Цытазоль

Цытазо́ль (англ.: cytosol, паходзіць ад грэч. κύτος — клетка і англ.: sol ад лац.: solutio — раствор) — вадкае змесціва клеткі. Большую частку цытазолю займае ўнутрыклеткавая вадкасць. Цытазоль разбіваецца на кампартменты пры дапамозе разнастайных мембран. У эўкарыётаў цытазоль размяшчаецца пад плазматычнай мембранай і з'яўляецца часткай цытаплазмы, у якую, апроч цытазоля, уваходзяць мітахондрыі, пластыды і іншыя арганелы, але не вадкасць, якая змяшчаецца ў іх, і ўнутраныя структуры. Такім чынам, цытазоль уяўляе сабой вадкі матрыкс, які атачае арганелы. У пракарыётаў большая частка хімічных рэакцый метабалізму адбываецца ў цытазолі, і толькі невялікая іх частка адбываецца ў мембранах і перыплазматычнай прасторы. У эўкарыётаў, хоць многія рэакцыі працякаюць у арганелах, некаторыя рэакцыі адбываюцца ў цытазолі.

Цытазоль уяўляе сабой канцэнтраваны раствор разнастайных малекул, які запаўняе ўнутраную прастору клеткі.

Хімічна цытазоль уяўляе сабой складаную сумесь рэчываў, раствораных у вадкасці. Хоць большая частка цытазоля прадстаўлена вадой, яго структура і ўласцівасці ўнутры клетак вывучаны недастаткова. Канцэнтрацыі іонаў, такіх як катыёны калію і натрыю, адрозніваюцца ў цытазолі і пазаклетачнай вадкасці. Гэта розніца канцэнтрацый істотная для такіх працэсаў, як осмарэгуляцыя, перадача сігналу і генерацыя патэнцыялу дзеяння ва ўзбудлівых клетках, такіх як эндакрынныя, нервовыя і мышачныя клеткі. У цытазолі таксама ўтрымліваецца шмат макрамалекул, якія могуць змяняць паводзіны малекул пасродкам эфекту цеснаты макрамалекул (англ.: Macromolecular crowding).

Хоць раней цытазоль разглядалі як просты раствор малекул, ён мае некалькі ўзроўняў арганізацыі. Сярод градыенты канцэнтрацый іонаў (напрыклад, кальцыю), буйныя ферментатыўныя комплексы, якія ўзаемадзейнічаюць адзін з адным і ажыццяўляюць разнастайныя хімічныя рэакцыі, а таксама бялковыя комплексы накшталт карбаксісом і пратэасом, якія змяшчаюць у сабе частку цытазоля.

Вызначэнне

Тэрмін «цытазоль» быў прапанаваны ў 1965 годзе Генры Лардзі (англ.: Henry A. Lardy) і першапачаткова выкарыстоўваўся ў дачыненні да вадкасці, якая выходзіць з пашкоджаных клетак і пры ўльтрацэнтрыфугаванні якой асядаюць нерастваральныя кампаненты. Растваральныя клетачныя экстракты не ідэнтычныя растваральнай частцы цытаплазмы і звычайна называюцца цытаплазматычнай фракцыяй.

У наш час тэрмін «цытазоль» выкарыстоўваецца для абазначэння вадкай фракцыі цытаплазмы інтактнай клеткі. У склад цытазоля не ўваходзяць вадкасці, размешчаныя ўнутры арганел. Каб пазбегнуць блытаніны ва ўжыванні тэрміна «цытазоль» у дачыненні да вадкай часткі цытаплазмы і экстрактаў клетак, для абазначэння вадкай часткі цытаплазмы жывых клетак часам выкарыстоўваецца тэрмін «вадзяністая цытаплазма» (англ.: aqueous cytoplasm).

