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Dado que el concepto de sangre que estamos tomando es en el sentido más laxo posible como el mileau interior de los seres vivos, debemos analizar todos los fluidos vitales de los seres vivos, lo cual implica iniciar por los fluidos internos de la unidad estructuran y funcional de cualquier ser vivo, es decir, la célula. Todo ser vivo está definido como mínimo por un fluido interno y una membrana que lo separa del ambiente externo (De Duve & Pizano, 1995). El citosol es el fluido interno de las células definidas por medio de una membrana biológica. El término citosol fue acuñado por primera vez de forma bastante tardía en la historia de la biología celular, recien hasta 1965 fue acuñado por H. A. Lardy para referirse al líquido que era producido por el rompimiento celular una vez que fuera separado de todos sus componentes no solubles (Ureta, 1985).
En la actualidad
el término citosol de emplea para definir la parte líquida del citoplasma en
una célula intacta, lo cual incluye cualquier parte del citoplasma que sea
contenido por orgánulos (Ito, Parsons,
& Heazlewood, 2014). Sin embargo, para evitar las confusiones
generalmente se designa como citosol a la parte liquida entre la membrana
externa y las membranas de los organelos, mientras que el líquido contenido al
interior de cualquier organelo se lo denomina generalmente como matriz. Existen
grandes diferencias en el contenido del citosol y la matriz citosólica de los
organelos, pues ese es precisamente el propósito de muchos de ellos, almacenar
sustancias de forma tal que puedan ser transportadas o procesadas sin que se
disuelvan en todo el volumen de la célula. De hecho, citosol también puede ser
conocido como matriz citoplasmática.
El citosol es
importante, ya que muchas reacciones químicas del metabolismo deben ocurrir en
fase acusa en su interior, las cuales pueden estar relacionadas con reacciones
vinculadas a las membranas (De Duve &
Pizano, 1995; Karp, 2013). El citosol es una compleja mezcla de
sustancias disueltas en el agua. Aunque el agua conforma la mayor parte del
citosol, su estructura y propiedades al interior de la célula no se encuentran
comprendidas del todo. A diferencia de lo que cabe esperar en una solución
química normal, donde las concentraciones se homogenizan con el tiempo debido
al fenómeno de difusión, en el citosol se pueden encontrar gradientes de
concentración sin la necesidad de la separación por membranas (Aw, 1999; Jaffe,
1993; Weiss & Korge, 2001). Estas diferencias en las concentraciones
de iones son importantes en procesos como la osmoregulación, 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 proteínas, las cuales alteran las propiedades del citosol a su alrededor
mediante un sistema de pastoreo molecular (Ellis, 2001a).
Lo anterior
implica que la vieja visión del citosol como una solución química debe ser
evaluada a la luz de las propiedades biológicas ejercidas por las proteínas,
generando múltiples niveles de organización interna que habían pasado por de
ser percibidas por siglos. Estas incluyen, pero posiblemente no se limitan a,
gradientes de concentración sin separación membranosa, complejos proteínicos en
las cuales una proteína puede agrupar cual pastor de ovejas a otras moléculas
por medio de interacciones moleculares débiles (Ellis, 2001a), e incluso, la generación de estructuras
proteínicas de almacenamiento (Yeates, Crowley,
& Tanaka, 2010).
La proporción del volumen celular que es citosol varía, por ejemplo, en las
bacterias casi toda la célula es citosol y lo demás es membrana externa, pero
en las células vegetales el líquido más voluminoso es la matriz de la vacuola
que regula a su vez el volumen del citosol.
El componente más
importante del citosol es el agua, la cual abarca el 70% del volumen de una
célula típica (Luby-Phelps, 1999). La acidez medida como pH de este fluido
se encuentra cercana a la neutralidad, con la leve basicidad de 7,4, aunque
puede haber variaciones. En el ser humano por ejemplo, el pH puede variar entre
7,0 y 7,4 siendo más alto si la célula se encuentra en crecimiento (Bright, Fisher,
Rogowska, & Taylor, 1987; Roos & Boron, 1981). La viscosidad del citosol es casi la
misma que la del agua pura, aunque la capacidad de difusión de moléculas es
casi 4 veces más baja que en el agua debido a las colisiones moleculares con
tantas moléculas disueltas (Verkman, 2002).
Las células
poseen cuenta tolerancia a la desecación hasta un 56% del volumen celular, sin
embargo el metabolismo se inhibe paulatinamente hasta que se llega a un 21% del
volumen celular, momento en el cual el metabolismo se detiene y la célula muere
por crenación (Clegg, 1984). ¡La organización de las moléculas de
agua en el citosol sigue siendo materia de debate, incluso la organización del
agua ultra pura sigue siendo materia de debate! Debido a que el agua al formar
puentes de hidrógeno puede formar agrupaciones supramoleculares con sigo misma
y con las sustancias con las cuales ella se puede disolver (Wiggins, 1990). Por tal razón solo expondremos la imagen
clásica, en la cual el 5% de esta se encuentra unida a los solutos como las
proteínas por medio del proceso de solvatación, mientras que la mayoría de las
moléculas restantes poseen una estructura semejante a la del agua pura líquida.
