplásmico . En los eucariotas, si bien muchas vías 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 comprenden bien. Las concentraciones de iones como el sodio y el 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 endocrinas, nerviosas y musculares. El citosol también contiene grandes cantidades de macromoléculas , que pueden alterar el comportamiento de las moléculas mediante el apiñamiento 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 rutas metabólicas , y complejos proteicos como los proteosomas y los carboxisomas que encierran y separan partes del citosol.
El término "citosol" fue introducido por primera vez en 1965 por HA Lardy, e inicialmente se refería al líquido que se producía rompiendo las células y sedimentando todos los componentes insolubles mediante ultracentrifugación . [4] [5] Un extracto celular soluble de este tipo no es idéntico a la parte soluble del citoplasma celular y generalmente se denomina fracción citoplasmática. [6]
El término citosol se utiliza actualmente para referirse a la fase líquida del citoplasma en una célula intacta. [6] Esto excluye cualquier parte del citoplasma que esté contenida dentro de los orgánulos. [7] Debido a la posibilidad de confusión entre el uso de la palabra "citosol" para referirse tanto a extractos de células como a la parte soluble del citoplasma en células intactas, se ha utilizado la frase "citoplasma acuoso" para describir el contenido líquido. del citoplasma de las células vivas. [5]
Antes de esto, se usaban otros términos, incluido hialoplasma , [8] para el líquido celular, no siempre como sinónimos, ya que su naturaleza no se entendía bien (ver protoplasma ). [6]
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 , [9] en las células vegetales el compartimento principal es la gran vacuola central . [10] El citosol se compone principalmente de agua, iones disueltos, moléculas pequeñas y moléculas grandes solubles en agua (como proteínas). La mayoría de estas moléculas no proteicas tienen una masa molecular inferior a 300 Da . [11] 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, en las plantas se podrían producir hasta 200.000 pequeñas moléculas diferentes, aunque no todas estarán presentes en la misma especie o en una sola célula. [12] Las estimaciones del número de metabolitos en células individuales como E. coli y levadura de panadería predicen que se producen menos de 1000. [13] [14]
La mayor parte del citosol es agua , que constituye aproximadamente el 70% del volumen total de una célula típica. [15] El pH del líquido intracelular es 7,4. [16] mientras que el pH citosólico humano oscila entre 7,0 y 7,4 y suele ser más alto si una célula está en crecimiento. [17] 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 aproximadamente cuatro veces más lenta que en el agua pura, debido principalmente a las colisiones con la gran cantidad de macromoléculas en el citosol. [18] Los estudios en artemia han examinado cómo el agua afecta las funciones celulares; Estos observaron que una reducción del 20% en la cantidad de agua en una célula inhibe el metabolismo, el cual 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. [5]
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 sólo brindan información sobre la estructura promedio del agua y no pueden medir variaciones locales a escala microscópica. Incluso la estructura del agua pura no se comprende bien, debido a la capacidad del agua para formar estructuras como grupos de agua a través de enlaces de hidrógeno . [19]
La visión clásica del agua en las células es que alrededor del 5% de esta agua está fuertemente unida a solutos o macromoléculas como agua de solvatación , mientras que la mayoría tiene la misma estructura que el agua pura. [5] Esta agua de solvatación no es activa en ósmosis y puede tener diferentes propiedades disolventes, de modo que algunas moléculas disueltas quedan excluidas, mientras que otras se concentran. [20] [21] 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. [22] 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. [19] [23] 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 esa agua pura, mientras que el resto es menos Móvil y probablemente unido a macromoléculas. [24]
Las concentraciones de los otros iones en el citosol son bastante diferentes de las del líquido extracelular y el citosol también contiene cantidades mucho mayores 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 potasio y una baja concentración de iones sodio . [27] 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 en el exterior, el agua entraría constantemente por ósmosis , ya que los niveles de macromoléculas dentro de las células son más altos que sus niveles en el exterior. En cambio, los iones de sodio son expulsados y los iones de potasio son absorbidos por la Na⁺/K⁺-ATPasa ; los iones de potasio luego fluyen a favor de su gradiente de concentración a través de canales iónicos 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 célula a través de canales selectivos de cloruro. La pérdida de iones sodio y cloruro compensa el efecto osmótico de la mayor concentración de moléculas orgánicas dentro de la célula. [27]
Las células pueden hacer frente a cambios osmóticos aún mayores acumulando osmoprotectores como betaínas o trehalosa en su citosol. [27] Algunas de estas moléculas pueden permitir que las células sobrevivan estando completamente secas y permitir que un organismo entre en un estado de animación suspendida llamado criptobiosis . [28] En este estado, el citosol y los osmoprotectores se convierten en un sólido similar al vidrio que ayuda a estabilizar las proteínas y las membranas celulares de los efectos dañinos de la desecación. [29]
La baja concentración de calcio en el citosol permite que los iones de calcio funcionen como segundo mensajero en la señalización del calcio . Aquí, una señal como una hormona o un potencial de acción abre el canal de calcio para que el calcio inunde el citosol. [30] Este aumento repentino del calcio citosólico activa otras moléculas de señalización, como la calmodulina y la proteína quinasa C. [31] Otros iones como el cloruro y el potasio también pueden tener funciones de señalización en el citosol, pero no se comprenden bien. [32]