Уласцівасці і склад

Склад пазаклетачнай і ўнутрыклеткавай вадкасці ў чалавека

Доля аб'ёму клеткі, якая прыпадае на цытазоль, вар'іруецца: у той час як у бактэрый цытазоль забяспечвае захаванне структуры клеткі і займае амаль увесь яе аб'ём, у раслін большая частка аб'ёму клеткі прыпадае на буйную цэнтральную вакуолю. Цытазоль складаецца, галоўным чынам, з вады, раствораных іонаў, малых малекул і буйных водарастваральных малекул (напрыклад, бялкоў). Большая частка небялковых малекул цытазоля мае масу да 300 Да. Цытазоль уключае каласальную колькасць метабалітаў: напрыклад, у раслін у клетках павінна ўтварацца да &&&&&&&&&0200000.&&&&&0200 000 метабалітаў, а ў адной дражджавы клетцы ці клетцы бактэрыі Escherichia coli павінна ўтварацца каля тысячы малекул.

Вада

Большую частку аб'ёму цытазоля складае вада (каля 70 % у тыповай клетцы). рН унутрыклеткавай вадкасці складае 7,4, пры гэтым у чалавека рН цытазоля складае ад 7,0 да 7,4 і мае большае значэнне ў выпадку клетак, якія растуць. Вязкасць цытаплазмы прыкладна такая ж, як у вады, хоць хуткасць дыфузіі малых малекул праз гэту вадкасць прыкладна ў 4 разы меншая, за дыфузію ў чыстай вадзе, з-за сутыкненняў са шматлікімі макрамалекуламі. На прыкладзе рачкоў-арцемій было паказана, як вада ўплывае на клетачныя функцыі. Паказана, што скарачэнне долі вады ў клетцы на 20 % спыняе метабалізм, прычым пры высыханні клеткі хуткасць метабалізму змяшаецца з прагрэсіяй, і ўсякая метабалічная актыўнасць спыняецца, калі ўзровень вады ў клетцы змяншчаецца на 70 % ніжэй за норму.

Хоць вада неабходная для жыцця, структура гэтай вады ў цытазолі вывучана слаба, таму што метады накшталт ядзернага магнітнага рэзанансу і спектраскапіі даюць толькі толькі агульную інфармацыю пра структуру вады, не ўлічваючы мікраскапічныя варыяцыі. Нават структура чыстай вады зразумела дрэнна з-за схільнасці вады ўтвараць вадзяныя кластары пасродкам вадародных сувязяў.

Класічнае ўяўленне пра ваду ў клетцы такое, што каля 5 % вады знаходзіцца ў звязаным з іншымі рэчывамі стане (гэта значыць забяспечвае сальватацыю), а астатняя вада мае такую ж структуру, як чыстая вада. Сальватавальная вада неактыўная пры осмасе і можа мець іншыя ўласцівасці як растваральнік, канцэнтруючы адны малекулы і выштурхваючы іншыя. Паводле іншага пункта гледжання, на ўвесь цытазоль велізарны ўплыў аказвае вялікая колькасць раствораных макрамалекул, і паводзіны цытазольнай вады моцна адрозніваюцца ад паводзін чыстай вады. Існуе здагадка, што ўнутры клеткі маюцца ўчасткі большай ці меншай шчыльнасці вады, якія могуць аказваць моцны ўплыў на структуру і функцыі іншых частак клеткі. Аднак вынікі ядзернага магнітнага рэзанансу супярэчаць гэтай здагадцы, таму што, паводле гэтых вынікаў, 85 % вады клеткі паводзіць сябе як чыстая вада, а астатняя вада знаходзіцца ў звязаным з макрамалекуламі стане і меней рухомая.

Іоны

Канцэнтрацыі іонаў у цытазолі карэнным чынам адрозніваюцца ад такіх у пазаклетачнай вадкасці, акрамя таго, у цытазолі змяшчаецца больш зараджаных малекул, такіх як бялкі і нуклеінавыя кіслоты. У табліцы ніжэй разглядаюцца канцэнтрацыі ключавых іонаў у вадзе і ў пазаклетачнай вадкасці.

Тыповыя канцэнтрацыі іонаў у цытазолі і крыві сысуноў

Іон	Канцэнтрацыя ў цытазоль (мМ)	Concentration in blood (мМ)
Калій	139	4
Натрый	12	145
Хлор	4	116
Бікарбанат	12	29
Амінакіслоты ў бялках	138	9
Магній	0,8	1,5
Кальцый	< 0,0002	1,8

У адрозненне ад пазаклетачнай вадкасці, цытазоль мае вялікую канцэнтрацыю іонаў калію і меншую канцэнтрацыю іонаў натрыю. Гэта адрозненне ў канцэнтрацыі іонаў неабходна для осмарэгуляцыі. Калі б канцэнтрацыі іонаў унутры клеткі і па-за яе былі аднолькавыя, паводле законаў осмасу вада б бесперапынна паступала ў клетку з-за таго, што клетка ўтрымлівае больш макрамалекул, чым іх маецца звонку. Іоны натрыю выпампоўваюцца з клеткі, а іоны калію, насупраць, запампоўваюцца ферментам Na+/K+-АТФ-азай. Далей іоны калію рухаюцца па градыенце канцэнтрацыі вонкі праз каліевыя каналы, і выхад катыёнаў выклікае адмоўны мембранны патэнцыял. Каб збалансаваць розніцу ў патэнцыялах, з клеткі таксама выходзяць адмоўна зараджаныя іоны хлору праз спецыяльныя хларыдныя каналы. Страта іонаў натрыю і хлору кампенсуе асматычны эфект высокай канцэнтрацыі макрамалекул унутры клеткі.

Клеткі могуць вытрымліваць яшчэ большую розніцу ў патэнцыялах, накопліваючы ў цытазолі осмапратэктары, такія як трэгалоза і бэтаіны. Некаторыя з гэтых малекул дапамагаюць клетцы выжыць пры поўным высушванні і ўваходжанні ў крыптабіёз. У гэтым стане цытазоль і осмапратэктары ператвараюцца ў шклопадобнае цвёрдае рэчыва, якое засцерагае клетачныя бялкі і мембраны ад пашкоджанняў пры высыханні.

Дзякуючы нізкай канцэнтрацыі кальцыю ў цытаплазме ён можа працаваць як другасны пасроднік у кальцыевых шляхах перадачы сігналу. У гэтым выпадку сігнал, такі як малекула гармону ці патэнцыял дзеяння, адкрывае кальцыевыя каналы, па якіх кальцый накіроўваецца ў цытазоль. Павелічэнне канцэнтрацыі кальцыю ў цытазолі актывуе іншыя сігнальныя малекулы, такія як кальмадулін і пратэінкіназа C. Іншыя іоны, такія як іоны хлору і калію, таксама могуць выконваць сігнальныя ролі ў цытазолі, але гэта роля ў наш час дрэнна вывучана.

Макрамалекулы

Бялковыя малекулы, якія не прымацаваны да мембран ці цыташкілету, раствораны ў цытазолі. Колькасць бялкоў у клетках надзвычай вяліка і набліжаецца да 200 мг/мл, бялкі займаюць ад 20 да 30 % усёй клеткі. Аднак вымярэнне дакладнай колькасці бялку ў цытазолі інтактнай клеткі вельмі складанае, паколькі некаторыя бялкі слаба звязаны з мембранамі ці арганеламі і выходзяць у раствор пры лізісе клетак. Сапраўды, эксперыменты, у якіх плазматычная мембрана клеткі акуратна разбуралася пад дзеяннем сапаніну без пашкоджання іншых мембран, паказалі, што вонкі выходзіць чвэрць бялкоў. Такія паўразбураныя клеткі былі здольныя, тым не менш, сінтэзаваць бялкі, калі ў доступе ёсць АТФ і амінакіслоты, таму многія бялкі цытазоля ў рэчаіснасці звязаны з цыташкілетам. Аднак ідэя аб тым, што большасць бялкоў трывала звязаны з сеткай, званай мікратрабекулярная рашотка (англ.: microtrabecular lattice), у наш час уяўляецца малаверагоднай.

