The chemotaxis , unul dintre tipurile de taximetrelor este fenomenul prin care celula organism, sperma , tubul polen unui bob de polen sau bacterii sau alte organisme cap uni sau multicelular sau direcționeze mișcările lor în funcție de anumite specii prezente chimice în mediu.
Poate fi atât atracție, cât și evitare. Găsirea alimentelor (de exemplu, glucoza ) prin deplasarea către cea mai mare concentrație este foarte importantă pentru bacterii , precum și evitarea agenților nocivi (cum ar fi fenolul ).
La ființele vii multicelulare, chimiotaxia joacă un rol important în dezvoltarea și funcționarea fiziologică a organismului. Mecanismele pentru chimiotaxie la animale pot fi suprimate în timpul formării metastazelor cancerului .
Deși migrația celulară a fost descoperită la începutul dezvoltării microscopului ( Leeuwenhoek ), prima descriere științifică a fost făcută de TW Engelmann (în 1881) și de W. F. Pfeffer (în 1884) în bacterii și de H. S. Jennings (în 1906) în organismele ciliate. . E. Mechnikov , câștigătorul Premiului Nobel , a contribuit, de asemenea, la cercetarea în acest domeniu, studiind acest proces ca un prim pas în fagocitoză .
Importanța biologică (și uneori patologică) a chimiotaxiei a fost larg acceptată în anii 1930. Definiția cea mai fundamentală a fenomenului a fost formulată și în acest moment. Aspectele esențiale ale controlului calității unui test chimiotactic au fost descrise de H. Harris în anii 1950.
Următoarele două decenii, progresele în biologia celulară și biochimie au permis dezvoltarea unei game largi de noi tehnici pentru studiul celulelor care oferă răspuns migrator și fracțiuni subcelulare responsabile de chimiotaxie. Lucrarea de pionierat a lui J. Adler a reprezentat un punct de cotitură în înțelegerea întregului proces de transmitere a semnalului intracelular în bacterii.
3 noiembrie 2006, Dr. Dennis Bray (Universitatea din Cambridge ) a fost onorat cu Microsoft European Science Award pentru cercetările sale asupra chimiotaxiei E. coli .
Chimiotaxia este unul dintre cele mai elementare răspunsuri fiziologice. Dezvoltarea sistemelor de receptori care permit detectarea substanțelor dăunătoare sau favorabile în mediu a fost esențială pentru organismele unicelulare încă din primele etape ale filogeniei .
Analiza cuprinzătoare a chimiotaxiei Tetrahymena pyriformis - un eucariot protozoar - și a secvențelor consensuale ale aminoacizilor prezenți în supa primitivă sugerează existența unei corelații puternice între caracterul chimiotactic al acestor compuși relativ simpli și apariția lor pe Pământ. . . Astfel, se presupune că primele molecule au fost chimioatractori puternici (de exemplu , Gly , Glu , Pro ), în timp ce aminoacizii care apar mai târziu ar putea fi chimio-pelanți puternici (de exemplu , Tyr , Trp , Phe ).
Unele bacterii, inclusiv Escherichia coli , au câteva flageli (de obicei 4-10 per celulă). Acestea se pot întoarce în două direcții:
Direcția de rotație este întotdeauna observată în afara celulei, uitându-se la flagelele din fața celulei.
Mișcarea rezultată a bacteriilor se datorează, prin urmare, alternanței celor două faze („ run ” și „ tumble ”). Dacă observăm mișcarea unei bacterii într-un mediu omogen, găsim o traiectorie aleatorie datorită fazelor de înot rectilinie relativ scurte, întrerupte de faze aleatorii de „ cădere ” care reorientează bacteriile. Bacteriile, cum ar fi Escherichia coli, nu pot alege direcția în care înoată și nu pot înota în linie dreaptă pentru o lungă perioadă de timp datorită difuziei rotaționale. Cu alte cuvinte, bacteriile „uită” direcția în care merg. Având în vedere aceste constrângeri, este remarcabil faptul că bacteriile sunt capabile să-și direcționeze mișcarea pentru a găsi locuri favorabile de concentrație ridicată de atractanți (în general în alimente), precum și pentru a evita substanțele respingătoare (în general agenții toxici).
La prezența unui gradient chimic, bacteriile vor răspunde cu chemotaxie, prin urmare, își vor direcționa mișcarea în funcție de gradientul chimic. Dacă bacteria simte că se mișcă în direcția corectă (adică se îndreaptă spre atractiv sau se îndepărtează de agentul de respingere) continuă să înoate drept mai mult timp înainte de faza de „ cădere ”. În caz contrar, ea va înceta să înoate mai devreme și va încerca o nouă direcție aleasă la întâmplare. Cu alte cuvinte, bacteriile precum E. coli folosesc percepția timpului pentru a decide dacă viața începe să devină mai bună sau mai rea. În acest fel, găsesc locuri în care concentrația de atractanți este cea mai mare (de obicei sursa) destul de bine. În plus, chiar și la concentrații foarte mari, sunt capabili să distingă diferențe foarte mici de concentrație. Detectarea Recaller funcționează cu aceeași eficiență.
Pare remarcabil faptul că această plimbare aleatorie este rezultatul unei alegeri simple între două forme de mișcare aleatorie , în special între înot și „ cădere ”. Într-adevăr, răspunsurile chimiotactice, cum ar fi uitarea direcției și alegerea tipului de mișcare, seamănă cu capacitatea de a lua decizii ale ființelor vii mai evoluate, care posedă creiere cu care sunt capabili să proceseze informații senzoriale .
Structura elicoidală a filamentului flagelar unic este crucială pentru efectuarea acestor mișcări. Mai mult, proteina care constituie filamentul flagelar, flagelina , este destul de similară la toate bacteriile care au flageli. Cele mai vertebrate par a face un profit din acest fapt: ei au un receptor imunitar ( TLR5 ) conceput pentru a recunoaște această proteină conservată.
Așa cum se întâmplă adesea în biologie , unele bacterii nu respectă regula. Multe bacterii, cum ar fi Vibrio, au un singur flagel polar (moniatric monocrom). Metoda lor de chimiotaxie este diferită. Alții au un flagel care se află în întregime în perete. Când aceste bacterii se mișcă, întreaga celulă, care are forma unui tirbușon, este rotită.
Chimic Gradientul este perceput cu ajutorul mai multor receptori transmembranari , numite „accepta metil chemotaxie proteine (MCP - uri)“ , care variază în raport cu molecula detectată. Acești receptori leagă atractanți sau repellants, fie direct, fie indirect, prin interacțiuni cu proteine din periplasmă . Aceste semnale sunt apoi transmise către receptori - prin membrana plasmatică - către citosol unde proteinele Che devin activate. Proteinele Che modifică frecvența căderii și a receptorilor.
Regulamentul flagelelorProteinele CheA și CheW se leagă de receptor . Activarea receptorului de către un stimul extern rezultat auto fosforilare a histidinei kinazei Chea un singur rest de histidină înalt conservată. Apoi, CheA transferă o grupare fosforil la resturile de aspartat conservate ale regulatorilor de răspuns, CheB și CheY. [Notă: CheA este o histidin kinază și nu transmite activ grupul fosforil. Este preluat de la CheA de către regulatorul de răspuns CheB.] Acest mecanism de semnalizare se numește „sistem cu două componente”, care este o formă foarte comună de semnalizare la bacterii. CheY, prin interacțiunea cu proteina de comutare flagelară, proteina FliM, induce schimbarea direcției de rotație a flagelilor de la sensul invers acelor de ceasornic la sensul acelor de ceasornic și, astfel, induce căderea . Schimbarea stării de rotație a unui singur flagel poate perturba întregul pachet și poate provoca căderea .
Regulamentul receptoruluiCând este activat de CheA, CheB acționează ca o metil esterază și îndepărtează grupările metil din reziduurile de glutamat din partea citoplasmatică a receptorului. Are un efect antagonist în ceea ce privește metil transferaza CheR, care metilează aceleași resturi de glutamat. Cu cât se adaugă mai multe grupări metil la receptor, cu atât acesta este mai sensibil. Deoarece semnalul de la receptor determină demetilarea receptorului printr-un mecanism de buclă de feedback , sistemul este întotdeauna adaptat pentru substanțele chimice din mediu. Astfel, rămâne sensibil la mici modificări, chiar și pentru concentrații extreme. Această reglementare permite bacteriei să „amintească” de concentrațiile recente și să le compare cu concentrațiile actuale, știind astfel dacă se mișcă în direcția gradientului sau, dimpotrivă, în direcția opusă gradientului. Cu toate acestea, sistemul de metilare singur nu explică spectrul larg de sensibilitate a bacteriilor la diferiți gradienți chimici. Mecanisme de reglare suplimentare, cum ar fi gruparea receptorilor și interacțiunile de tip receptor-receptor, modulează, de asemenea, calea de semnalizare.
Deși mecanismul chemotaxiei în eucariote este destul de diferit de cel al bacteriilor, percepția gradientului chimic rămâne un pas crucial în acest proces. Datorită dimensiunii lor, procariotele nu sunt capabile să detecteze gradienți de concentrație eficienți, astfel încât aceste celule „scanează” și își evaluează împrejurimile înotând continuu. (Înotul este seria de înoturi verticale consecutive și pași de cădere .) Dimensiunea celulelor eucariote, pe de altă parte, permite detectarea gradientului. Acest lucru rezultă dintr-o distribuție dinamică și polarizată a receptorilor. Inducerea acestora din urmă de către chimiotratanți sau de către chimiopelenți determină migrarea către substanța activității chimiotactice sau dimpotrivă în direcția opusă.
Nivelurile receptorilor, căile de semnalizare și mecanismele efectoare reprezintă toate diferite componente asemănătoare eucariotei. La eucariotele unicelulare, efectorii principali sunt pseudopodii, cili sau flageli asemănători eucariotilor (de exemplu, Amoeba sau Tetrahymena ). Unele celule eucariote mai complexe de origine mamiferă , precum cele ale sistemului imunitar , sunt, de asemenea, capabile să se deplaseze în locația necesară. În afară de celulele imunocompetente ( granulocite , monocite , limfocite ), un grup mare de celule considerate anterior atașate la țesuturi sunt mobile și în anumite condiții fiziologice ( mastocite , fibroblaste , celule endoteliale ) sau patologice (de exemplu, metastaze). Chimiotaxia joacă un rol important la începutul embriogenezei, deoarece formarea straturilor germinale este ghidată de gradienții moleculelor semnal.
Spre deosebire de motilitatea din timpul chimiotaxiei bacteriene, mecanismul pentru mișcarea fizică a celulelor eucariote este încă slab înțeles. Există probabil un mecanism prin care un gradient chimiotactic extracelular este perceput și transformat într-un gradient intracelular de fosfatidilinozitol 1,4,5 tris fosfat (PIP3). Acest lucru are ca rezultat un gradient de activare a căii de semnalizare care duce la polimerizarea filamentelor de actină. Alungirea capătului (+) filamentelor de actină asigură o conexiune cu suprafața interioară a membranei citoplasmatice prin diferite seturi de peptide . Astfel, are ca rezultat formarea pseudopodiei . Cililor celulelor eucariote sunt de asemenea capabili de a induce chemotaxia, dar în acest caz este mai mult un Ca2 + inducție dependentă de microtubulaturii sistemul corpului bazale și 9 x 2 + 2 microtubuli (axoneme) ale genelor . Bătaia orchestrată a mii de cili este sincronizată de un sistem submembranar format între corpurile bazale. Detaliile căii de semnalizare nu sunt încă complet clarificate.
Răspunsuri migratorii legate de chimiotaxieDeși chimiotaxia este cea mai frecventă formă de migrație studiată, există câteva alte tipuri de locomoție la nivel celular.
În majoritatea cazurilor, celulele eucariote percep prezența stimulilor chimiotactici prin intermediul receptorilor a 7 domenii transmembranare (receptori serpentină), cuplați la proteinele G care sunt heterotrimeri. Acești receptori sunt grupați într-o familie foarte numeroasă, reprezentând o proporție semnificativă a genomului. Unii membri ai acestei superfamilii de gene sunt implicați în timpul vederii (rodopsine) sau în timpul olfacției . Clasele majore de receptori ocupaționali responsabili de chemotaxie sunt stimulați de peptide formilice (receptori peptidici formilici (FPR)), de chemokine (receptori chemokine (CCR sau CXCR)) și de leucotriene (receptori leucotriene (BLT)). Cu toate acestea, inducerea unei game largi de receptori de membrană (de exemplu, cei pentru aminoacizi, insulină , peptide vasoactive) declanșează, de asemenea, migrarea celulară.
Selecția chimiotacticăUnii receptori chimiotactici sunt exprimați pe suprafața membranei și au caracteristici pe termen lung, deoarece sunt determinați genetic. Cu toate acestea, există altele cu dinamică pe termen scurt, asamblate într-un mod ad hoc în prezența ligandului. Diferența dintre caracteristicile receptorilor chemotactici și cei ai liganzilor permite selectarea celulelor care au un răspuns chemotactic printr-un test chimotactic simplu („ test chimotaxic ”). Prin selecția chimiotactică este posibil să se determine dacă o moleculă încă necaracterizată acționează pe căile receptorilor pe termen lung sau pe termen scurt. Expresia „selecție chimiotactică” poate indica, de asemenea, o tehnică care face posibilă separarea celulelor eucariote sau procariote în funcție de capacitatea lor de a răspunde la ligandul de selecție prin chemotaxie.
Numărul de molecule capabile să declanșeze un răspuns chemotactic este relativ mare. În plus, putem distinge între moleculele chemotactice primare și secundare. Grupurile majore de liganzi primari sunt:
Studiul structurii 3D a chemokinelor a arătat că o compoziție caracteristică a unităților din foaia β și a unui helix α asigură expresia secvenței necesare pentru interacțiunea cu receptorul chemokinei. Formarea unui dimer, precum și activitatea biologică crescută au fost demonstrate prin cristalografia unui număr de chemokine (de exemplu, IL-8)
Răspunsurile chimiotactice provocate de interacțiunile dintre liganzi și receptori se disting în general pe baza concentrației eficiente optime a ligandului. Cu toate acestea, corelația dintre amplitudinea răspunsului și proporția celulelor care răspund este, de asemenea, o proprietate caracteristică a semnalizării chimiotactice. Studiile diferitelor familii de liganzi (de exemplu, aminoacizi, oligopeptide) au arătat existența unei corespondențe („potrivirea intervalelor”) între domeniile (amplitudini, numărul de celule care răspund) și chimiotaxie. Puterea chemoatractorului este însoțită de game largi, în timp ce caracterul chemo-chemant de game înguste.
Posibila modificare a potențialului migrator al celulelor are o importanță relativ mare în dezvoltarea anumitor simptome clinice și sindroame. Chimiotaxia modificată a agenților patogeni extracelulari (de exemplu, Escherichia coli) și intracelulari (de exemplu, Listeria monocytogenes) reprezintă în sine o țintă clinică semnificativă. Modificarea capacității chimiotactice intrinseci a acestor microorganisme de către agenții farmaceutici poate scădea sau chiar inhiba rata infecțiilor sau răspândirea bolilor contagioase. În plus față de infecții , există și alte boli a căror origine (există și alte boli în care chimiotaxia afectată este factorul etiologic primar ) este o chimiotaxie restricționată (deteriorată), cum ar fi sindromul Chediak-Higashi, în care veziculele Celulele intracelulare gigantice inhibă migrația normală a celulelor. .
Tipul bolii | Chtx. crescut | Chtx. defect |
---|---|---|
Infecții | inflamații | SIDA , bruceloză |
Chtx. provoacă boli | - | Sindromul Chediak-Higashi , diskinezie ciliară primară |
Chtx. este afectat | ateroscleroză , artrită , parodontită , psoriazis , leziuni de reperfuzie , metastaze | Scleroză multiplă , boala Hodgkin , infertilitate (masculin) |
Otrăvire | azbest , benzopiren | Săruri de Hg și Cr , ozon (O 3 ) |
Căutarea migrației celulare, așa cum am citit în capitolul istoriei sale, necesită aplicarea simultană a tehnicilor clasice și moderne care se completează reciproc. În același timp, acest lucru face posibilă furnizarea de date îmbogățitoare atât în ceea ce privește cercetarea fundamentală, cât și cercetarea aplicată. Datorită acestui fapt, în ultimii 20-25 de ani, numărul publicațiilor interesate de chimiotaxie ca fenomen a crescut. În plus, capitolele care furnizează informații despre migrarea celulelor sau despre chimiotaxie constituie o parte valoroasă a multor publicații aparținând domeniului geneticii , biochimiei , fiziologiei celulare, patologiei și domeniului clinic . Activitatea de publicare privind cercetarea migrației are caracteristica că numărul lucrărilor care studiază chimiotaxia izvorăsc printre cei care studiază diferitele forme de mișcare a celulelor ( termotaxie , geotaxie , fototaxie etc.). Acest fapt arată importanța biologică și medicală excepțională a acestui tip de migrație.
O mare varietate de tehnici sunt disponibile pentru a evalua activitatea chimiotactică a celulelor, precum și caracterul chemoattractant sau chemo-chemant al liganzilor. Cerințele de bază pentru măsurători sunt următoarele:
În ciuda faptului că testul chemotactic ideal nu este încă disponibil, există încă câteva protocoale și echipamente care oferă o potrivire acceptabilă cu condițiile enumerate mai sus. Cele mai utilizate sunt:
p. ex. Camera PP
p. ex. Camera Boyden, camera Zigmond, camera Dunn, camera "Multi-well" Tehnici de par
p. ex. Tehnica labirintului T - tehnica opalescenței - testul de orientare (Puteți găsi un capitol mai detaliat în „Testul de chimiotaxie”) Pentru a se putea mișca, celulele au nevoie de mai multe componente celulare (cum ar fi motoare. Celule, diferite enzime etc.). În plus, trebuie să fie capabili să-și schimbe forma. În linii mari, mișcarea celulară are două tipuri ... Hapoptatic (ceea ce înseamnă mișcare ca răspuns la stimuli fizici sau mecanici). Chimiotactic (care este mișcarea ca răspuns la un gradient chimic).