Kemotaxis

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2018. november 18-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

A kemotaxis  a mikroorganizmusok motoros reakciója kémiai ingerekre.

Baktériumok kemotaxisa

A baktériumok képesek az attraktánsok (gyakran tápanyagok) felé és távolodni a riasztószerektől (például a toxinoktól ). Szinte minden cukor és aminosav attraktánsként működik, a zsírsavak , alkoholok és más potenciálisan káros anyagok pedig riasztószerként működnek . A baktériumok érzékenysége lenyűgöző - könnyen észlelik a koncentráció 0,1%-os változását az anyagok mikromoláris koncentrációinál, és a kimutatható koncentrációk tartománya öt nagyságrendet fed le.

Az attraktánsok és riasztószerek kimutatása specifikus kemoreceptorokkal való közvetlen kölcsönhatáson keresztül történik, nem pedig a kimutatható anyag intracelluláris hatásai révén.

A membránreceptorok klaszterekbe csoportosulnak, amelyek általában a sejt pólusain helyezkednek el, de ez nem tudja segíteni a baktériumot a pólusok közötti koncentrációkülönbség kimutatásában, mivel az túl kicsi lesz magának a sejtnek a kis mérete miatt.

Ehelyett a baktériumok úgy navigálnak a kémiai gradiensek között, hogy mérik az időbeli koncentrációváltozásokat mozgásuk során. Általában az Escherichia coli sebessége másodpercenként 10-20 hosszának felel meg.

Ha összehasonlítjuk a kemoreceptorok és a specifikus ligandumok jelenlegi terhelését a néhány másodperccel ezelőttivel, a sejt valójában „meg tudja mérni” egy bizonyos anyag koncentrációjának különbségét olyan távolságból, amely sokszorosa a sejt hosszának.

A ligandumkoncentráció ilyen időbeli mérése a kemoreceptorok adaptív metilációja miatt lehetséges, ami a ligandumokkal való terhelésüktől függ.

A ligandumkötés és a receptormetiláció közötti késleltetés egyfajta molekuláris „memória”, amely lehetővé teszi a ligandumkoncentráció változásának mérését.

Ha a választott mozgásirány megfelel az attraktáns koncentrációjának növekedésének (a riasztószer koncentrációjának csökkenése), akkor a következő bukdácsolásig eltelt idő megnő. Sajnos kis mérete miatt a sejtet folyamatosan félrevezeti a Brown-mozgás , ezért egyszerűen nem tud hosszú ideig egyenesen mozogni. Egy ilyen mechanizmus csak általában biztosítja a baktérium megfelelő irányú mozgását a koncentráció gradiens mentén, de a baktérium számára meglehetősen hatékony.

Nem az egyetlen mechanizmus, amely a flagellák forgásirányának váltásán alapul , ami egyenes vonalú mozgást eredményez, amelyet változó időközönként szaltókkal váltanak fel a helyükön.

A Rhodobacter sphaeroidesben egyetlen flagellum forgását felváltja annak teljes leállása, a Rhizohium meliloliban pedig a flagellum forgása soha nem áll le - csak a sebessége változik. De ezekben az esetekben a kemotaxis szenzoros rendszer működésének eredménye ugyanaz: ha a baktérium a „szükséges” irányba mozog, az ilyen mozgás időtartama megnő.

A kemotaxis szenzoros mechanizmusa összetettebb, mint korábban tárgyaltuk. Ennek elsősorban két oka van.

Először is, mivel a Brown-mozgás nagyon gyorsan képes megváltoztatni a baktériumsejt orientációját, a baktériumoknak nagyon gyorsan kell feldolgozniuk a kemotaktikus jeleket, és valójában legfeljebb 0,2 másodperc telik el az ingertől a baktériumsejt „motorjainak” átkapcsolásáig.

Másodszor, a térbeli gradiensek helyes összehasonlításához a sejteknek szükségük van egy olyan szenzoros mechanizmusra, amely statikus körülmények között, azaz koncentrációgradiens hiányában „kioltja” a szenzoros stimulációt, bármennyire is valamilyen attraktáns ill. riasztószer van jelen a környezetben.

