miniatura|Ensaio en tubo capilar da quimiotaxe. Os procariotas móbiles perciben as substancias químicas presentes no seu ambiente e cambian a súa mobilidade de acordo con elas. En ausencia de compostos químicos o movemento é completamente aleatorio. Cando está presente un composto atractivo ou repelente, os movementos rectos das células fanse máis longos e os xiros menos frecuentes. O resultado é un movemento neto cara a ou afastándose do composto químico (é dicir, cara á parte con maior concentración ou con menor do gradiente químico). O movemento neto pode verse no vaso de precipitados, onde as bacterias se acumulan arredor da orixe do composto atractivo e lonxe da orixe do composto repelente. A quimiotaxe (/takse/) é o movemento dun organismo ou entidade en resposta a un estímulo químico ao longo dun gradiente. As células somáticas, bacterias e outros organismos unicelulares ou pluricelulares dirixen os seus movementos segundo presenza de certas substancias químicas no seu ambiente. Isto é importante para que as bacterias atopen alimento (por exemplo, glicosa) nadando cara onde hai maior concentración das moléculas nutritivas, ou fuxindo de onde hai moléculas velenosas (por exemplo, fenol). Nos organismos pluricelulares a quimiotaxe é fundamental nas primeiras fases da reprodución e o desenvolvemento (por exemplo, o movemento dos espermatozoides cara ao óvulo durante a fecundación ou a migración de neuronas ou linfocitos ou de células nas primeiras fases do embrión), así como no funcionamento normal e mantemento da saúde do organismo (por exemplo, a migración de leucocitos durante a curación dunha lesión ou infección). Ademais, sábese que os mecanismos que permiten a quimiotaxe en animais poden estar alterados durante a metástase do cancro. A quimiotaxe anormal de linfocitos e outros leucocitos tamén contribúe enfermidades inflamatorias como a aterosclerose, asma e artrite. Os compoñentes subcelulares, como o parche de polaridade xerado polos levedos en apareamento, poden tamén presentar comportamento quimiotáctico.
A quimiotaxe denomínase positiva se o movemento é cara ao lugar onde hai unha maior concentración do composto químico en cuestión; denomínase quimiotaxe negativa se o movemento é na dirección oposta. A cinese causada por unha substancia química (dirixida de forma aleatoria ou non direccional) pode denominarse quimiocinese.
Historia da investigación da quimiotaxe
Aínda que a migración de células foi detectada desde a primeira época do desenvolvemento do microscopio por Leeuwenhoek, algúns autores propoñen que a primeira "descrición erudita" da quimiotaxe fíxérona máis tarde "T. W. Engelmann (1881) e W. F. Pfeffer (1884) en bacterias e H. S. Jennings (1906) en ciliados".Chemotaxis Lecture. Uploaded in 2007. available at: http://www.rpgroup.caltech.edu/courses/aph161/2007/lectures/ChemotaxisLecture.pdf (Consultado o: 15/04/17) O laureado co premio Nobel I. Metchnikoff tamén contribuíu ao estudo deste tema no período de 1882 a 1886, con investigacións sobre o proceso como paso inicial para a fagocitose.Élie Metchnikoff". Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica, Inc. A importancia da quimiotaxe en bioloxía e patoloxía clínica era amplamente aceptada na década de 1930, e as definicións máis fundamentais sobre este campo foron perfiladas nesa época. Os aspectos máis importantes no control de calidade dos ensaios de quimiotaxe foron descritos por H. Harris na década de 1950.Keller-Segel Models for Chemotaxis. 2012. available at: http://www.isn.ucsd.edu/courses/Beng221/problems/2012/BENG221_Project%20-%20Roberts%20Chung%20Yu%20Li.pdf (Consultado en abril de 2017) Nas décadas de 1960 e 1970, a revolución da moderna bioloxía celular e bioquímica proporcionou unha serie de novas técnicas das que se podía dispoñer para investigar a resposta das células migratorias e fraccións subcelulares responsables da actividade quimiotáctica. A posibilidade de usar esta tecnoloxía levou ao descubrimento de C5a, un importante factor quimiotáctico que intervén na inflamación aguda. Os traballos pioneiros de J. Adler modernizaron os ensaios en capilares de Pfeffer e representaron un punto de inflexión significativo na comprensión de todo o proceso de transdución de sinais intracelular nas bacterias.
Características xerais da quimiotaxe bacteriana right|350 px|miniatura|Correlación do comportmento nadador coa rotación flaxelar.</div>
Algunhas bacterias, como Escherichia coli, teñen varios flaxelos (de 4 a 10 normalmente). Estes poden rotar de dous xeitos: Rotación en contra do sentido das agullas do reloxo, que aliña os flaxelos nun só feixe rotatorio, causando que a bacteria nade en liña recta. Rolación no sentido das agullas do reloxo, separa o feixe de flaxelos de maneira que cada flaxelo apunta en diferente direccción, causando que a bacteria xire ou dea voltas nun lugar. As direccións de rotación indícanse respecto a un observador exterior que vexa desde arriba os flaxelos en dirección á célula.
Comportamento O movemento global dunha bacteria é o resultado do xiro alternante e das fases natatorias, chamado movemento de correr e xirar (run and tumble). Como resultado, a traxectoria dunha bacteria que nade nun ambiente uniforme formará un camiño aleatorio con natacións relativamente rectas interrompidas por xiros ao chou que reorientan a bacteria. Bacterias como E. coli son incapaces de elixir a dirección na cal van nadar e non poden nadar en liña recta por máis duns poucos segundos debido á difusión rotacional; noutras palabras, as bacterias "esquecen" a dirección na cal estaban avanzando. Ao avaliaren repetidamente o seu curso e axustáreno se se están movendo na dirección incorrecta, as bacterias poden dirixir o seu movemento de camiño aleatorio cara a lugares favorables.
En presenza dun gradiente químico as bacterias dirixen o seu movemento global baseándose no gradiente. Se a bacteria percibe que se está movendo na dirección correcta (cara ao composto atractivo/lonxe do repelente), seguirá nadando en liña recta durante un longo tempo antes de xirar; porén, se se está movendo na dirección incorrecta, xirará antes. As bacterias como E. coli usan a percepción temporal para decidir se a súa situación está mellorando ou non, e desde xeito, atopan o lugar coa maior concentración do composto atractivo, detectando mesmo pequenas diferenzas de concentración.
Este camiño aleatorio nesgado é o resultado dunha simple elección entre dous métodos de movemento aleatorio; concretamente xirando e nadando recto. A natureza heicoidal do filamento flaxelar individual é esencial para que se produza este movemento. A proteína que forma o filamento flaxelar, a flaxelina, está conservada en todas as bacterias flaxeladas. Os vertebrados parece que se aproveitaron deste feito ao posuiren un receptor inmune (TLR5) deseñado para recoñecer esta proteína conservada.
Como en bioloxía case sempre hai excepcións, hai bacterias que non seguen esta regra. Moitas bacterias, como as Vibrio, son monoflaxeladas co seu único flaxelo situado nun polo da célula. O seu método de quimiotaxe é diferente. Outras posúen un só flaxelo pero que está dentro da parede celular; estas bacterias móvense producindo un xiro de toda a bacteria, que ten forma de sacarrollas.
Transdución de sinais right|350 px|miniatura|Estrutura do dominio do receptor de quimiotaxe para o Asp. Os gradientes químicos percíbense por medio de múltiples receptores transmembrana, chamados proteínas da quimiotaxe aceptoras de metilo (MCPs), que varían en canto ás moléculas que poden detectar. Coñécense miles de receptores MCP codificados por especies de todo o dominio das bacterias. Estes receptores poden unirse a compostos atractores ou repelentes directa ou indirectamente por interacción con proteínas do espazo periplásmico. Os sinais destes receptores son transmitidos a través da membrana plasmática ao citosol, onde se activan as proteínas Che. As proteínas Che alteran a frecuencia de xiros, e alteran os receptores.
Regulación de flaxelos
As proteínas CheW e CheA únense ao receptor. A ausencia de activación do receptor orixina a autofosforilación da histidina quinase CheA nun só residuo de histidina moi conservado. CheA, á súa vez, transfire grupos fosforilo a residuos de aspartto conservados nos reguladores da resposta CheB e CheY; CheA é unha histidina quinase e non transfire activamente o grupo fosforilo, senón que o regulador da resposta CheB toma o grupo fosforilo de CheA.Jahreis K, Morrison TB, Garzón A, Parkinson JS. Chemotactic signaling by an Escherichia coli CheA mutant that lacks the binding domain for phosphoacceptor partners. J Bacteriol. Maio de 2004 ;186(9):2664-72. doi: 10.1128/JB.186.9.2664-2672.2004. PMID: 15090507; PMCID: PMC387806. Este mecanismo de transdución de sinais denomínase sistema de dous compoñentes, e é unha forma común de transdución de sinais en bacterias. CheY induce xiros da bacteria ao interacionar coa proteína de cambio flaxelar FliM, inducindo un cambio da rotación flaxelar en contra do sentido das agulla do reloxo a unha rotación no sentido das agullas do reloxo. Os cambios no estado de rotación dun só flaxelo poden alterar o feixe de flaxelos completo e causar o xiro.Toker, A. S., & Macnab, R. M. (1997). Distinct regions of bacterial flagellar switch protein FliM interact with FliG, FliN and CheY. Journal of molecular biology, 273(3), 623–634. https://doi.org/10.1006/jmbi.1997.1335
Regulación do receptor right|450 px|miniatura|Vías de sinalización de E. coli.
CheB, cando é activada por CheA, actúa como unha metilesterase, retirando grupos metilo de residuos de glutamato no lado citosólico do receptor; funciona antagonistamente respecto CheR, unha metiltransferase, que engade residuos metilo aos mesmos residuos de glutamato. Se o nivel dun composto atractor permanece alto, o nivel de fosforilación de CheA (e, por exemplo, CheY e CheB) permanece baixo, a célula nada suavemente, e o nivel de metilación das MCPs increméntase (porque non está presente CheB-P para desmetilar). As MCPs xa non responden ao composto atractor cando están completamente metiladas; por tanto, aínda que o nivel do composto atrente poida permanecer alto, o nivel de CheA-P (e CheB-P) increméntase e a célula empeza a xirar. As MCPs poden ser desmetiladas por CheB-P, e, cando isto ocorre, os receptores poden unha vez máis responder aos compostos atractores. A situación é a oposta respecto aos repelentes. Esta regulación permite que a bacteria "lembre" concentracións químicas do pasado recente, pero se só uns poucos segundos, e as compare coas concentracións que está percibindo nese momento, e así "coñece" se está viaxando a favor ou en contra de gradiente. Ademais, están implicados outros mecanismos no incremento do valor absoluto da sensibilidade sobre un determinado fondo. Exemplos ben establecidos son as respostas ultrasensibles do motor ao sinal CheY-P, e o agrupamento de quimiorreceptores.
Quimioatractores e quimiorrepelentes
Os quimioatractores e quimiorrepelentes son substancias orgánicas ou inorgánicas que posúen un efecto indutor da quimiotaxe en células móbiles. Estes ligandos quimiotácticos crean gradientes de concentración a través dos cales se moven os organismos procariotas ou eucariotas, achegándose ou afastándose da zona de maior concentración, respectivamente. right|250x250px Os efectos dos quimioatractores desencadéanse por medio de quimiorreceptores como as proteínas da quimiotaxe aceptoras de metilo (MCP). As MCPs de E. coli inclúen Tar, Tsr, Trg e Tap. Os quimioatractores para Trg son a ribosa e galactosa, mentres que o fenol é un quimiorrepelente. Tap e Tsr recoñecen os dipéptidos e a serina como quimioatractores, respectivamente.