Citozolis

Citozolis (dar vadinamas citoplazminiu matriksu) – ląstelės viduje esantis skystis, sudarantis citoplazmą.^[1] Kitaip tariant, citozolis yra viduląstelinis skystis, gaubiantis organeles.

Eukariotinėse ląstelėse citozolis yra apribotas ląstelės membranos, o ląstelės viduje membranomis dalijamas į skyrius. Ir prokariotuose, ir eukariotuose dauguma metabolizmui priskiriamų cheminių reakcijų vyksta būtent citozolyje.

Citozolis yra sudėtingas įvairių vandenyje ištirpusių medžiagų mišinys. Nors didžiąją citozolio dalį sudaro vanduo, jo struktūra ir savybės pačiame citozolyje nėra visiškai aiškios. Jonų (pvz. natrio ar kalio) koncentracijos citozolyje ir užląsteliniame skystyje skiriasi, o šie skirtumai lemia įvairių procesų, tokių kaip osmoreguliacija, vyksmą, taip pat daro įtakos endokrinininių, nervinių ir raumeninių ląstelių veikimui. Be vandens ir jonų, citozolyje dar gausu makromolekulių.

Nors anksčiau laikytas nesudėtingu molekuliniu tirpalu, iš tiesų citozolis skirstytinas į keletą organizacinių lygmenų, tokių kaip mažų molekulių koncentracijos gradientas, metabolizmą katalizuojančių fermentų kompleksai ir baltymų kompleksai, tokie kaip proteosoma ar karboksisoma, aptveriantys atskiras citozolio dalis.

Apibrėžimas

Pačią sąvoką „citozilis“ 1965-aisiais metais įvedė biochemikas Henris A. Lardis (Henry A. Lardy), nors tuo metu citozoliu vadino skystį, gaunamą skaidant ląsteles ir ultracentrifugacijos būdu granuliuojant netirpias jos sudedamąsias dalis.^[2][3] Tačiau šis tirpus ląstelių ekstraktas skiriasi nuo tirpiosios ląstelių citoplazmos dalies ir dažniausiai vadinamas citoplazmine frakcija.

Šiuo metu citozolio sąvoka pasitelkiama turint omeny nepažeistos ląstelės citoplazmos skystąją dalį. Taip apibrėžiant citozolį, į jo sudėtį neįtraukiama organelėse esanti citoplazma. Norint išvengti galimos painiavos, terminu „citozolis“ vadinant ir ląstelių ekstraktus, ir nepažeistų ląstelių citoplazmos tirpiąją dalį, įvesta frazė „vandeninė citoplazma“, vartotina apibūdinant gyvųjų ląstelių citoplazmos skystąją sudėtį.^[4]

Savybės ir sudėtis

Santykis tarp ląstelės tūrio ir citozolio kiekio jame gali būti įvairus, pavyzdžiui bakterijose didžiąją dalį užima citozolis, o augalinių ląstelių didžiąją tūrio dalį užima centrinė vakuolė. Į citozolio sudėtį įeina vanduo, ištirpę jonai, mažos molekulės bei didelės vandenyje tirpios molekulės (kaip baltymai). Mažųjų, nebaltyminių molekulių molekulinė masė dažniausiai neviršija 300 Da. Šis mažųjų molekulių mišinys yra ypač sudėtingas, mat tarp jų yra didžiulė metobolizmo procese dalyvaujančių molekulių (dar vadinamų metabolitais) įvairovė. Pavyzdžiui, beveik 200 000 skirtingų mažų molekulių gaminamos augaluose, nors ne visos gali būti randamos tos pačios rūšies atstovuose ar vienoje ląstelėje. Nustatytas metabolitų kiekis pavienėse ląstelėse (pavyzdžiui E. coli) leidžia manyti, jog mažiau nei 1000 jų yra gaminami pačioje ląstelėje.^[5]

Vanduo

Maždaug 70 % įprastinės ląstelės tūrio sudaro citozolyje esantis vanduo. Nors viduląstelinio skysčio pH yra 7,4, žmogaus ląstelėje esančio citozolio pH svyruoja tarp 7,0 ir 7,4, o ląstelei augant didėja.^[6] Citoplazmos klampumas yra maždaug toks pats, kaip vandens, tačiau citoplazmoje mažų molekulių difuzija vyksta daugmaž keturiskart lėčiau nei gryname vandenyje. Taip yra iš esmės dėl mažųjų molekulių susidūrimų su didžiosiomis, kurių citozolyje yra apstu. Su artemijomis atliktais tyrimais nustatyta, kokią įtaką ląstelių funkcijoms daro vanduo: rasta, jog 20 % sumažinus vandens kiekį ląstelėje jos metabolizmas susilpnėja, toliau džiovinant ląstelę palaipsniui slopsta, o vandens lygiui tapus 70 % mažesniam už įprastą metabolizmas galutinai sustoja.

Nors vanduo yra gyvybiškai svarbus, jo pasiskirstymas citozolyje nera aiškus, iš esmės dėl to, jog tokie jo tyrimo metodai kaip branduolinis magnetinis rezonansas tegali nurodyti vidutinį vandens pasiskirstymą, tačiau negali jo išmatuoti mikroskopiniu lygiu. Net gryno vandens struktūra, dėl vandens savybės vandeniliniais ryšiais susijungti į vandens klodus, vargiai tesuprasta.

Klasikiniu požiūriu, maždaug 5 % ląstelinio vandens hidratuoja tirpinius ir makromolekules, tad yra tvirtai su jais „surišta“, o likusio vandens struktūra tokia pati, kaip ir gryno vandens. Hidratuojantis vanduo nedalyvauja osmoso procese, jam būdingos kitokiomis tirpiklinės savybės, o tai gali lemti netolygų ištirpusių molekulių pasiskirstymą terpėje. Vis dėlto kai kurie teigia, jog aukšta makromolekulių koncentracija ląstelių citozolyje tolygi, o vandens savybės jame ženkliai skiriasi nuo vandens savybių skiestuose tirpaluose. Taip pat iškelta idėja, jog jog ląstelėse yra atskiros sutankėjusio ir išretėjusio vandens sritys, o tai galėtų daryti įtakos visos ląstelės struktūrai ir veikimui. Ši idėja paneigta branduolinio magnetinio rezonanso būdu gautais duomenimis, įrodančiais, kad 85% ląstelinio vandens sąvybėmis atitinka gryną vandenį, o likęs vanduo greičiausiai tėra „surištas“ su makromolekulėmis.^[7]

Jonai

Citozolyje randamų jonų koncentracija gerokai skiriasi nuo esančių užlastelininiame skystyje, be to, citozolyje gausiau krūvį turinčių molekulių (pavyzdžiui baltymų ar nukleorūgščių), nei už ląstelės esančiuose dariniuose.

Įprastinės jonų koncentracijos žinduolių citozolyje ir kraujyje^[8]

Jonas	Koncentracija citozolyje (milimoliais litre)	Koncentracija kraujyje (milimoliais litre)
Kalio jonas	139	4
Natrio jonas	12	145
Chlorido jonas	4	116
Dikarbonato jonas	12	29
Aminorūgščių (baltymuose) jonas	138	9
Magnio jonas	0,8	1,5
Kalcio jonas	<0,0002	1,8

Palyginus su užląsteliniu skysčiu, citozolyje yra didelė kalio jonų koncentracija, tačiau maža natrio jonų koncentracija. Šis jonų koncentracijų skirtumas ypač svarbus osmoreguliacijai, kadangi jei jonų lygiai ir ląstelės išorėje, ir viduje būtų vienodi, vanduo pastoviai osmoso būdų srūtų ląstelės vidun, mat makromolekulių lygis ląstelės viduje yra ženkliai didesnis nei išorėje. Dėl minėto koncentracijų skirtumo, ne vanduo, o natrio jonai šalinami iš ląstelės, tuo tarpu kalio jonai yra paimami Na+/Ka±ATPazės ir ištekinami kalio jonų baltyminiais kanalais, taip sumažinant jų koncentracijos gradientą ir, atsikračius dalies teigiamo krūvio, sukuriant neigiamą membranos potencialą. Kad atsvertų šią sukurtą įtampą, neigiami chlorido jonai taip pat palieka ląstelę (tačiau jie srūva chlorido baltyminiais kanalais). Kalio ir natrio jonų nuotėkis atstoja didesnės koncentracijos organinių molekulių, esančių ląstelės viduje, osmosinį efektą.^[9]

Dėl mažos kalcio jonų koncentracijos citozolyje, šie jonai gali atlikti antrinio mediatoriaus funkciją ląstelėje pernešant signalus. Šio proceso metu, signalas, pavyzdžiui hormonas arba veiksmo potencialas atveria baltyminius kalcio kanalus, kad kalcio jonai galėtų įtekėti ląstelės vidun, į citozolį. Staigiai padidėjus citozolinio kalcio kiekiui, aktyvuojamos kitos signalus pernešančios molekulės, kaip kad kalmodulinas ir PKC. Nors ir kiti citozolyje esantis jonai geba pernešti ląstelinius signalus, šių signalinės funkcijos nėra pakankamai gerai suprastos.^[10]