A bakteriális kemotaxis fehérjekészüléke

A fehérjék három osztálya vesz részt a kemotaxisban: transzmembrán receptorok, citoplazmatikus jelátviteli fehérjék és adaptív metilációs enzimek .

Kemotaxis receptorok

Sok baktérium észleli a kemotaktikus ingereket a metil-elfogadó kemotaxis fehérjék (MCP) néven ismert receptorok segítségével . 

Ezek a fehérjék membránszenzorok, amelyek szerkezetükben alapvetően hasonlóak a HnvZ-hez, azzal az egyetlen különbséggel, hogy a citoplazmatikus jelátviteli domén nem autokináz.

Az autokináz funkciót egy másik fehérje, a CheA végzi, az MCP jelátviteli domének pedig kölcsönhatást biztosítanak a CheA-val.

Egy másik különbség a tipikus szenzorokhoz képest, hogy a jelátviteli domén mindkét oldalán metilációs helyek találhatók, amelyek a receptor adaptációjához szükségesek.

Az MCP fehérjék körülbelül 550 aminosavból állnak, és dimerek.

Az E. coliból származó 4 MCP fehérje jól tanulmányozott , reagál a szerinre (Tsr), aszpartátra és maltózra (Tar), ribózra , glükózra és galaktózra (Trg), valamint dipeptidekre (Tap).

A Salmonellának nincs Tap, de van Tep citrát érzékelője.

A szerin, az aszpartát és a citrát közvetlenül a receptorokhoz kötődik, míg a cukrok és a dipeptidek először a megfelelő periplazmatikus fehérjékhez kötődnek , és ezek a komplexek már kölcsönhatásba lépnek a receptorokkal.

Ezenkívül az MCP-k reagálnak a hőmérséklet és a pH változásaira , és különböző riasztószerek receptorai is.

A klasszikus kemotaxis receptor a következőkből áll

  • amino-terminális transzmembrán hélix,
  • periplazmatikus szenzoros megfelelő domén, amely négy α-helikális régióból áll,
  • második transzmembrán hélix,
  • nagy citoplazmatikus jelátviteli és adaptációs domén.

A szenzorok citoplazmatikus doménjei 4 vagy 5 glutamát -maradékot tartalmaznak , amelyek metilálhatók.

Egy extracelluláris inger transzlációja intracelluláris jellé

Két modellt javasoltak a kemoreceptor molekula általi transzmembrán jelátvitel mechanizmusának magyarázatára. A rendelkezésre álló kísérleti adatok nem teszik lehetővé, hogy egyiket sem teljesen kizárjuk, azonban a legtöbb kutató a második modell (a dugattyús modell) mellett hajlik.

Az első modell (az ollós modell) szerint a ligandum érintkezése a kemoreceptor membránhoz kötött hélixeinek disztális végeivel jelentős mozgást válthat ki a transzmembrán szegmensekben. A ligandumhoz nem kötött állapotban a receptor alegységek feltehetően csak az első transzmembrán szegmens régiójában lépnek kölcsönhatásba egymással.

A ligandumhoz való kötődés hatására a szenzoros és periplazmatikus alegységek közelednek egymáshoz, ami a szignál alegységek felé továbbítódik, és biztosítja azok egymás közötti kölcsönhatását, és ebben a formában már nem tudnak kölcsönhatásba lépni a CheA-val és stimulálni annak autokináz aktivitását. A metiláció sztérikus akadályokat hoz létre a jelátviteli domének egymással való kölcsönhatásában, ami ismét lehetővé teszi számukra a CheA autokináz aktivitásának stimulálását.

Mostanra egyre több bizonyíték gyűlik fel egy másik mechanizmus (a dugattyús modell) mellett, amely a transzmembrán szegmensek (TMS) egymáshoz viszonyított elcsúsztatásán alapul. Ennek a modellnek megfelelően az amino-terminális TMS mereven rögzítve van a membránban, míg a második mobilabb, és a ligandum megkötésekor „lefelé”, azaz a citoplazma felé csúszik, ami konformációs változást okoz. a citoplazmatikus jelátviteli doménben, ami inaktiválja azt. Ennek a témának egy változata a linker domén két amfipatikus hélixének részvétele a konformációs változásban.

A citoplazmatikus jelátviteli fehérjék és a kemotaxis szabályozó mechanizmusa

A receptorok és a flagellum kapcsoló közötti kölcsönhatást négy fehérje végzi:

  • CheA - hisztidin-kináz
  • CheY - PO, aszpartát-kináz
  • CheW - "adapter" a receptor és a CheA között
  • A CheZ egy fehérje, amely elősegíti a CheY-P defoszforilációját .

A CheA-CheY fehérjepár egy kétkomponensű szabályozó rendszer. A leglényegesebb különbség a klasszikus rendszerekhez képest az, hogy a CheY nem transzkripciós faktor, és ennek megfelelően hiányzik belőle DNS-kötő domén. A hisztidin-kináz CheA dimerként működik, amelyhez két CheW monomer kötődik, és ez a komplex már a dimer receptorhoz kapcsolódik. Egy ilyen komplex részeként a CheA autokináz aktivitása élesen megnő, ami fokozza a foszfát átvitelét a CheA~P-ből a CheY-be. A CheY~P a bazális test motorkapcsoló komplexumának FliM-éhez kötődik, ami a flagellum óramutató járásával megegyező forgását okozza. A CheZ megakadályozza a CheY~P felhalmozódását azáltal, hogy serkenti a CheY autofoszfatáz aktivitását.

Attraktáns hiányában a CheY-P koncentrációja olyan szinten marad, amely elősegíti a flagellum túlnyomórészt az óramutató járásával megegyező irányú forgását, és ennek következtében a baktériumok rendezett mozgásának hiányát. Az attraktáns kötődése a receptorhoz konformációs változást indukál, amely a membránon keresztül továbbítódik, és gátolja a CheA autokináz aktivitását. A CheY~P koncentrációja csökken, és a baktériumok flagellái hosszabb ideig forognak az óramutató járásával ellentétes irányba. Ezért a sejtek egyenes vonalban tovább mozognak, ha magasabb attraktáns koncentrációjú környezetbe kerülnek. Ez a mechanizmus azonban nem magyarázza meg, hogyan reagálhat egy sejt az attraktáns egyre növekvő koncentrációjára. Az érzékszervi adaptáció ezt a célt szolgálja.

Kemotaxis metilázok és szenzoros adaptáció

A szenzoros apparátus adaptációja a receptorok reverzibilis metilációjával történik, amely két fehérjét, a CheR metiltranszferázt és a CheB metilészterázt érinti . A receptor metilációja az attraktáns kötéssel ellentétes hatást fejt ki. Érdekes módon a metilációt az attraktáns receptorhoz való kötődése serkenti, és végül semlegesíti az attraktáns kötődés hatását. Az attraktáns kötődés és a receptor metiláció között azonban eltelik egy kis idő, amely során a baktériumok egyenes vonalban mozognak, ami a kemotaxis apparátus molekuláris memóriájának alapját képezi.

A CheR metiltranszferáz állandó sebességgel metilálja az MCP-k citoplazmatikus doménjében lévő glutamát-maradékokat, átadva egy metilcsoportot az S-adenozil-metioninból . Nem a receptorok metilációját szabályozza a kemotaxis szenzoros apparátusa, hanem a fordított folyamatot, amely a CheB fehérjétől függ. A CheB a CheA~P-ből történő foszfáttranszfer célpontja, és foszforilált állapotban a CheB egy metilészteráz, amely demetilálja az MCP-t.

Stimulus hiányában a CheR általi MCP-metilációt a metilcsoportok foszforilált CheB-vel történő eltávolítása kompenzálja, ami az MCP-metilációt 0,5-1 metilcsoporton tartja receptor alegységenként.

Amikor az attraktáns a receptorhoz kötődik és gátolja a CheA aktivitást, a CheB~P koncentráció csökken, bár lassabban, mint a CheY~P koncentráció, mivel a CheB~P nem a CheZ szubsztrátja. A metiláció mértékének növekedése visszaállítja a receptor azon képességét, hogy stimulálja a CheA-t. Azonban még a CheY~P és CheB~P alapszintek helyreállítása után is az attraktánshoz kötött receptor metilált marad, mivel a metilált receptor gyengébb szubsztrátja a CheB~P metilészteráznak.

Így a metilációt figyelembe véve a kemotaxis molekulagépezet működési elve a következő.

  • Attraktáns hiányában a kemoreceptor aktivált állapotban van, és jelátviteli doménje serkenti a CheA kináz aktivitását, ami CheY foszforilációjához vezet, míg a foszfo-CheY a motorkapcsolóval kölcsönhatásba lépve a flagellum óramutató járásával megegyező forgását okozza, ami a baktérium a helyén „zuhan”.
  • Az attraktáns kötődése inaktiválja a receptort, és jelátviteli doménje már nem tudja stimulálni a CheA kináz aktivitást, a foszfo-CheY koncentrációja gyorsan csökken (amit a CheZ fehérje stimulál), megváltozik a flagellum forgási iránya, és a baktérium egyenes vonalban mozog.
  • Az egyenes vonalú mozgás azonban két okból leállhat. Ha a baktérium kedvezőtlen irányba kezd el mozogni, a receptor felszabadul, megindul a CheY foszforilációja, és a baktérium ismét „zuhan” a helyére. Ezenkívül, amikor a CheA kináz ki van kapcsolva, a CheB~P a CheY~P defoszforilációjával egyidejűleg defoszforilálódik, bár lassabb ütemben (mivel a CheB-P nem a CheZ szubsztrátja), ami a a receptor metilációjának mértéke és jelátvitelének helyreállítása.aktivitása.

Mivel a CheY és a CheB is szabad citoplazmatikus fehérjék, foszforilációjuk mértéke a receptor metilációjának mértékétől és ligandumokkal való feltöltődésétől függ. Ez lehetővé teszi a baktériumok mozgékonyságának zökkenőmentes szabályozását az attraktánsok és riasztószerek széles koncentrációiban a „mindent vagy semmit” válasz helyett. A receptor metiláció biztosítja a legegyszerűbb molekuláris memóriát, amely lehetővé teszi a baktériumok számára a „helyes” mozgásirány szabályozását. A metilációs szint magas lesz, ha az attraktáns koncentrációja magas volt egy ideje. Ahogy a sejt mozog, "összehasonlítja" az attraktáns jelenlegi koncentrációját (amelyet a receptorok foglaltsági foka határoz meg) a közelmúlt koncentrációjával (amelyet a receptorok metilációjának mértéke rögzít). Ha a környezeti feltételek jelentősen javulnak vagy romlanak, a CheA hisztidin-kináz aktivitása ennek megfelelően csökken vagy nő, és ennek megfelelően változik a baktérium egyenes vonalú mozgásának időtartama.

Irodalom

  • Ermilova E. V., Zalutskaya Zh. M., Lapina T. V. Mikroorganizmusok motilitása és viselkedése. T. I. Prokarióták. - Szentpétervár: Szentpétervári Kiadó. un-ta, 2004. - 192 p. ISBN 5-288-03536-9
  • Manson MD, Armiiage JP, Hoch JA, Macnab RM Bakteriális mozgás és jelátvitel // Journal of Bacteriology. 1998.180:1009-1022
  • Eisenbach M. Bakteriális kemotaxis // Élettudományi Enciklopédia. 2001. Nature Publishing Group (www.els.nei)
  • Berry RM Bakteriális Flagella: Flagellar Motor Encyclopedia of Life Sciences. 2001. Nature Publishing Group (www.els.net)
  • Armiiage JP bakteriális taxik // Élettudományi Enciklopédia. 2001. Nature Publishing Group (www.els.nei)
  • Falke JJ, Bass R. B. Butler SL Chervitz SA és Danielson MA A bakteriális kemotaxis kétkomponensű jelátviteli útvonala: a receptorok, kinázok és adaptációs enzimek általi jelátvitel molekuláris képe // Annu. Fordulat. celldev. Biol. 13:457-512 (1997).
  • Williams SB és Stewart V. A kétkomponensű szenzorok és a metil-elfogadó kemotaxis fehérjék közötti funkcionális hasonlóságok arra utalnak, hogy a linker régió amphipaihic hélixei szerepet játszanak a transzmembrán jelátvitelben // Molecular Microbiology. 1999.33:1093-1102
  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban