Cytosol

Das Cytoplasma oder Zellplasma einer eukaryotischen Zelle besteht aus dem Cytosol, dem flüssigen Grundstoff des Cytoplasmas (Grundplasma), mit dem darin enthaltenen Cytoskelett sowie den Organellen und dem Zellkern.

Allgemeines, Zusammensetzung

Das Cytosol besteht zu 70% aus Wasser. Darin gelöst sind zahlreiche Moleküle und Ionen. Vor allem Proteine sind im Cytosol enthalten, sie machen 20 bis 30% des Cytosols aus.

Wenn man das Cytosol von Zellen isolieren möchte, muss man die Zellen homogenisieren und dann bei ca. 100.000 g zentrifugieren. Der Zellkern und alle Organellen sinken im Zentrifugenglas dann nach unten, und übrig bleibt das Cytosol.

Oft kann man in dem Cytosol zwei verschiedene Zustände beobachten. In den äußeren Bereichen der Zelle ist das Cytosol relativ viskos (dickflüssig). Man spricht hier auch von einem gelartigen Zustand. Verursacht wird die hohe Viskosität durch Actin-Filamente. Actin ist ein Protein, das für die Stabilität der Zelle mitverantwortlich ist; es ist ein Bestandteil des Cytoskeletts und eines der fünf häufigsten Proteine in Eukaryoten.

In den zentralen Bereichen der Zelle ist das Cytosol dünnflüssiger, man spricht hier von einem solartigen Zustand. Hier sind die Actin-Filamente kürzer bzw. nicht so stark vernetzt wie in den Außenbereichen des Cytoplasmas ^[1].

Stoffwechselprozesse im Cytosol

Aus dem Biologieunterricht der Oberstufe haben Sie sicherlich schon einmal etwas von der Glycolyse gehört, die auch auf dieser Homepage ausführlich erläutert wird.

Wenn genügend Glucose zur Verfügung steht, mehr als für die Glycolyse gerade benötigt wird, werden Stärke-Moleküle gebildet. Auch dieser Vorgang findet im Cytosol statt.

Auch der sogenannte Pentosephosphat-Zyklus läuft im Cytosol ab ^[1]. Hier werden, ausgehend von Glucose, zwei wichtige Produkte erzeugt. Einmal werden Pentosephosphate hergestellt, unter anderem Ribose-5-phosphat als Bestandteil des RNA-Rückgrats und daraus Desoxyribose-5-phosphat als Bestandteil des DNA-Rückgrats. Außerdem liefert der Pentose-Phosphat-Zyklus Reduktionsäquivalente, nämlich NADPH, das als Wasserstoff-Überträger eine wichtige Rolle in vielen Stoffwechselprozessen spielt ^[3]. In pflanzlichen Zellen ist NADPH für die Photosynthese wichtig, in menschlichen Zellen spielt NADPH bei der Fettsäuresynthese, bei der Cholesterinsynthese und bei vielen anderen Prozessen eine entscheidende Rolle ^[4].

Der Harnstoff-Zyklus, der Abfallstoffe wie Ammoniak beseitigt, findet zum Teil im Cytosol statt.

Proteinsynthese und -abbau

Ebenfalls aus dem Biologieunterricht der Oberstufe kennen Sie die Proteinsynthese, die ja aus vier Schritten besteht:

1. Transkription
2. RNA-Splicing
3. Translation
4. posttranslationale Modifizierung

Die ersten beiden Schritte finden im Zellkern statt, der dritte, also die Translation, im Cytosol, und der viertes Schritt ist Aufgabe des endoplasmatischen Reticulums und des Golgi-Apparates.

Viele Proteine der Mitochondrien und Chloroplasten werden auch im Cytosol hergestellt, weil sich die entsprechenden Gene im Zellkern befinden. Nur wenige Proteine der Mitochondrien werden in den Mitochondrien selbst synthetisiert, das Gleiche gilt für die Chloroplasten.

Auch der Abbau von nicht mehr benötigten oder fehlerhaft produzierten Proteinen findet im Cytosol statt. Winzige Gebilde, die als Proteasomen bezeichnet werden, sind für diesen Abbau zuständig ^[1].

Das Cytosol als Pufferlösung

Der pH-Wert des Cytosols liegt meistens im neutralen Bereich, also so um den Wert 7. Allerdings werden bei vielen Stoffwechselprozessen wie zum Beispiel der Atmungskette oder der Lichtreaktion der Photosynthese oft Protonen gebunden bzw. freigesetzt. Auch aufgenommenes CO₂ kann den pH-Wert des Cytosols verändern.

Das Cytosol ist aber eine Art Pufferlösung. Unter einer Pufferlösung versteht man eine Lösung, die ihren pH-Wert nur minimal ändert, wenn man eine Säure oder eine Lauge dazugibt.

Pufferlösungen enthalten immer eine bestimmte Konzentration einer Säure sowie eine ungefähr gleiche Konzentration des Säure-Anions. Erhöht sich nun durch Vorgänge in der Zelle die Protonenkonzentration im Cytosol, binden die Säure-Anionen diese Protonen. Verringert sich dagegen die Protonenkonzentration im Cytosol, weil irgendein Stoffwechselvorgang plötzlich viele Protonen benötigt, geben die Säure-Moleküle dieses Puffers Protonen ab, so dass auch hier der pH-Wert weitgehend konstant bleibt.

Im Cytosol sind viele Proteine gelöst, es entstehen ja auch ständig neue Proteine durch die Translation. Die Tertiärstruktur eines Proteins kann sich aber mit zu- oder abnehmendem pH-Wert stark verändern. Von dieser Veränderung kann auch das aktive Zentrum eines Enzyms betroffen sein, dass dann nicht mehr perfekt nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip arbeiten kann. Die meisten Enzyme haben ein bestimmtes pH-Optimum, also einen pH-Wert, bei dem sie am besten arbeiten. Auch das ist ein Grund, warum sich der pH-Wert des Cytosols nicht merklich ändern sollte und wieso das Cytosol gut gepuffert ist.