У пракарыётаў геном змяшчаецца ў цытазолі ў выглядзе структуры, названай нуклеоідам. Нуклеоід уяўляе сабой неўпарадкаваную масу ДНК і асацыяваных бялкоў, якія кантралююць рэплікацыю і транскрыпцыю бактэрыяльнай храмасомы і плазмід. У эўкарыётаў геном змешчаны ў ядры, якое аддзеленае ад цытазоля ядзернымі порамі, якія не дапускаюць свабоднага праходжання малекул дыяметрам звыш 10 нм.

Высокая канцэнтрацыя малекул у цытазолі спараджае эфект, вядомы як макрамалекулярнае ўшчыльненне, пры якім эфектыўная канцэнтрацыя малекул павялічваецца, паколькі ў іх няма месца для свабоднага руху. Гэты эфект можа выклікаць істотныя змены ў хуткасці хімічнай рэакцыі і становішчы раўнавагі. Яго дзеянне на змену канстант дысацыяцыі асабліва важнае, паколькі дзякуючы гэтаму спрыяльнай становіцца асацыяцыя макрамалекул, напрыклад, зборка бялкоў у мультыбялковы комплекс і злучэнне ДНК-злучальных бялкоў са сваёй мішэнню на малекуле ДНК.

Арганізацыя

Хоць кампаненты цытазоля не аддзелены адзін ад аднаго мембранамі, яны не змешваюцца адзін з адным выпадковым чынам, і ўнутры цытазоля маецца некалькі ўзроўняў арганізацыі, якія лакалізоўваюць малекулы ў спецыяльных сайтах цытазоля.

Градыенты канцэнтрацыі

Хоць дробныя малекулы хутка дыфундзіруюць у цытазолі, унутры цытазоля могуць падтрымлівацца спецыяльныя градыенты канцэнтрацыі. Добрым прыкладам могуць служыць «кальцыевыя ўспышкі» (англ.: calcium sparks), якія з'яўляюцца на кароткі тэрмін ва ўчастку побач з адкрытым кальцыевым каналам. «Успышкі» дасягаюць каля 2 мкм у дыяметры і доўжацца ўсяго некалькі мілісекунд, хоць некаторыя ўспышкі могуць злівацца з ўтварэннем буйнейшых градыентаў — «кальцыевых хваль» (англ.: calcium waves). Градыенты канцэнтрацыі іншых малых малекул, такіх як кісларод і АТФ, могуць утварацца каля кластараў мітахондрый, але механізм іх утварэння менш зразумелы.

Бялковыя комплексы

Бялкі могуць асацыявацца адзін з адным з утварэннем бялковых комплексаў, якія часта змяшчаюць набор бялкоў з падобнымі функцыямі, напрыклад, набор ферментаў, якія каталізуюць розныя этапы аднаго і таго ж метабалічнага шляху. Дзякуючы гэтаму фарміруюцца субстратныя каналы (англ.: Substrate channeling), пры якіх прадукты рэакцыі аднаго фермента перадаюцца непасрэдна наступнаму ферменту шляху без вызвалення ў раствор. Субстратныя каналы могуць зрабіць метабалічны шлях больш хуткім і эфектыўным, чым калі б ферменты размяшчаліся ў цытазолі выпадковым чынам, і прадухіляюць выхад у раствор нестабільных прамежкавых прадуктаў шляху. Хоць у вялікай колькасці метабалічных шляхоў ферменты шчыльна звязаны адзін з адным, існуюць і больш слаба звязаныя ферментныя комплексы, якія вельмі цяжка вывучаць па-за клеткай. Таму і значнасць гэтых комплексаў для метабалізму застаецца незразумелай.

Бялковыя кампартменты

Карбаксісомы. Злева — электронная мікрафатаграфія, справа — мадэль будовы

Некаторыя бялковыя комплексы змяшчаюць унутры поласць, ізаляваную ад цытазоля. Прыкладам такога комплексу можа служыць пратэасома. Набор субадзінак пратэасомы фарміруе полая «бочачка», якая змяшчае пратэазы, якія разбураюць цытаплазматычныя бялкі. Прысутнасць у цытаплазме няправільна выкладзеных бялкоў небяспечная, таму «бочачка» пакрыты рэгулятарнымі бялкамі, якія распазнаюць бялкі з меткай аб дэградацыі (убіквітынавай меткай) і накіроўваюць іх у пратэасому для разбурэння.

Іншы клас бялковых кампартментаў — бактэрыяльныя мікракампартменты, якія складаюцца з бялковай абалонкі, якая змяшчае ў сабе разнастайныя ферменты. Звычайна такія кампартменты маюць памер 100—200 нм і складаюцца са шчыльна падагнаных адзін да аднаго бялкоў. Добра вывучаным ферментам можа служыць карбаксісома, якая змяшчае ферменты фіксацыі вугляроду (напрыклад, рубіска).

Цыташкілетнае сіта

Хоць цыташкілет не з'яўляецца часткай цытазоля, прысутнасць гэтай сеткі філаментаў абмяжоўвае дыфузію буйных часціц унутры клеткі. Напрыклад, у некалькіх эксперыментах кантрольныя часціцы памерам каля 25 нм (амаль як рыбасома) выдаляліся з частак цытазоля, размешчаных каля мяжы клеткі і клетачнага ядра. Такія кампартменты могуць змяшчаць гусцейшую за астатнюю цытазоль сетку з акцінавых філаментаў. Гэтыя мікрадамены могуць уплываць на размяшчэнне буйных часціц накшталт рыбасомы і іншых арганел, канцэнтруючы іх у адных месцах клеткі і выцясняючы з іншых.

Функцыі

У цытазоля няма нейкай адной функцыі, таму што ў ім працякае мноства працэсаў. Сярод гэтых працэсаў перадача сігналу ад клетачнай мембраны да месцаў унутры клеткі, такіх як клетачнае ядро і розныя арганелы. У цытазолі таксама адбываюцца многія рэакцыі цытакінезу пасля распаду ядзернай абалонкі ў мітозе. Іншая значная роля цытазоля — транспарт метабалітаў ад месцаў утварэння да месцаў выкарыстання. Сярод метабалітаў адносна простыя водарастваральныя малекулы, такія як амінакіслоты, якія могуць хутка дыфундзіраваць праз цытазоль. Аднак гідрафобныя малекулы, такія як тлустыя кіслоты ці стэролы, могуць пераносіцца ў цытазолі з дапамогай адмысловых бялкоў, якія транспартуюць гэтыя малекулы паміж мембранамі. У складзе везікул у цытазолі транспартуюцца малекулы, захопленыя пры эндацытозе ці прызначаныя для сакрэцыі. Везікулы — гэта маленькія ліпідныя мяшэчкі, якія рухаюцца па цыташкілеце пры дапамозе маторных бялкоў.

У пракарыётаў у цытазолі працякае большасць метабалічных працэсаў, як і ў эўкарыётаў. Так, у сысуноў каля паловы бялкоў лакалізуюцца ў цытазолі. Паказана, што ў дрожджаў амаль усе метабалічныя шляхі і метабаліты лакалізаваны ў цытазолі. Сярод метабалічных працэсаў, якія ў жывёл працякаюць у цытазолі, — сінтэз бялку, пентозафасфатны шлях, гліколіз і глюканеагенез. У іншых арганізмаў гэтыя метабалічныя шляхі могуць быць лакалізаваны інакш. Напрыклад, у раслін сінтэз тлустых кіслот працякае ў хларапластах, а ў апікомплексаў — у апікапласце.