El agua solvatada actúa como si sus propiedades moleculares fueran diferentes a
la del agua molecular y por lo tanto no afecta las propiedades osmóticas de la
célula (Wiggins, 1990).
Las
concentraciones de iones en el citosol son muy diferentes de las que podemos
encontrar tanto en las matrices de los diferentes orgánulos o de la que puede
presentar la matriz extracelular, pero los tipos de iones son en esencia los
mismos, con la única excepción de las proteínas citosólicas como el
citoesquelético que poseen una carga neta negativa. Por lo general el citosol posee
muchas más moléculas con carga negativa que el medio externo, eso también lo
hace un poco más ácido. Por lo general el citosol posee concentraciones más
altas de sodio y más bajas de potasio que la matriz extracelular. Esta
diferencia en las concentraciones iónicas es crítica para la osmoregulación,
debido a que los niveles iónicos determinan la posibilidad que tiene la célula
de transportar otras sustancias cargadas de un lado al otro de la membrana. Las
diferencias en las cantidades de iones también crean diferencias en la carga
eléctrica a un lado y al otro de la membrana, conocido como diferencia de
potencial eléctrico. Esta propiedad es crítica para las células excitables como
las endocrinas, nerviosas y musculares (Karp, 2013;
Rhoades & Bell, 2013).
El citosol puede
experimentar cambios de fase fuertes sin destruir el sistema de membranas,
proceso denominado criptobiosis (Sussich, Skopec,
Brady, & Cesàro, 2001). En ese estado el citosol y sustancias
denominadas osmoprotectantes como las betainas y la trehalosa adquieren una
estructura semejante al vidrio estabilizando las proteínas y componentes celulares
y aislándolas del daño que puede efectuar la desecación.
Algunos iones se
encuentran en bajas concentraciones en el citosol bajo condiciones de
normalidad funcional, tal es el caso del ion calcio(2+), que generalmente se
encuentra resguardado en la matriz de los retículos endoplasmáticos. Sin
embargo alteraciones en el estado de normalidad permiten emplear al calcio(2+)
como mensajero interno, tal como ocurre durante el proceso de excitación de la
célula muscular, donde este ion es empleado como activador del sarcómero, que
permite que la célula se contraiga (Karp, 2013;
Rhoades & Bell, 2013). Otros iones como el ion cloruro(1-) y el
ion potasio(1+) también podrían tener funciones como señalizadores
intracelulares, aunque dichas funciones aún son materia de estudio y debate (Orlov & Hamet,
2006).
Las proteínas no
vinculadas a la membrana celular o al citoesqueleto se encuentran disueltas en
el citosol (Ellis, 2001b). La cantidad de proteínas en el citosol
es extremadamente alta, y sorprende que no altere las propiedades viscosas
hacia un gel. Ahora bien, tal como ocurre con los iones, al parecer las
proteínas no se encuentran disueltas uniformemente al interior del citosol. De
hecho, son las proteínas quienes causan los gradientes de concentración al
actual cómo pastores moleculares, sustancias que agrupan a otras moléculas en
regiones específicas del citosol, impidiendo o retrasando la difusión.
En los procariotas
el citosol contiene los ácidos nucleicos al interior de una estructura
denominada nucleoide (Thanbichler, Wang,
& Shapiro, 2005). El nucleoide es una masa irregular de
ADN circular asociado a proteínas que controlan su transcripción y replicación,
así como la de los plásmidos (Peters, 2006). Por el contrario en los eucariotas los
ácidos nucleicos como su nombre indica se encuentran almacenados en la matriz
nuclear al interior de las membranas que definen el núcleo de la célula. Como
último detalle, el pastoreo molecular altera gravemente las propiedades
químicas del citosol, y de hecho las constantes de disociación molecular, que
definen tan fuertemente a los seres vivos varían debido al efecto de la
altísima concentración molecular.
Aunque el citoesqueleto no hace parte del citosol en
nuestros modelos, es bastante evidente que el citosol baña al citoesqueleto,
por lo que hay una interacción directa. El citoesqueleto forma una red o
entramado molecular que puede efectivamente aislar moléculas muy grandes, o
disminuir su difusión por aumento de colisiones e interacciones moleculares,
esto se debe simplemente al tamaño. Algunos estudios han mostrado que el
citoesqueleto puede aislar estructuras de 25 nanómetros (Luby-Phelps, Castle, Taylor, & Lanni, 1987; Provance, McDowall,
Marko, & Luby-Phelps, 1993), lo cual es el tamaño
efectivo de un ribosoma (Cate, 2001).
Aparentemente la densidad del citoesqueleto no es la misma en todas partes, po
lo que es capaz de generar enmallados de actina que actúan como rejas que
separan compartimentos del citosol sin necesidad de membranas biológicas. Estos
microdominios podrían influenciar la distribución de estructuras grandes como
los ribosomas y organelos evitando mezclas aleatorias.
El citosol no posee una función única, y se trata más de un
lugar donde todo se encuentra ocurriendo de manera caótica, es decir, incluso
los organelos deben moverse en el citosol. Sin embargo, podemos señalar algunos
procesos generales vinculados al citosol:
Cuando una hormona o mensajero químico alcanza las proteínas
receptoras de la membrana, estas inmediatamente cambian su forma al interior de
la membrana, activando una serie de reacciones en cascada. La idea es bastante
similar a los juegos cinéticos en los que una pequeña fuerza activa en sucesión
una serie de máquinas simples. Sin embargo en la célula las acciones no son
llevadas a cabo por objetos físicos, sino por reacciones químicas que
transmiten una serie de mensajeros químicos internos como el ion calcio(2+) o
el AMPc. La señalización le permite a la célula responder dependiendo de las
señales del ambiente (Kholodenko, 2003).
Cuando la membrana nuclear desaparece y los organelos
empiezan a distribuirse, también lo hace el citosol hacia los polos opuestos de
la célula, esto es el proceso de la citocinesis celular justo antes de
completar la mitosis, la meiosis I y la meiosis II (Winey et al., 1995).
A pesar de su capacidad disminuida para la difusión
molecular y al pastoreo que ejercen algunas proteínas, la matriz del citosol
aún sigue siendo una sustancia que permite que las moléculas se difundan
aleatoriamente. Sin embargo debido a la gran cantidad de sustancias, solo las
moléculas pequeñas se difundirán eficientemente debido a que afrontarán menos
colisiones e interacciones moleculares débiles (Verkman, 2002).
Las grasas y otras sustancias hidrofobias grandes son un
problema para la posibilidad de difusión, de hecho a menos que se encuentren
vinculadas a proteínas fuertemente hidrófilas, o que se encuentren al interior
de una vesícula, estas sustancias no se difundirán, el lugar más común de su
almacenamiento son las membranas, ya sean la externa o de los organelos
celulares (Maxfield & Mondal, 2006; Weisiger, 2002).
Las moléculas que se encuentran en el citosol al interactuar
generan reacciones químicas, lo cual implica que en el citosol se llevan muchos
de los procesos del metabolismo de los seres vivos. Por ejemplo, en los
mamíferos casi la mitad de sus proteínas se encuentran en el citosol, y se
encuentran involucradas en mayor o menor medida a la regulación de las
reacciones químicas del metabolismo. Algunas de las rutas metabólicas más
viejas y comunes ocurren en el citosol como la glucólisis, la gluconeogénesis y
el ciclo de las pentosas fosfato (Berg, Tymoczko, & Stryer, 2002; Campbell & Farrell, 2012; Murray
et al., 2012).
El interior de
los organelos no se define como parte del citosol, y esto implica que debemos
asignarle un nombre al líquido que estos encierran, después de todo, cualquier
membrana biológica debe contener algún tipo de fluido vital. Por lo general los
fluidos internos de los organelos se los denomina matriz, y su contenido de
sustancias, aunque es el mismo del citosol, varía mucho en concentraciones, por
ejemplo la matriz del sarcoplasma en las célula muscular se encuentra saturada
del ion calcio(2+) un mensajero intracelular típico (Rhoades &
Bell, 2013).
El interior de la
mitocondria posee dos fluidos, ya que es como si se tratara de una bacteria
envuelta en un fagosoma. El fluido que se encuentra entre la membrana externa
de la mitocondria y la membrana interna o real de la mitocondria es conocido
como fluido intermembranal mitocondrial o intersticial mitocondrial, el cual a
su vez de divide en dos. El primero es el fluido que rodea a la mitocondria
como tal, y el segundo es el fluido intercrestal, que se encuentra embebido en
las crestas mitocondriales donde ocurren los cambios electroosmóticos que
permiten la síntesis de energía por medio del metabolismo aeróbico. Al interior
de la membrana interna de la mitocondria se encuentra el fluido denominado como
la matriz mitocondrial, el cual es quien interactua con los fluidos de las
crestas mitocondriales. La cadena de transporte de electrones manipula el
potencial electro osmótico mediante el flujo de iones protio(1+), así como
iones calcio(2+). Debido a que el proceso requiere gases disueltos es común
encontrar dioxígeno gaseoso disuelto y dióxido de carbono disuelto, así como
sus correspondientes ácidos y iones de su equilibrio triple (Karp, 2013;
Scalettar, Abney, & Hackenbrock, 1991).
El cloroplasto al
poseer tres membranas es un poco más complicado. También posee un fluido
intermembranario entre la membrana externa y la primer mebrana del cloroplasto.
En este caso no hay crestas, por lo que es un fluido regular. Al interior de la
segunda membrana del cloroplasto tenemos la cavidad denominada estroma, y su
fluido será el fluido o matriz del estroma. Sin embargo hay una tercera
membrana del cloroplasto que forma figuras semejantes a monedas llamadas
tilacoides, y en consecuencia hay una cavidad rellena de fluido que denominamos
como la matriz del tilacoide (Karp, 2013).
Los demás organelos por lo general no poseen una estructura
complicada interna, y en consecuencia su contenido se referencia simplemente
como la matriz del organelo en cuestión, aunque sus propiedades difieren
dependiendo de la función concreta que desempeña cada organelo (Karp, 2013).
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