Las moléculas de proteínas que no se unen a las membranas celulares ni 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 al 30% del volumen del citosol. [1] 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 . [5] 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 aproximadamente 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. [33] Sin embargo, la idea de que la mayoría de las proteínas de las células estén estrechamente unidas en una red llamada red microtrabecular ahora se considera poco probable. [34]
En los procariotas el citosol contiene el genoma de la célula , dentro de una estructura conocida como nucleoide . [35] Se trata de una masa irregular de ADN y proteínas asociadas que controlan la transcripción y replicación del cromosoma bacteriano y los plásmidos . En los eucariotas, el genoma se encuentra 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. [36]
Esta alta concentración de macromoléculas en el citosol provoca un efecto llamado apiñamiento macromolecular , que es cuando se aumenta la concentración efectiva de otras macromoléculas, ya que tienen menos volumen para moverse. Este efecto de apiñamiento puede producir grandes cambios tanto en las velocidades como en la posición de Equilibrio químico de reacciones en el citosol. [1] Es particularmente importante por su capacidad para alterar las constantes de disociación favoreciendo la asociación de macromoléculas, como cuando múltiples proteínas se unen para formar complejos proteicos , o cuando las proteínas de unión al ADN se unen a sus objetivos en el genoma . [37]
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. [38]
Aunque las moléculas pequeñas se difunden rápidamente en el citosol, todavía se pueden producir gradientes de concentración dentro de este compartimento. Un ejemplo bien estudiado de esto son las "chispas de calcio" que se producen durante un corto período en la región alrededor de un canal de calcio abierto . [39] Tienen aproximadamente 2 micrómetros de diámetro y duran sólo unos pocos milisegundos , aunque varias chispas pueden fusionarse para formar gradientes más grandes, llamados "ondas de calcio". [40] Los gradientes de concentración de otras moléculas pequeñas, como el oxígeno y el trifosfato de adenosina , pueden producirse en las células alrededor de grupos de mitocondrias , aunque estos se comprenden menos. [41] [42]
Las proteínas pueden asociarse para formar complejos proteicos , estos suelen contener un conjunto de proteínas con funciones similares, como enzimas que realizan varios pasos en una misma ruta metabólica. [43] Esta organización puede permitir la canalización de sustrato , que es cuando el producto de una enzima pasa directamente a la siguiente enzima en una vía sin ser liberado en solución. [44] La canalización puede hacer que una vía sea más rápida y eficiente de lo que sería si las enzimas estuvieran distribuidas aleatoriamente en el citosol, y también puede prevenir la liberación de intermediarios de reacción inestables. [45] Aunque una amplia variedad de vías metabólicas involucran enzimas que están estrechamente unidas entre sí, otras pueden involucrar complejos más vagamente asociados que son muy difíciles de estudiar fuera de la célula. [46] [47] En consecuencia, la importancia de estos complejos para el metabolismo en general sigue sin estar clara.
Algunos complejos proteicos contienen una gran cavidad central que está aislada del resto del citosol. Un ejemplo de un compartimento cerrado de este tipo es el proteosoma . [48] 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 proteínas con una señal que las dirige hacia la degradación (una etiqueta de ubiquitina ) y las introducen en la cavidad proteolítica. [49]
Otra gran clase de compartimentos proteicos son los microcompartimentos bacterianos , que están formados por una cubierta proteica que encapsula varias enzimas. [50] Estos compartimentos suelen tener entre 100 y 200 nanómetros de ancho y están hechos de proteínas entrelazadas. [51] Un ejemplo bien comprendido es el carboxisoma , que contiene enzimas implicadas en la fijación de carbono como RuBisCO . [52]
Los orgánulos no unidos a membranas pueden formarse como condensados biomoleculares , que surgen por agrupación, oligomerización o polimerización de macromoléculas para impulsar la separación de fases coloidales del citoplasma o el núcleo.
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 ) [53] de partes del citosol alrededor de los bordes de la célula y junto al núcleo. [54] [55] Estos "compartimentos excluyentes" pueden 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 excluyéndolos de algunas áreas y concentrándolos en otras. [56]
El citosol es el sitio de múltiples procesos celulares. Ejemplos de estos procesos incluyen la transducción de señales desde la membrana celular a sitios dentro de la célula, como el núcleo celular , [57] u orgánulos. [58] Este compartimento es también el sitio de muchos de los procesos de citocinesis , después de la ruptura de la membrana nuclear en la mitosis . [59] Otra función importante del citosol es transportar metabolitos desde su sitio de producción hasta donde se utilizan. Esto es relativamente sencillo para las moléculas solubles en agua, como los aminoácidos, que pueden difundirse rápidamente a través del citosol. [18] Sin embargo, las moléculas hidrofóbicas , 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. [60] [61] 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 , [62] que son pequeñas esferas de lípidos que se mueven a lo largo del citoesqueleto mediante proteínas motoras . [63]
El citosol es el sitio de la mayor parte del metabolismo en procariotas, [9] y una gran proporción del metabolismo de los eucariotas. Por ejemplo, en los mamíferos aproximadamente la mitad de las proteínas de la célula se localizan en el citosol. [64] Los datos más completos están disponibles en levaduras, donde las reconstrucciones metabólicas indican que la mayoría de los procesos metabólicos y metabolitos ocurren en el citosol. [65] Las principales vías metabólicas que ocurren en el citosol en los animales son la biosíntesis de proteínas , la vía de las pentosas fosfato , la glucólisis y la gluconeogénesis . [66] 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 [67] [68] y en los apicoplastos de los apicomplexa . [69]