Makromolekulės

Baltymų molekulės, nesitvirtinančios nei prie ląstelės membranos, nei prie citoskeleto ištirpsta citozolyje. Ląstelėje yra ypač didelis kiekis ištirpusių baltymų (beveik 200 mg/ml), jie užima apie 20-30 % paties citozolio tūrio. Vis dėlto tiksliai išmatuoti ištirpusių baltymų kiekį nepažeistoje ląstelėje yra nepaprastai sudėtinga, mat kai kurie baltymai galimai silpnai susieti su visos ląstelės membrana arba organelėmis, o ląstelei plyštant išleidžiami į tirpalą. Atliekant tyrimus su plazma iš tiesų atrasta, jog atsargiai saponinais suardžius ląsteliės plazminę membraną, tačiau nepažeidus kitų ląstelės membranų, išleidžiamas tik ketvirtadalis ląstelės baltymų. Šios ląstelės, joms suteikus ATP ir aminorūgščių, galėjo sintetinti baltymus, o tai leidžia manyti, jog nemažai citozolio fermentų tvirtinasi prie citoskeleto. Vis dėlto mintis, jog dauguma ląstelės baltymų tvirtai jungiasi į tariamą tinklą, vadinama mikrotrabekuliarine gardele šiuo metu atmetama.^[11]

Prokariotinių ląstelių citozolyje nukleoido srityje saugomas šių ląstelių genomas, Eukariotinių ląstelių genomas saugomas ląstelės branduolyje, tad genoma nuo citozolio skiria branduolio poros, užtveriančios visų dalelių, kurių skersmuo ilgesnis nei 10 nanometrų, difuziją.

Didelė įvairių makromolekulių citozolyje koncentracija lemia tai, jog molekuės yra itin tankiai susigrūdusios, ir dėl mažo judėjimui likusio tūrio padidėja kai kurių efektyvioji koncentracija (taigi ir termodinaminis aktyvumas). Dėl molekulių sangrūdos gali kisti citozolyje vykstančių reakcijų cheminės pusiausvyros vieta ir pasiekimo greitis, taip pat ir disocijacijos konstanta, kadangi suspaustos molekulės linkusios tarpusavyje jungtis, pavyzdžiui keletas baltymų sudaro baltymų kompleksus.

Šaltiniai

1. Brown, Thomas A. (2011). Rapid Review Physiology. Elsevier Health Sciences. p. 2.
2. Lardy, H. A. 1965. „On the direction of pyridine nucleotide oxidation-reduction reactions in gluconeogenesis and lipogenesis“. In: Control of energy metabolism, edited by B. Chance, R. Estabrook, and J. R. Williamson. New York: Academic, 1965, p. 245,
3. Juozas Raugalas. citozolis. Visuotinė lietuvių enciklopedija, T. III (Beketeriai-Chakasai). – Vilnius: Mokslo ir enciklopedijų leidybos institutas, 2003
4. Clegg James S. (1984). „Properties and metabolism of the aqueous cytoplasm and its boundaries“. Am. J. Physiol. 246 (2 Pt 2): R133–51.
5. Reed JL, Vo TD, Schilling CH, Palsson BO (2003). „An expanded genome-scale model of Escherichia coli K-12 (iJR904 GSM/GPR)“. Genome Biol. 4 (9): R54.
6. Bright, G R; Fisher, GW; Rogowska, J; Taylor, DL (1987). „Fluorescence ratio imaging microscopy: temporal and spatial measurements of cytoplasmic pH“. The Journal of Cell Biology. 104 (4): 1019–1033.
7. Persson E, Halle B (April 2008). „Cell water dynamics on multiple time scales“. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (17): 6266–71.
8. Lodish, Harvey F. (1999). Molecular cell biology. New York: Scientific American Books.
9. Lang F (October 2007). „Mechanisms and significance of cell volume regulation“. J Am Coll Nutr. 26 (5 Suppl): 613S–623S.
10. Lang F (October 2007). „Mechanisms and significance of cell volume regulation“. J Am Coll Nutr. 26 (5 Suppl): 613S–623S.
11. Lang F (October 2007). „Mechanisms and significance of cell volume regulation“. J Am Coll Nutr. 26 (5 Suppl): 613S–623S.