Kemotaxi

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 18 november 2018; verifiering kräver 1 redigering .

Kemotaxi  är det motoriska svaret från mikroorganismer på en kemisk stimulans.

Kemotaxi av bakterier

Bakterier kan röra sig mot lockmedel (ofta näringsämnen) och bort från repellenter (som gifter ). Nästan alla sockerarter och aminosyror fungerar som attraherande medel, fettsyror , alkoholer och andra potentiellt skadliga ämnen fungerar som repellerande medel . Känsligheten hos bakterier är imponerande - de upptäcker lätt en förändring i koncentrationen med 0,1 % vid mikromolära koncentrationer av ämnen, och intervallet för detekterbara koncentrationer täcker fem storleksordningar.

Attraherande och repellenter detekteras genom direkt interaktion med specifika kemoreceptorer, och inte genom några intracellulära effekter av den detekterbara substansen.

Membranreceptorer är grupperade i kluster, vanligtvis placerade vid cellens poler, men det kan inte hjälpa bakterien att upptäcka skillnaden i koncentration mellan polerna, eftersom den blir för liten på grund av själva cellens lilla storlek.

Istället navigerar bakterier i kemiska gradienter genom att mäta tidsmässiga koncentrationsförändringar när de rör sig. Vanligtvis är hastigheten för Escherichia coli 10-20 av dess längder per sekund.

Genom att jämföra den nuvarande belastningen av kemoreceptorer med specifika ligander med den för några sekunder sedan, kan cellen faktiskt "mäta" skillnaden i koncentrationer av ett visst ämne på ett avstånd som är många gånger större än längden på själva cellen.

En sådan mätning av ligandkoncentrationen över tid är möjlig på grund av den adaptiva metyleringen av kemoreceptorer, som beror på deras belastning med ligander.

Tidsfördröjningen mellan ligandbindning och receptormetylering är ett slags molekylärt "minne" som gör att man kan mäta förändringar i ligandkoncentrationer.

Om den valda rörelseriktningen motsvarar en ökning av koncentrationen av lockmedlet (en minskning av koncentrationen av avstötningsmedlet), så ökar tiden till nästa tumling. Tyvärr, på grund av sin ringa storlek, leds cellen ständigt vilse av Brownska rörelser och kan därför helt enkelt inte röra sig rakt under lång tid. En sådan mekanism säkerställer endast i allmänhet bakteriens rörelse längs koncentrationsgradienten i rätt riktning, men för bakterien är den ganska effektiv.

Mekanismen som bygger på att byta rotationsriktning för flagellerna , vilket resulterar i en rätlinjig rörelse, som med varierande intervall ersätts av kullerbyttor på plats, är inte den enda.

Hos Rhodobacter sphaeroides ersätts rotationen av ett enda flagellum av dess fullständiga stopp, och i Rhizohium meliloli stannar rotationen av flagellumet aldrig - bara dess hastighet ändras. Men i alla dessa fall är resultatet av driften av kemotaxis sensoriska system detsamma: om bakterien rör sig i den "behövliga" riktningen, ökar varaktigheten av en sådan rörelse.

Den sensoriska mekanismen för kemotaxi är mer komplex än tidigare diskuterat. Detta beror främst på två skäl.

För det första, eftersom Brownsk rörelse kan ändra orienteringen av en bakteriecell mycket snabbt, måste bakterier bearbeta kemotaktiska signaler mycket snabbt och det går faktiskt inte mer än 0,2 sekunder från stimulansen till bytet av "motorer" i bakteriecellen.

För det andra, för korrekt jämförelse av rumsliga gradienter, behöver celler en sådan anordning av den sensoriska mekanismen som skulle "släcka" sensorisk stimulering under statiska förhållanden, det vill säga i frånvaro av en koncentrationsgradient, oavsett hur mycket någon form av attraherande medel eller repellent finns i miljön.

Proteinapparat för bakteriell kemotaxi

Tre klasser av proteiner är involverade i kemotaxi: transmembranreceptorer, cytoplasmatiska signalproteiner och adaptiva metyleringsenzymer .

Kemotaxireceptorer

Många bakterier upptäcker kemotaktiska stimuli med hjälp av receptorer kända som metylaccepterande kemotaxiproteiner (MCPs) . 

Dessa proteiner är membransensorer som i grunden liknar HnvZ i struktur, med den enda skillnaden är att den cytoplasmatiska signaleringsdomänen inte är ett autokinas .

Autokinasfunktionen utförs av ett annat protein, CheA, och MCP-signaldomänerna ger interaktion med CheA.

En annan skillnad från en typisk sensor är att det på båda sidor av signaleringsdomänen finns metyleringsställen som är nödvändiga för receptoranpassning.

MCP-proteiner består av cirka 550 aminosyrarester och är dimerer.

4 MCP-proteiner från E. coli är väl studerade , känsliga för serin (Tsr), aspartat och maltos (Tar), ribos , glukos och galaktos (Trg) och dipeptider (Tap).

Salmonella har ingen Tap, men har en Tep -citratsensor .

Serin, aspartat och citrat binder direkt till receptorer, medan socker och dipeptider först binder till motsvarande periplasmatiska proteiner, och dessa komplex interagerar redan med receptorer.

Dessutom svarar MCP på förändringar i temperatur och pH och är också receptorer för olika repellenter.

Den klassiska kemotaxireceptorn består av

  • aminoterminal transmembran helix,
  • periplasmatisk sensorisk egen domän, sammansatt av fyra α-spiralformade regioner,
  • andra transmembranspiral,
  • stor cytoplasmatisk signalerings- och anpassningsdomän.

Sensorernas cytoplasmatiska domäner innehåller 4 eller 5 glutamatrester tillgängliga för metylering.

Översättning av en extracellulär stimulus till en intracellulär signal

Två modeller har föreslagits för att förklara mekanismen för transmembransignaltransduktion av kemoreceptormolekylen. De tillgängliga experimentella data tillåter oss inte att helt utesluta någon av dem, men de flesta forskare är benägna till förmån för den andra modellen (kolvmodellen).

Enligt den första modellen (saxmodellen) kan kontakt av liganden med de distala ändarna av de membranbundna helixarna hos kemoreceptorn inducera betydande rörelse av transmembransegmenten. I tillståndet som inte är bundet till liganden interagerar receptorsubenheterna förmodligen med varandra endast i regionen av det första transmembransegmentet.

Bindning till liganden gör att de sensoriska och periplasmatiska subenheterna närmar sig varandra, vilket överförs till signalsubenheterna och säkerställer deras interaktion med varandra, och i denna form kan de inte längre interagera med CheA och stimulera dess autokinasaktivitet. Metylering skapar steriska barriärer för att signalera domäner att interagera med varandra, vilket återigen tillåter dem att stimulera CheA-autokinasaktivitet.

Nu ackumuleras fler och fler bevis till förmån för en annan mekanism (kolvmodellen) baserad på glidningen av transmembransegment (TMS) i förhållande till varandra. I enlighet med denna modell är den aminoterminala TMS-en stelt fixerad i membranet, medan den andra är mer rörlig och, när liganden är bunden, glider "nedåt", det vill säga mot cytoplasman, vilket orsakar en konformationsförändring i den cytoplasmatiska signaleringsdomänen, vilket inaktiverar den. En variant på detta tema är involveringen av de två amfipatiska helixarna i länkdomänen i konformationsförändringen.

Cytoplasmatiska signalproteiner och den reglerande mekanismen för kemotaxi

Interaktionen mellan receptorerna och flagellomkopplaren utförs av fyra proteiner:

  • CheA - histidinkinas
  • CheY - PO, aspartatkinas
  • CheW - "adapter" mellan receptorn och CheA
  • CheZ är ett protein som främjar defosforyleringen av CheY-P.

CheA-CheY-proteinparet är ett tvåkomponents regleringssystem. Den mest signifikanta skillnaden från klassiska system är att CheY inte är en transkriptionsfaktor och följaktligen saknar den en DNA-bindande domän. Histidinkinas CheA fungerar som en dimer, till vilken två CheW-monomerer binder, och detta komplex associeras redan med den dimera receptorn. Som en del av ett sådant komplex ökar autokinasaktiviteten hos CheA kraftigt, vilket förbättrar överföringen av fosfat från CheA~P till CheY. CheY~P binder till FliM i basalkroppens motoromkopplande komplex, vilket får flagellen att rotera medurs. CheZ förhindrar ackumulering av CheY~P genom att stimulera CheY autofosfatasaktivitet.

I frånvaro av ett lockmedel hålls koncentrationen av CheY-P på en nivå som främjar flagellumrotation övervägande medurs och följaktligen frånvaron av ordnad bakterierörelse. Bindning av lockmedlet till receptorn inducerar en konformationsförändring som överförs över membranet och hämmar CheA-autokinasaktivitet. Koncentrationen av CheY~P faller, och bakteriernas flageller roterar moturs under en längre tid. Därför kommer celler att röra sig i en rak linje längre om de går in i en miljö med en högre attraherande koncentration. Denna mekanism förklarar dock inte hur en cell kan svara på en ständigt ökande koncentration av ett lockmedel. Sensorisk anpassning tjänar detta syfte.

Kemotaxi-metylaser och sensorisk anpassning

Anpassning av den sensoriska apparaten uppnås genom reversibel metylering av receptorerna, vilket involverar två proteiner, CheR- metyltransferas och CheB -metylesteras . Receptormetylering har motsatt effekt av attraherande bindning. Intressant nog stimuleras metylering av bindningen av lockmedlet till receptorn och neutraliserar slutligen effekten av attraherande bindning. Det går dock en del tid mellan attraherande bindning och receptormetylering, under vilken bakterier rör sig i en rak linje, vilket utgör grunden för kemotaxiapparatens molekylära minne.

CheR-metyltransferas metylerar glutamatrester i de cytoplasmatiska domänerna av MCP:er med konstant hastighet, vilket överför en metylgrupp från S-adenosylmetionin . Det är inte metyleringen av receptorer som regleras av kemotaxis sensoriska apparat, utan den omvända processen, som beror på CheB-proteinet. CheB är ett mål för fosfatöverföring från CheA~P, och i det fosforylerade tillståndet är CheB ett metylesteras som demetylerar MCP.

I frånvaro av en stimulans kompenseras MCP-metylering av CheR genom avlägsnande av metylgrupper med fosforylerad CheB, vilket upprätthåller MCP-metylering vid 0,5–1 metylgrupp per receptorsubenhet.

När lockmedlet binder till receptorn och hämmar CheA-aktivitet, faller CheB~P-koncentrationen, om än långsammare än CheY~P-koncentrationen, eftersom CheB~P inte är ett substrat för CheZ. En ökning av graden av metylering återställer receptorns förmåga att stimulera CheA. Men även efter att CheY~P och CheB~P basala nivåer har återställts, förblir den attraherande bundna receptorn metylerad eftersom den metylerade receptorn är ett sämre substrat för CheB~P metylesteras.

Sålunda, med hänsyn till metylering, är principen för driften av den molekylära maskinen för kemotaxi som följer.

  • I frånvaro av attraherande medel är kemoreceptorn i ett aktiverat tillstånd och dess signaldomän stimulerar CheA-kinasaktivitet, vilket leder till CheY-fosforylering, medan fosfo-CheY, som interagerar med motoromkopplaren, får flagellen att rotera medurs, vilket leder till bakterien "tumlar" på plats.
  • Bindning av lockmedlet inaktiverar receptorn, och dess signaldomän kan inte längre stimulera CheA-kinasaktivitet, koncentrationen av fosfo-CheY sjunker snabbt (vilket stimuleras av CheZ-proteinet), rotationsriktningen för flagellumet ändras och bakterien rör sig i en rak linje.
  • Rätlinjär rörelse kan dock stoppas av två skäl. Om bakterien börjar röra sig i en ogynnsam riktning frigörs receptorn, CheY-fosforyleringen börjar och bakterien "tumlar" igen på plats. Dessutom, när CheA -kinaset är "av", defosforyleras CheB~P samtidigt med defosforyleringen av CheY~P, fastän i en långsammare hastighet (eftersom CheB-P inte är ett substrat för CheZ), vilket leder till en ökning av graden av metylering av receptorn och återställandet av dess signalaktivitet.

Eftersom både CheY och CheB är fria cytoplasmatiska proteiner, kommer graden av deras fosforylering att bero på graden av receptormetylering och deras laddning med ligander. Detta gör det möjligt att smidigt reglera bakteriers rörlighet i ett brett spektrum av koncentrationer av lockande och repellenter istället för ett "allt eller inget"-svar. Receptormetylering ger det enklaste molekylära minnet som gör att bakterier kan kontrollera den "rätta" rörelseriktningen. Metyleringsnivån blir hög om lockmedelskoncentrationen var hög för en tid sedan. När cellen rör sig "jämför" den den nuvarande koncentrationen av lockmedlet (bestäms av graden av beläggning av receptorerna) med koncentrationen under det senaste förflutna (som registrerats av graden av metylering av receptorerna). Om miljöförhållandena avsevärt förbättras eller försämras, kommer aktiviteten av CheA-histidinkinas att minska eller öka i motsvarande grad, vilket ändrar varaktigheten av bakteriens rätlinjiga rörelse i enlighet därmed.

Litteratur

  • Ermilova E. V., Zalutskaya Zh. M., Lapina T. V. Mikroorganismers rörlighet och beteende. T. I. Prokaryoter. - St. Petersburg: S:t Petersburgs förlag. un-ta, 2004. - 192 sid. ISBN 5-288-03536-9
  • Manson MD, Armiiage JP, Hoch JA, Macnab RM Bakteriell rörelse och signaltransduktion // Journal of Bacteriology. 1998.180:1009-1022
  • Eisenbach M. Bacterial Chemotaxis // Encyclopedia of Life Sciences. 2001. Nature Publishing Group (www.els.nei)
  • Berry RM Bacterial Flagella: Flagellar Motor Encyclopedia of Life Sciences. 2001. Nature Publishing Group (www.els.net)
  • Armiiage JP Bacterial Taxis // Encyclopedia of Life Sciences. 2001. Nature Publishing Group (www.els.nei)
  • Falke JJ, Bass R. B. Butler SL Chervitz SA och Danielson MA Den tvåkomponentssignaleringsvägen för bakteriell kemotaxi: en molekylär syn på signaltransduktion av receptorer, kinaser och adaptionsenzymer // Annu. Varv. celldev. Biol. 1997. 13:457-512
  • Williams SB och Stewart V. Funktionella likheter mellan tvåkomponentssensorer och metylaccepterande kemotaxiproteiner tyder på en roll för amfipahiska helixar i länkregionen i transmembransignaltransduktion // Molecular Microbiology. 1999.33:1093-1102
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger