Chemotaxe

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 18. listopadu 2018; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Chemotaxe  je motorická reakce mikroorganismů na chemický podnět.

Chemotaxe bakterií

Bakterie se mohou pohybovat směrem k atraktantům (často živinám) a pryč od repelentů (jako jsou toxiny ). Téměř všechny cukry a aminokyseliny působí jako atraktanty, mastné kyseliny , alkoholy a další potenciálně škodlivé látky působí jako repelenty . Citlivost bakterií je impozantní – snadno detekují změnu koncentrace o 0,1 % při mikromolárních koncentracích látek a rozsah detekovatelných koncentrací pokrývá pět řádů.

Atraktanty a repelenty jsou detekovány přímou interakcí se specifickými chemoreceptory, a nikoli žádnými intracelulárními účinky detekovatelné látky.

Membránové receptory jsou seskupeny do shluků, obvykle umístěných na pólech buňky, ale to nemůže pomoci bakterii detekovat rozdíl v koncentraci mezi póly, protože bude příliš malý kvůli malé velikosti samotné buňky.

Místo toho se bakterie pohybují v chemických gradientech měřením časových změn koncentrace, když se pohybují. Obvykle je rychlost Escherichia coli 10-20 jejích délek za sekundu.

Porovnáním aktuálního zatížení chemoreceptorů se specifickými ligandy s tím před pár sekundami může buňka skutečně „změřit“ rozdíl v koncentracích určité látky na vzdálenost mnohonásobně větší, než je délka samotné buňky.

Takové měření koncentrace ligandu v čase je možné díky adaptivní metylaci chemoreceptorů, která závisí na jejich zatížení ligandy.

Časové zpoždění mezi vazbou ligandu a methylací receptoru je druh molekulární "paměti", která umožňuje měřit změny v koncentracích ligandu.

Pokud zvolený směr pohybu odpovídá zvýšení koncentrace atraktantu (snížení koncentrace repelentu), prodlužuje se doba do dalšího omílání. Buňka je bohužel kvůli své malé velikosti neustále sváděna na scestí Brownovým pohybem , a proto se prostě nemůže dlouho pohybovat přímo. Takový mechanismus pouze obecně zajišťuje pohyb bakterie po koncentračním gradientu správným směrem, ale pro bakterii je poměrně účinný.

Mechanismus založený na přepínání směru otáčení bičíku , jehož výsledkem je přímočarý pohyb, který je v různých intervalech nahrazován kotrmelci na místě, není jediný.

U Rhodobacter sphaeroides je rotace jednoho bičíku nahrazena jeho úplným zastavením a u Rhizohium meliloli se rotace bičíku nezastaví nikdy – mění se pouze jeho rychlost. Ale ve všech těchto případech je výsledek činnosti senzorického systému chemotaxe stejný: pokud se bakterie pohybuje „potřebným“ směrem, doba takového pohybu se prodlužuje.

Senzorický mechanismus chemotaxe je složitější, než bylo dříve diskutováno. Je to způsobeno především dvěma důvody.

Za prvé, protože Brownův pohyb může velmi rychle změnit orientaci bakteriální buňky, musí bakterie zpracovat chemotaktické signály velmi rychle a skutečně, od podnětu k přepnutí „motorů“ v bakteriální buňce neuplyne více než 0,2 sekundy.

Za druhé, pro správné srovnání prostorových gradientů potřebují buňky takové zařízení senzorického mechanismu, které by „uhasilo“ smyslovou stimulaci za statických podmínek, tedy při absenci koncentračního gradientu, bez ohledu na to, jak moc je nějaký atraktant, resp. v prostředí je přítomen repelent.

Proteinový aparát bakteriální chemotaxe

Na chemotaxi se podílejí tři třídy proteinů: transmembránové receptory, cytoplazmatické signální proteiny a adaptivní methylační enzymy .

Receptory chemotaxe

Mnoho bakterií detekuje chemotaktické stimuly pomocí receptorů známých jako proteiny chemotaxe přijímající methyl (MCP) . 

Tyto proteiny jsou membránové senzory, které jsou v podstatě podobné struktuře jako HnvZ, pouze s tím rozdílem, že cytoplazmatická signální doména není autokináza.

Autokinázovou funkci vykonává jiný protein, CheA, a signální domény MCP zajišťují interakci s CheA.

Dalším rozdílem od typického senzoru je to, že na obou stranách signální domény jsou methylační místa nezbytná pro adaptaci receptoru.

MCP proteiny se skládají z přibližně 550 aminokyselinových zbytků a jsou dimery.

4 MCP proteiny z E. coli jsou dobře studovány , reagují na serin (Tsr), aspartát a maltózu (Tar), ribózu , glukózu a galaktózu (Trg) a dipeptidy (Tap).

Salmonella nemá Tap, ale má Tep citrátový senzor.

Serin, aspartát a citrát se vážou přímo na receptory, zatímco cukry a dipeptidy se nejprve vážou na odpovídající periplazmatické proteiny a tyto komplexy již interagují s receptory.

Kromě toho MCP reagují na změny teploty a pH a jsou také receptory pro různé repelenty.

Klasický receptor chemotaxe se skládá z

  • amino-terminální transmembránová šroubovice,
  • periplazmatická senzorická vlastní doména, složená ze čtyř α-helikálních oblastí,
  • druhá transmembránová šroubovice,
  • velká cytoplazmatická signální a adaptační doména.

Cytoplazmatické domény senzorů obsahují 4 nebo 5 glutamátových zbytků dostupných pro methylaci.

Překlad extracelulárního podnětu na intracelulární signál

Pro vysvětlení mechanismu transmembránové signální transdukce molekulou chemoreceptoru byly navrženy dva modely. Dostupná experimentální data neumožňují žádnou z nich zcela vyloučit, nicméně většina výzkumníků se přiklání k druhému modelu (pístovému).

Podle prvního modelu (nůžkový model) může kontakt ligandu s distálními konci membránově vázaných helixů chemoreceptoru vyvolat významný pohyb transmembránových segmentů. Ve stavu, kdy není navázán na ligand, receptorové podjednotky pravděpodobně vzájemně interagují pouze v oblasti prvního transmembránového segmentu.

Vazba na ligand způsobí vzájemné přiblížení senzorické a periplazmatické podjednotky, což se přenese na signální podjednotky a zajistí jejich vzájemnou interakci a v této formě již nemohou interagovat s CheA a stimulovat jeho autokinázovou aktivitu. Methylace vytváří sterické bariéry pro vzájemnou interakci signálních domén, což jim opět umožňuje stimulovat aktivitu autokinázy CheA.

Nyní se stále více a více důkazů hromadí ve prospěch dalšího mechanismu (model pístu) založeného na klouzání transmembránových segmentů (TMS) vůči sobě navzájem. V souladu s tímto modelem je amino-terminální TMS pevně fixován v membráně, zatímco druhý je pohyblivější a po navázání ligandu klouže „dolů“, tedy směrem k cytoplazmě, což způsobí konformační změnu v cytoplazmatické signální doméně, což jej inaktivuje. Variací na toto téma je zapojení dvou amfipatických helixů domény linkeru do konformační změny.

Cytoplazmatické signální proteiny a regulační mechanismus chemotaxe

Interakce mezi receptory a přepínačem bičíku je prováděna čtyřmi proteiny:

  • CheA - histidinkináza
  • CheY - PO, aspartátkináza
  • CheW – „adaptér“ mezi receptorem a CheA
  • CheZ je protein, který podporuje defosforylaci CheY-P.

Proteinový pár CheA-CheY je dvousložkový regulační systém. Nejvýznamnějším rozdílem od klasických systémů je to, že CheY není transkripční faktor, a proto postrádá doménu vázající DNA. Histidinkináza CheA funguje jako dimer, na který se vážou dva monomery CheW a tento komplex již asociuje s dimerním receptorem. Jako součást takového komplexu se autokinázová aktivita CheA prudce zvyšuje, což zvyšuje přenos fosfátu z CheA~P na CheY. CheY~P se váže na FliM motorického spínacího komplexu bazálního těla, což způsobuje rotaci bičíku ve směru hodinových ručiček. CheZ zabraňuje akumulaci CheY~P stimulací aktivity autofosfatázy CheY.

V nepřítomnosti atraktantu je koncentrace CheY-P udržována na úrovni, která podporuje rotaci bičíku převážně ve směru hodinových ručiček a následně nepřítomnost uspořádaného pohybu bakterií. Vazba atraktantu na receptor indukuje konformační změnu, která se přenáší přes membránu a inhibuje aktivitu autokinázy CheA. Koncentrace CheY~P klesá a bičíky bakterií rotují proti směru hodinových ručiček po delší dobu. Proto se buňky budou pohybovat po přímce déle, pokud vstoupí do prostředí s vyšší koncentrací atraktantu. Tento mechanismus však nevysvětluje, jak může buňka reagovat na stále se zvyšující koncentraci atraktantu. K tomuto účelu slouží smyslová adaptace.

Chemotaxe metylázy a senzorická adaptace

Adaptace senzorického aparátu je dosažena reverzibilní metylací receptorů, která zahrnuje dva proteiny, CheR metyltransferázu a CheB metylesterázu . Metylace receptoru má opačný účinek než vazba atraktantu. Je zajímavé, že methylace je stimulována vazbou atraktantu na receptor a nakonec neutralizuje účinek vazby atraktantu. Mezi vazbou atraktantu a metylací receptoru však uplyne určitý čas, během kterého se bakterie pohybují v přímé linii, což tvoří základ molekulární paměti aparátu chemotaxe.

CheR methyltransferáza methyluje glutamátové zbytky v cytoplazmatických doménách MCP konstantní rychlostí a přenáší methylovou skupinu z S-adenosylmethioninu . Senzorickým aparátem chemotaxe není regulována metylace receptorů, ale zpětný proces, který závisí na proteinu CheB. CheB je cílem pro přenos fosfátů z CheA~P a ve fosforylovaném stavu je CheB methylesteráza, která demetyluje MCP.

Při absenci stimulu je methylace MCP pomocí CheR kompenzována odstraněním methylových skupin fosforylovaným CheB, což udržuje metylaci MCP na 0,5–1 methylové skupině na podjednotku receptoru.

Když se atraktant naváže na receptor a inhibuje aktivitu CheA, koncentrace CheB~P klesá, i když pomaleji než koncentrace CheY~P, protože CheB~P není substrátem pro CheZ. Zvýšení stupně metylace obnovuje schopnost receptoru stimulovat CheA. Avšak i po obnovení bazálních hladin CheY~P a CheB~P zůstává receptor vázaný na atraktant methylovaný, protože methylovaný receptor je horším substrátem pro methylesterázu CheB~P.

S přihlédnutím k methylaci je tedy princip fungování molekulárního stroje chemotaxe následující.

  • V nepřítomnosti atraktantu je chemoreceptor v aktivovaném stavu a jeho signální doména stimuluje aktivitu kinázy CheA, která vede k fosforylaci CheY, zatímco fosfo-CheY v interakci s motorovým spínačem způsobí rotaci bičíku ve směru hodinových ručiček, což vede k bakterie se „svalí“ na místo.
  • Vazba atraktantu inaktivuje receptor a jeho signální doména již nemůže stimulovat aktivitu CheA kinázy, koncentrace fosfo-CheY rychle klesá (což je stimulováno proteinem CheZ), mění se směr rotace bičíku a bakterie se pohybuje v přímé linii.
  • Přímý pohyb se však může zastavit ze dvou důvodů. Pokud se bakterie začne pohybovat nepříznivým směrem, uvolní se receptor, začne fosforylace CheY a bakterie se opět „zavalí“ na místo. Kromě toho, když je CheA kináza „vypnutá“, CheB~P je defosforylován současně s defosforylací CheY~P, i když pomaleji (protože CheB-P není substrátem pro CheZ), což vede ke zvýšení stupeň metylace receptoru a obnovení jeho signalizace.aktivita.

Protože jak CheY, tak CheB jsou volné cytoplazmatické proteiny, bude stupeň jejich fosforylace záviset na stupni methylace receptoru a jejich zatížení ligandy. To umožňuje plynule regulovat motilitu bakterií v širokém rozsahu koncentrací atraktantů a repelentů namísto odpovědi „vše nebo nic“. Metylace receptoru poskytuje nejjednodušší molekulární paměť, která umožňuje bakteriím řídit „správný“ směr pohybu. Úroveň methylace bude vysoká, pokud byla koncentrace atraktantu před nějakou dobou vysoká. Při pohybu buňka „porovnává“ aktuální koncentraci atraktantu (určenou stupněm obsazenosti receptorů) s koncentrací v nedávné minulosti (zaznamenanou stupněm metylace receptorů). Pokud se podmínky prostředí významně zlepší nebo zhorší, aktivita CheA histidinkinázy bude odpovídajícím způsobem snížena nebo zvýšena, čímž se odpovídajícím způsobem změní doba trvání přímočarého pohybu bakterie.

Literatura

  • Ermilova E. V., Zalutskaya Zh. M., Lapina T. V. Motilita a chování mikroorganismů. T. I. Prokaryota. - Petrohrad: Nakladatelství Petrohradu. un-ta, 2004. - 192 s. ISBN 5-288-03536-9
  • Manson MD, Armiiage JP, Hoch JA, Macnab RM Bakteriální lokomoce a přenos signálu // Journal of Bacteriology. 1998.180:1009-1022
  • Eisenbach M. Bakteriální chemotaxe // Encyklopedie věd o živé přírodě. 2001. Nature Publishing Group (www.els.nei)
  • Bakteriální bičíky Berry RM : Bičíková motorová encyklopedie věd o živé přírodě. 2001. Nature Publishing Group (www.els.net)
  • Armiiage JP Bacterial Taxis // Encyklopedie věd o živé přírodě. 2001. Nature Publishing Group (www.els.nei)
  • Falke JJ, Bass R. B. Butler SL Chervitz SA a Danielson MA Dvousložková signální dráha bakteriální chemotaxe: molekulární pohled na přenos signálu pomocí receptorů, kináz a adaptačních enzymů // Annu. Rev. celldev. Biol. 1997. 13:457-512
  • Williams SB a Stewart V. Funkční podobnosti mezi dvousložkovými senzory a proteiny chemotaxe přijímajícími methyl naznačují roli amfipaihických šroubovic v oblasti linkeru v transmembránové transdukci signálu // Molecular Microbiology. 1999.33:1093-1102
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích