Quimiotaxis

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La quimiotaxis  es la respuesta motora de los microorganismos a un estímulo químico.

Quimiotaxis de bacterias

Las bacterias pueden moverse hacia los atrayentes (a menudo nutrientes) y alejarse de los repelentes (como las toxinas ). Casi todos los azúcares y aminoácidos actúan como atrayentes, los ácidos grasos , los alcoholes y otras sustancias potencialmente dañinas actúan como repelentes . La sensibilidad de las bacterias es impresionante: detectan fácilmente un cambio en la concentración del 0,1% en concentraciones micromolares de sustancias, y el rango de concentraciones detectables cubre cinco órdenes de magnitud.

Los atrayentes y repelentes se detectan a través de la interacción directa con quimiorreceptores específicos y no a través de ningún efecto intracelular de la sustancia detectable.

Los receptores de membrana se agrupan en grupos, generalmente ubicados en los polos de la célula, pero esto no puede ayudar a la bacteria a detectar la diferencia de concentración entre los polos, ya que será demasiado pequeña debido al pequeño tamaño de la propia célula.

En cambio, las bacterias navegan por los gradientes químicos midiendo los cambios temporales de concentración a medida que se mueven. Por lo general, la velocidad de Escherichia coli es de 10 a 20 de sus longitudes por segundo.

Al comparar la carga actual de quimiorreceptores con ligandos específicos con la de hace unos segundos, la célula puede realmente "medir" la diferencia en las concentraciones de una determinada sustancia a una distancia muchas veces mayor que la longitud de la propia célula.

Esta medida de la concentración de ligandos a lo largo del tiempo es posible debido a la metilación adaptativa de los quimiorreceptores, que depende de su carga de ligandos.

El tiempo de retraso entre la unión del ligando y la metilación del receptor es una especie de "memoria" molecular que permite medir los cambios en las concentraciones del ligando.

Si la dirección de movimiento elegida corresponde a un aumento en la concentración del atrayente (una disminución en la concentración del repelente), entonces aumenta el tiempo hasta la próxima voltereta. Desafortunadamente, debido a su pequeño tamaño, la célula se desvía constantemente por el movimiento browniano y, por lo tanto, simplemente no puede moverse en línea recta durante mucho tiempo. Tal mecanismo solo asegura en general el movimiento de la bacteria a lo largo del gradiente de concentración en la dirección correcta, pero para la bacteria es bastante efectivo.

El mecanismo basado en cambiar el sentido de giro de los flagelos , dando como resultado un movimiento rectilíneo, que a intervalos variables es sustituido por saltos mortales en el lugar, no es el único.

En Rhodobacter sphaeroides , la rotación de un solo flagelo se reemplaza por su parada completa, y en Rhizohium meliloli, la rotación del flagelo nunca se detiene, solo cambia su velocidad. Pero en todos estos casos, el resultado de la operación del sistema sensorial de quimiotaxis es el mismo: si la bacteria se mueve en la dirección “necesaria”, la duración de dicho movimiento aumenta.

El mecanismo sensorial de la quimiotaxis es más complejo que lo discutido anteriormente. Esto se debe principalmente a dos razones.

Primero, dado que el movimiento browniano puede cambiar la orientación de una célula bacteriana muy rápidamente, las bacterias deben procesar las señales quimiotácticas muy rápidamente y, de hecho, no pasan más de 0,2 segundos desde el estímulo hasta el cambio de "motores" en la célula bacteriana.

En segundo lugar, para la comparación correcta de los gradientes espaciales, las células necesitan un dispositivo del mecanismo sensorial que "extinga" la estimulación sensorial en condiciones estáticas, es decir, en ausencia de un gradiente de concentración, sin importar cuánto tipo de atrayente o repelente está presente en el medio ambiente.

Aparato proteico de quimiotaxis bacteriana

Tres clases de proteínas están involucradas en la quimiotaxis: receptores transmembrana, proteínas de señalización citoplasmática y enzimas de metilación adaptativa .

Receptores de quimiotaxis

Muchas bacterias detectan estímulos quimiotácticos utilizando receptores conocidos como proteínas de quimiotaxis aceptoras de metilo (MCP) . 

Estas proteínas son sensores de membrana que son básicamente similares en estructura a HnvZ, con la única diferencia de que el dominio de señalización citoplasmático no es una autoquinasa.

La función de autoquinasa la realiza otra proteína, CheA, y los dominios de señalización de MCP proporcionan interacción con CheA.

Otra diferencia con un sensor típico es que en ambos lados del dominio de señalización hay sitios de metilación necesarios para la adaptación del receptor.

Las proteínas MCP constan de aproximadamente 550 residuos de aminoácidos y son dímeros.

4 proteínas MCP de E. coli están bien estudiadas , responden a serina (Tsr), aspartato y maltosa (Tar), ribosa , glucosa y galactosa (Trg) y dipéptidos (Tap).

Salmonella no tiene Tap, pero tiene un sensor de citrato Tep .

La serina, el aspartato y el citrato se unen directamente a los receptores, mientras que los azúcares y los dipéptidos se unen primero a las proteínas periplásmicas correspondientes y estos complejos ya interactúan con los receptores.

Además, las MCP responden a los cambios de temperatura y pH , y también son receptores de diversos repelentes.

El receptor de quimiotaxis clásico consta de

  • hélice transmembrana amino-terminal,
  • dominio propio sensorial periplásmico, compuesto por cuatro regiones α-helicoidales,
  • segunda hélice transmembrana,
  • Gran dominio citoplasmático de señalización y adaptación.

Los dominios citoplasmáticos de los sensores contienen 4 o 5 residuos de glutamato disponibles para la metilación.

Traducción de un estímulo extracelular en una señal intracelular

Se han propuesto dos modelos para explicar el mecanismo de transducción de señales transmembrana por la molécula quimiorreceptora. Los datos experimentales disponibles no nos permiten excluir por completo ninguno de ellos, sin embargo, la mayoría de los investigadores se inclinan a favor del segundo modelo (el modelo de pistón).

De acuerdo con el primer modelo (el modelo de tijera), el contacto del ligando con los extremos distales de las hélices unidas a la membrana del quimiorreceptor puede inducir un movimiento significativo de los segmentos transmembrana. En el estado no unido al ligando, las subunidades del receptor probablemente interactúan entre sí solo en la región del primer segmento transmembrana.

La unión al ligando hace que las subunidades sensoriales y periplásmicas se acerquen entre sí, lo que se transmite a las subunidades de señal y asegura su interacción entre sí, y de esta forma ya no pueden interactuar con CheA y estimular su actividad autoquinasa. La metilación crea barreras estéricas para que los dominios de señalización interactúen entre sí, lo que nuevamente les permite estimular la actividad de la autoquinasa CheA.

Ahora se acumula cada vez más evidencia a favor de otro mecanismo (el modelo de pistón) basado en el deslizamiento de los segmentos transmembrana (TMS) entre sí. De acuerdo con este modelo, el TMS amino-terminal está rígidamente fijado en la membrana, mientras que el segundo es más móvil y, cuando el ligando se une, se desliza “hacia abajo”, es decir, hacia el citoplasma, lo que provoca un cambio conformacional. en el dominio de señalización citoplasmático, que lo inactiva. Una variación de este tema es la participación de las dos hélices anfipáticas del dominio enlazador en el cambio conformacional.

Proteínas de señalización citoplasmática y el mecanismo regulador de la quimiotaxis

La interacción entre los receptores y el flagelo se lleva a cabo por cuatro proteínas:

  • CheA - histidina quinasa
  • CheY - PO, aspartato quinasa
  • CheW - "adaptador" entre el receptor y CheA
  • CheZ es una proteína que promueve la desfosforilación de CheY-P.

El par de proteínas CheA-CheY es un sistema regulador de dos componentes. La diferencia más significativa con los sistemas clásicos es que CheY no es un factor de transcripción y, en consecuencia, carece de un dominio de unión al ADN. La histidina quinasa CheA funciona como un dímero, al que se unen dos monómeros CheW, y este complejo ya se asocia con el receptor dimérico. Como parte de dicho complejo, la actividad de autoquinasa de CheA aumenta considerablemente, lo que mejora la transferencia de fosfato de CheA~P a CheY. CheY~P se une a FliM del complejo de conmutación motora del cuerpo basal, lo que hace que el flagelo gire en el sentido de las agujas del reloj. CheZ previene la acumulación de CheY~P al estimular la actividad de la autofosfatasa de CheY.

En ausencia de un atrayente, la concentración de CheY-P se mantiene a un nivel que promueve la rotación del flagelo predominantemente en el sentido de las agujas del reloj y, en consecuencia, la ausencia de movimiento bacteriano ordenado. La unión del atrayente al receptor induce un cambio conformacional que se transmite a través de la membrana e inhibe la actividad de la autoquinasa CheA. La concentración de CheY~P cae y los flagelos de las bacterias giran en sentido contrario a las agujas del reloj durante más tiempo. Por lo tanto, las células se moverán en línea recta durante más tiempo si entran en un entorno con una mayor concentración de atrayente. Sin embargo, este mecanismo no explica cómo una célula puede responder a una concentración cada vez mayor de un atrayente. La adaptación sensorial sirve para este propósito.

Quimiotaxis metilasas y adaptación sensorial

La adaptación del aparato sensorial se logra mediante la metilación reversible de los receptores, que involucra dos proteínas, CheR metiltransferasa y CheB metilesterasa . La metilación del receptor tiene el efecto opuesto a la unión del atrayente. Curiosamente, la metilación es estimulada por la unión del atrayente al receptor y finalmente neutraliza el efecto de la unión del atrayente. Sin embargo, transcurre algún tiempo entre la unión del atrayente y la metilación del receptor, durante el cual las bacterias se mueven en línea recta, lo que forma la base de la memoria molecular del aparato de quimiotaxis.

La metiltransferasa CheR metila los residuos de glutamato en los dominios citoplásmicos de las MCP a una velocidad constante, transfiriendo un grupo metilo de la S-adenosilmetionina . No es la metilación de los receptores lo que regula el aparato sensorial de la quimiotaxis, sino el proceso inverso, que depende de la proteína CheB. CheB es un objetivo para la transferencia de fosfato desde CheA~P, y en estado fosforilado, CheB es una metilesterasa que desmetila MCP.

En ausencia de un estímulo, la metilación de MCP por CheR se compensa con la eliminación de grupos metilo por parte de CheB fosforilado, lo que mantiene la metilación de MCP en 0,5 a 1 grupo metilo por subunidad receptora.

Cuando el atrayente se une al receptor e inhibe la actividad de CheA, la concentración de CheB~P cae, aunque más lentamente que la concentración de CheY~P, ya que CheB~P no es un sustrato para CheZ. Un aumento en el grado de metilación restaura la capacidad del receptor para estimular CheA. Sin embargo, incluso después de que se restauran los niveles basales de CheY~P y CheB~P, el receptor unido al atrayente permanece metilado porque el receptor metilado es un sustrato más pobre para la metilesterasa de CheB~P.

Así, teniendo en cuenta la metilación, el principio de funcionamiento de la máquina molecular de la quimiotaxis es el siguiente.

  • En ausencia de un atrayente, el quimiorreceptor está en un estado activado y su dominio de señalización estimula la actividad de la quinasa CheA, lo que conduce a la fosforilación de CheY, mientras que el fosfo-CheY, al interactuar con el interruptor motor, hace que el flagelo gire en el sentido de las agujas del reloj, lo que conduce a la fosforilación de CheY. la bacteria "dando vueltas" en su lugar.
  • La unión del atrayente inactiva el receptor y su dominio de señalización ya no puede estimular la actividad de la quinasa CheA, la concentración de fosfo-CheY cae rápidamente (que es estimulada por la proteína CheZ), la dirección de rotación del flagelo cambia y la bacteria se mueve en línea recta.
  • Sin embargo, el movimiento rectilíneo puede detenerse por dos razones. Si la bacteria comienza a moverse en una dirección desfavorable, se libera el receptor, comienza la fosforilación de CheY y la bacteria vuelve a "caer" en su lugar. Además, cuando la quinasa CheA está "apagada", CheB~P se desfosforila simultáneamente con la desfosforilación de CheY~P, aunque a un ritmo más lento (ya que CheB-P no es un sustrato para CheZ), lo que conduce a un aumento en el grado de metilación del receptor y el restablecimiento de su actividad de señalización.

Dado que tanto CheY como CheB son proteínas citoplasmáticas libres, el grado de fosforilación dependerá del grado de metilación del receptor y de su carga de ligandos. Esto hace posible regular suavemente la motilidad de las bacterias en una amplia gama de concentraciones de atrayentes y repelentes en lugar de una respuesta de "todo o nada". La metilación del receptor proporciona la memoria molecular más simple que permite a las bacterias controlar la dirección "correcta" del movimiento. El nivel de metilación será alto si la concentración de atrayente fue alta hace algún tiempo. A medida que la célula se mueve, "compara" la concentración actual del atrayente (determinada por el grado de ocupación de los receptores) con la concentración en el pasado reciente (registrada por el grado de metilación de los receptores). Si las condiciones ambientales mejoran o empeoran significativamente, la actividad de la histidina quinasa CheA se reducirá o aumentará correspondientemente, cambiando la duración del movimiento rectilíneo de la bacteria en consecuencia.

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