Хемотаксис

Анализ в капиллярной трубке на хемотаксис. Подвижные прокариоты чувствуют химические вещества в окружающей среде и соответственно меняют свою подвижность. В отсутствие химикатов движение совершенно случайно. При наличии аттрактанта или репеллента бег становится длиннее, а падения становятся реже. Результатом является чистое движение к химическому веществу или от него (т. е. вверх или вниз по химическому градиенту). Чистое движение можно увидеть в стакане, где бактерии скапливаются вокруг источника аттрактанта и вдали от источника репеллента.

Хемотаксис (от хемо- + таксис ) — это движение организма или сущности в ответ на химический раздражитель. Соматические клетки , бактерии и другие одноклеточные или многоклеточные организмы направляют свои движения в соответствии с определенными химическими веществами в их среде обитания. Бактериям важно находить пищу (например, глюкозу ), плавая к самой высокой концентрации пищевых молекул, или спасаться от ядов (например, фенола ). У многоклеточных организмов хемотаксис имеет решающее значение для раннего развития (например, движения сперматозоидов к яйцеклетке во время оплодотворения ) и развития (например, миграции нейронов или лимфоцитов ), а также для нормального функционирования и здоровья (например, миграция лейкоцитов во время травмы или инфекция). Кроме того, было признано, что механизмы, обеспечивающие хемотаксис у животных, могут быть нарушены во время рака метастазирования . а аберрантное изменение общих свойств этих сетей, которые контролируют хемотаксис, может привести к канцерогенезу . Аберрантный хемотаксис лейкоцитов и лимфоцитов также способствует воспалительным заболеваниям, таким как атеросклероз, астма и артрит. Субклеточные компоненты, такие как участок полярности, генерируемый спаривающимися дрожжами, также могут проявлять хемотаксическое поведение.

Положительный хемотаксис возникает, если движение направлено к более высокой концентрации рассматриваемого химического вещества; отрицательный хемотаксис, если движение происходит в противоположном направлении. Химически вызванный кинезис (произвольно направленный или ненаправленный) можно назвать хемокинезом .

История исследований хемотаксиса

еще на заре развития микроскопии Хотя миграция клеток была обнаружена Левенгуком , в лекции по хемотаксису в Калифорнийском технологическом институте утверждается, что «эрудитическое описание хемотаксиса было впервые сделано Т. В. Энгельманном (1881) и В. Ф. Пфеффером (1884) у бактерий, и HS Jennings (1906) у инфузорий . Лауреат Нобелевской премии И. Мечников также внес вклад в изучение этой области в 1882—1886 гг., исследуя процесс как начальный этап фагоцитоза . Значение хемотаксиса в биологии и клинической патологии было широко признано в 1930-х годах, и к этому времени были разработаны наиболее фундаментальные определения, лежащие в основе этого явления. Наиболее важные аспекты контроля качества исследований хемотаксиса были описаны Х. Харрисом в 1950-х годах. В 1960-х и 1970-х годах революция в современной клеточной биологии и биохимии предоставила ряд новых методов, которые стали доступны для исследования мигрирующих клеток-ответчиков и субклеточных фракций, ответственных за хемотаксическую активность. Доступность этой технологии привела к открытию C5a, основного хемотаксического фактора, участвующего в остром воспалении. Новаторские работы Дж. Адлера модернизировали капиллярный анализ Пфеффера и явились важным поворотным моментом в понимании всего процесса внутриклеточной передачи сигналов бактерий.

Бактериальный хемотаксис - общая характеристика

Correlation of swimming behaviour and flagellar rotation

Некоторые бактерии , такие как E. coli , имеют несколько жгутиков на клетку (обычно 4–10). Они могут вращаться двумя способами:

1. Вращение против часовой стрелки объединяет жгутики в один вращающийся пучок, заставляя бактерию плавать по прямой линии; и
2. Вращение по часовой стрелке разбивает пучок жгутиков на части, так что каждый жгутик направлен в разном направлении, в результате чего бактерия падает на месте.

Направления вращения указаны для наблюдателя вне клетки, смотрящего вниз по жгутикам в сторону клетки.

Поведение

Общее движение бактерии является результатом чередования фаз падения и плавания, называемых бегущим движением . В результате траектория движения бактерии, плавающей в однородной среде, будет представлять собой случайное блуждание с относительно прямым плаванием, прерываемым случайными падениями, которые переориентируют бактерию. Бактерии, такие как E. coli, не могут выбирать направление своего плавания и не могут плавать по прямой более нескольких секунд из-за вращательной диффузии ; другими словами, бактерии «забывают» направление, в котором они движутся. Постоянно оценивая свой курс и корректируя свое движение в неправильном направлении, бактерии могут направить свое случайное движение в сторону благоприятных мест.

При наличии химического градиента бактерии будут хемотаксировать или направлять свое общее движение в зависимости от градиента. Если бактерия почувствует, что движется в правильном направлении (к аттрактанту/от репеллента), она будет продолжать плыть по прямой в течение более длительного времени, прежде чем упасть; однако, если он движется в неправильном направлении, он упадет раньше. Бактерии, подобные E. coli, используют временное зондирование, чтобы решить, улучшается ли их ситуация или нет, и таким образом находят место с самой высокой концентрацией аттрактанта, обнаруживая даже небольшие различия в концентрации.

Это предвзятое случайное блуждание является результатом простого выбора между двумя методами случайного движения; а именно акробатика и прямое плавание. Спиральная природа отдельной жгутиковой нити имеет решающее значение для возникновения этого движения. Белковая структура, составляющая жгутиковую нить, флагеллин , консервативна среди всех жгутиковых бактерий. Позвоночные животные, похоже, воспользовались этим фактом, обладая иммунным рецептором ( TLR5 ), предназначенным для распознавания этого консервативного белка.

Как и во многих случаях в биологии, существуют бактерии, которые не следуют этому правилу. Многие бактерии, такие как вибрионы , моножгутиковые и имеют один жгутик на одном полюсе клетки. Их метод хемотаксиса различен. У других есть единственный жгутик, который находится внутри клеточной стенки. Эти бактерии передвигаются, вращая всю клетку, имеющую форму штопора.

Преобразование сигнала

Domain structure of chemotaxis receptor for Asp

Химические градиенты воспринимаются множеством трансмембранных рецепторов , называемых метил-принимающими белками хемотаксиса (MCP), которые различаются по молекулам, которые они обнаруживают. Известно, что во всем бактериальном царстве кодируются тысячи рецепторов MCP. Эти рецепторы могут связывать аттрактанты или репелленты прямо или косвенно посредством взаимодействия с белками периплазматического пространства . Сигналы от этих рецепторов передаются через плазматическую мембрану в цитозоль , где белки Che . активируются Белки Che изменяют частоту переворота и изменяют рецепторы.

Регуляция жгутика

Белки CheW и CheA связываются с рецептором. Отсутствие активации рецептора приводит к CheA по аутофосфорилированию гистидинкиназы одному высококонсервативному остатку гистидина. CheA, в свою очередь, переносит фосфорильные группы на консервативные остатки аспартата в регуляторах ответа CheB и CheY; CheA представляет собой гистидинкиназу и не переносит активно фосфорильную группу, скорее, регулятор ответа CheB забирает фосфорильную группу у CheA. Этот механизм передачи сигнала называется двухкомпонентной системой и является распространенной формой передачи сигнала у бактерий. CheY вызывает переворачивание путем взаимодействия с белком-переключателем жгутика FliM, вызывая изменение вращения жгутика с против часовой стрелки на вращение по часовой стрелке. Изменение состояния вращения одного жгутика может разрушить весь пучок жгутиков и вызвать его переворачивание.

Регуляция рецепторов

Signalling pathways of E.coli

CheB при активации CheA действует как метилэстераза , удаляя метильные группы из остатков глутамата на цитозольной стороне рецептора; он действует антагонистически с CheR, метилтрансферазой , которая добавляет метильные остатки к тем же остаткам глутамата. Если уровень аттрактанта останется высоким, то уровень фосфорилирования CheA (а, следовательно, CheY и CheB) останется низким, клетка будет плавно плавать, а уровень метилирования MCP увеличится (поскольку CheB-P отсутствует для деметилирования). MCP больше не реагируют на аттрактант, когда они полностью метилированы; следовательно, даже если уровень аттрактанта может оставаться высоким, уровень CheA-P (и CheB-P) увеличивается, и клетка начинает разрушаться. MCP могут быть деметилированы CheB-P, и когда это произойдет, рецепторы снова смогут реагировать на аттрактанты. В отношении репеллентов ситуация противоположная: полностью метилированные МЦП лучше всего реагируют на репелленты, а наименее метилированные МЦП хуже всего реагируют на репелленты. Эта регуляция позволяет бактерии «запоминать» химические концентрации из недавнего прошлого, на несколько секунд, и сравнивать их с теми, которые она испытывает в настоящее время, таким образом «знать», движется ли она вверх или вниз по градиенту. Что бактерии имеют химические градиенты, то в повышении абсолютной величины чувствительности на том или ином фоне участвуют другие механизмы. Хорошо известными примерами являются сверхчувствительная реакция мотора на сигнал CheY-P и кластеризация хеморецепторов.

Хемоаттрактанты и хемопелленты

Хемоаттрактанты и хеморепелленты — неорганические или органические вещества, обладающие индуктором хемотаксиса в подвижных клетках. Эти хемотаксические лиганды создают градиенты химических концентраций, к которым организмы, прокариотические и эукариотические, движутся навстречу или от них соответственно.

float

Эффекты хемоаттрактантов вызываются через хеморецепторы, такие как метил-принимающие белки хемотаксиса (MCP). MCP в E.coli включают Tar, Tsr, Trg и Tap. Хемоаттрактанты Trg включают рибозу и галактозу с фенолом в качестве хемопеллента. Tap и Tsr распознают дипептиды и серин как хемоаттрактанты соответственно.

Хемоаттрактанты или хемопелленты связывают MCP во внеклеточном домене; внутриклеточный сигнальный домен передает изменения концентрации этих хемотаксических лигандов нижестоящим белкам, таким как CheA, который затем передает этот сигнал жгутиковым моторам через фосфорилированный CheY (CheY-P). Затем CheY-P может контролировать вращение жгутиков, влияя на направление подвижности клеток.

Для E.coli , S. meliloti и R. spheroides связывание хемоаттрактантов с MCP ингибирует активность CheA и, следовательно, CheY-P, что приводит к плавному прохождению, но для B. substilis активность CheA увеличивается. События метилирования в E.coli приводят к тому, что MCP имеют более низкое сродство к хемоаттрактантам, что вызывает повышение активности CheA и CheY-P, что приводит к падению. Таким образом, клетки способны адаптироваться к немедленной концентрации хемоаттрактанта и обнаруживать дальнейшие изменения для модуляции подвижности клеток.

Хемоаттрактанты эукариот хорошо характеризуют иммунные клетки. Формильные пептиды , такие как fMLF , привлекают лейкоциты , такие как нейтрофилы и макрофаги , вызывая движение к местам инфекции. Неацилированные метионинильные пептиды не действуют как хемоаттрактанты на нейтрофилы и макрофаги. Лейкоциты также движутся к хемоаттрактантам C5a, компоненту комплемента и патоген -специфичным лигандам на бактериях.

Механизмы действия хемопеллентов менее известны, чем механизмы хемоаттрактантов. Хотя хемопелленты вызывают у организмов реакцию избегания, Tetrahymena thermophila адаптируется к хеморепелленту, пептиду Нетрин-1 , в течение 10 минут после воздействия; однако воздействие хемопеллентов, таких как GTP , PACAP-38 и ноцицептин , не приводит к такой адаптации. ГТФ и АТФ являются хеморепеллентами в микромолярных концентрациях как для Tetrahymena , так и для Paramecium . Эти организмы избегают этих молекул, вызывая реакции избегания, чтобы переориентироваться от градиента.

Эукариотический хемотаксис

Difference of gradient sensing in prokaryotes and eukaryotes

Механизм хемотаксиса эукариотических клеток совершенно отличается от механизма хемотаксиса бактерий E. coli ; однако обнаружение химических градиентов по-прежнему остается решающим шагом в этом процессе. Из-за своего небольшого размера и других биофизических ограничений E. coli не может напрямую обнаруживать градиент концентрации. Вместо этого они используют измерение временного градиента, при котором они перемещаются на большие расстояния, в несколько раз превышающие их собственную ширину, и измеряют скорость изменения воспринимаемой химической концентрации.

Эукариотические клетки намного крупнее прокариот и имеют рецепторы, равномерно расположенные по всей клеточной мембране . Хемотаксис эукариот включает пространственное обнаружение градиента концентрации путем сравнения асимметричной активации этих рецепторов на разных концах клетки. Активация этих рецепторов приводит к миграции в сторону хемоаттрактантов или от хеморепеллентов. У спаривающихся дрожжей, которые неподвижны, участки полярных белков на клеточной коре могут перемещаться хемотаксическим образом вверх по градиентам феромонов.

Также было показано, что как прокариотические, так и эукариотические клетки способны к хемотаксической памяти. У прокариот этот механизм включает метилирование рецепторов, называемых метил-принимающими белками хемотаксиса (MCP). Это приводит к их десенсибилизации и позволяет прокариотам «помнить» и адаптироваться к химическому градиенту. Напротив, хемотаксическая память у эукариот может быть объяснена моделью локального возбуждения и глобального торможения (LEGI). LEGI включает баланс между быстрым возбуждением и отсроченным торможением, который контролирует нижестоящую передачу сигналов, такую ​​как активация Ras и выработка PIP3 .

Уровни рецепторов, внутриклеточные сигнальные пути и эффекторные механизмы представляют собой разнообразные компоненты эукариотического типа. В эукариотических одноклеточных клетках основными эффекторами являются амебоидное движение и ресничка или эукариотический жгутик (например, Amoeba или Tetrahymena ). Некоторые эукариотические клетки высшего происхождения позвоночных , например иммунные клетки, также перемещаются туда, где им необходимо быть. Помимо иммунокомпетентных клеток ( гранулоцитов , моноцитов , лимфоцитов ), большая группа клеток, ранее считавшихся фиксированными в тканях, также подвижна в особых физиологических (например, тучные клетки , фибробласты , эндотелиальные клетки ) или патологических состояниях (например, метастазы ). . Хемотаксис имеет большое значение на ранних стадиях эмбриогенеза , поскольку развитие зародышевых листков направляется градиентами сигнальных молекул.

Подвижность

В отличие от подвижности при бактериальном хемотаксисе, механизм физического перемещения эукариотических клеток неясен. По-видимому, существуют механизмы, с помощью которых внешний хемотаксический градиент воспринимается и превращается во внутриклеточные градиенты Ras и PIP3 к градиенту и активации сигнального пути, кульминацией которого является полимеризация актиновых , что приводит филаментов. Растущий дистальный конец актиновых филаментов развивает связи с внутренней поверхностью плазматической мембраны через различные наборы пептидов и приводит к образованию передних псевдоподий и задних уроподий . Реснички эукариотических клеток также могут вызывать хемотаксис; в данном случае это в основном Ca ²⁺ -зависимая индукция системы микротрубочек базального тельца и ритма 9+2 микротрубочек внутри ресничек. Организованное биение сотен ресничек синхронизируется подмембранной системой, построенной между базальными тельцами.Детали сигнальных путей до сих пор не совсем ясны.

Миграционные реакции, связанные с хемотаксисом

Chemotaxis related migratory responses

Хемотаксис относится к направленной миграции клеток в ответ на химические градиенты; Существует несколько вариантов химической миграции, перечисленных ниже.

• Хемокинез относится к увеличению подвижности клеток в ответ на химические вещества в окружающей среде. В отличие от хемотаксиса, миграция, стимулируемая хемокинезом, лишена направленности и вместо этого усиливает поведение сканирования окружающей среды.
• При гаптотаксисе градиент . хемоаттрактанта выражен или связан на поверхности, в отличие от классической модели хемотаксиса, в которой градиент развивается в растворимой жидкости Наиболее распространенной биологически активной гаптотактической поверхностью является внеклеточный матрикс (ECM); наличие связанных лигандов отвечает за индукцию трансэндотелиальной миграции и ангиогенеза .
• Некротаксис представляет собой особый тип хемотаксиса, когда молекулы хемоаттрактанта высвобождаются из некротических или апоптотических клеток. В зависимости от химического характера выделяемых веществ некротаксис может накапливать или отталкивать клетки, что подчеркивает патофизиологическую значимость этого явления.

Рецепторы

В общем, эукариотические клетки ощущают присутствие хемотаксических стимулов посредством использования 7-трансмембранных (или серпентиновых) гетеротримерных рецепторов, связанных с G-белком , - класса, представляющего значительную часть генома . Некоторые члены этого суперсемейства генов используются в зрении ( родопсины ), а также в обонянии (обонянии). Основные классы рецепторов хемотаксиса запускаются:

• Формильные пептиды – формилпептидные рецепторы (FPR),
• Хемокины - хемокиновые рецепторы (CCR или CXCR) и
• Лейкотриены – лейкотриеновые рецепторы (БЛТ).

Однако индукция широкого набора мембранных рецепторов (например, циклических нуклеотидов , аминокислот , инсулина , вазоактивных пептидов) также вызывает миграцию клетки.

Хемотаксический отбор

Chemotactic selection

В то время как некоторые рецепторы хемотаксиса экспрессируются на поверхности мембраны с долговременными характеристиками, поскольку они детерминированы генетически, другие имеют краткосрочную динамику, поскольку они собираются ad hoc в присутствии лиганда. Разнообразные особенности рецепторов и лигандов хемотаксиса позволяют отбирать клетки-ответчики на хемотаксис с помощью простого анализа хемотаксиса. С помощью хемотаксического отбора мы можем определить, действует ли еще не охарактеризованная молекула через долгосрочный или кратковременный рецепторный путь. Термин «хемотаксический отбор» также используется для обозначения метода, который разделяет эукариотические или прокариотические клетки в соответствии с их хемотаксической чувствительностью к селекторным лигандам.

Хемотаксические лиганды

Structure of chemokine classes

Three dimensional structure of chemokines

Число молекул, способных вызывать хемотаксические ответы, относительно велико, и можно выделить первичные и вторичные хемотаксические молекулы. Основные группы первичных лигандов следующие:

• Формильные пептиды представляют собой ди-, три-, тетрапептиды бактериального происхождения, формилированные на N-конце пептида. Они выделяются из бактерий in vivo или после разложения клетки. Типичным представителем этой группы является N-формилметиониллейцилфенилаланин (сокращенно fMLF или fMLP). Бактериальный fMLF является ключевым компонентом воспаления и оказывает характерное хемоаттрактантное действие на нейтрофильные гранулоциты и моноциты. Лиганды и рецепторы хемотаксических факторов, относящиеся к формилпептидам, обобщены в соответствующей статье « Рецепторы формилпептидов» .
• Комплемент 3а ( С3а ) и комплемент 5а ( С5а ) являются промежуточными продуктами каскада комплемента. Их синтез сопряжен с тремя альтернативными путями (классическим, лектинзависимым и альтернативным) активации комплемента ферментом конвертазой. Основными клетками-мишенями этих производных являются также нейтрофильные гранулоциты и моноциты.
• Хемокины принадлежат к особому классу цитокинов ; их группы (хемокины C, CC, CXC, CX ₃ C) не только представляют собой структурно родственные молекулы с особым расположением дисульфидных мостиков, но и их специфичность к клеткам-мишеням разнообразна. Хемокины CC действуют на моноциты (например, RANTES ), а хемокины CXC специфичны для нейтрофильных гранулоцитов (например, IL-8 ). Исследования трехмерной структуры хемокинов показали, что характерный состав бета-листов и альфа-спирали обеспечивает экспрессию последовательностей, необходимых для взаимодействия с хемокиновыми рецепторами. Образование димеров и их повышенная биологическая активность были продемонстрированы кристаллографией нескольких хемокинов, например IL-8.
• Метаболиты полиненасыщенных жирных кислот
  • Лейкотриены представляют собой эйкозаноидные липидные медиаторы, образующиеся в результате метаболизма арахидоновой кислоты с помощью ALOX5 (также называемого 5-липоксигеназой). Их наиболее известным членом с активностью хемотаксического фактора является лейкотриен B4 , который вызывает адгезию, хемотаксис и агрегацию лейкоцитов. Хемоаттрактантное действие LTB4 индуцируется посредством любого из двух рецепторов, связанных с G-белком , BLT1 и BLT2 , которые высоко экспрессируются в клетках, участвующих в воспалении и аллергии .
  • Семейство эйкозаноидов 5-гидроксикозатетраеновой кислоты представляет собой метаболиты арахидоновой кислоты, также образуемые ALOX5. Три члена семейства образуются естественным путем и обладают заметной хемотаксической активностью. Они перечислены в порядке убывания эффективности: 5-оксо-эйкозатетраеновая кислота , 5-оксо-15-гидрокси-эйкозатетраеновая кислота и 5-гидроксиэйкозатетраеновая кислота . Это семейство агонистов стимулирует хемотаксические реакции в эозинофилах , нейтрофилах и моноцитах человека путем связывания с оксоэйкозаноидным рецептором 1 , который, как и рецепторы лейкотриена B4, является рецептором, связанным с G-белком. Помимо кожи, нейтрофилы являются первой линией защиты организма от бактериальных инфекций. Покинув близлежащие кровеносные сосуды, эти клетки распознают химические вещества, вырабатываемые бактериями в порезе или царапине, и мигрируют «в сторону запаха».
  • 5-гидроксиэйкозатриеновая кислота и 5-оксоэйкозатриеновая кислота являются метаболитами кислоты Мида (5 Z ,8 Z ,11 Z -эйкозатриреноидная кислота); они стимулируют хемотаксис лейкоцитов через оксоэйкозаноидный рецептор 1 при этом 5-оксоэйкозатриеновая кислота столь же эффективна, как и ее аналог, производный арахидоновой кислоты, 5-оксо-эйкозатетраеновая кислота, в стимуляции хемотаксиса эозинофилов и нейтрофилов крови человека .
  • 12-Гидроксикозатетраеновая кислота представляет собой эйкозаноидный метаболит арахидоновой кислоты, образуемый ALOX12 , который стимулирует хемотаксис лейкоцитов через лейкотриеновый рецептор B4, BLT2.
  • Простагландин D2 представляет собой эйкозаноидный метаболит арахидононовой кислоты, вырабатываемый циклооксигеназой 1 или циклооксигеназой 2 , который стимулирует хемотаксис через рецептор простагландина DP2 . Он вызывает хемотаксические реакции в эозинофилах, базофилах и Т-хелперных клетках подтипа Th2.
  • 12-Гидроксигептадекатриеновая кислота представляет собой неэйкозаноидный метаболит арахидоновой кислоты, образуемый циклооксигеназой 1 или циклооксигеназой 2, который стимулирует хемотаксис лейкоцитов через лейкотриеновый B4-рецептор, BLT2.
  • 15-оксо-эйкозатетраеновая кислота представляет собой эйкозаноидный метаболит арахидоновой кислоты, полученный моим ALOX15 ; он обладает слабой хемотаксической активностью в отношении моноцитов человека (см. 15-Гидроксикозатетраеновая кислота#15-оксо-ЭТЕ ). Рецептор или другой механизм, с помощью которого этот метаболит стимулирует хемотаксис, не выяснен.

Хемотаксический диапазон фитинга

Хемотаксический диапазон фитинга

Хемотаксические реакции, вызываемые взаимодействиями лиганд - рецептор, варьируются в зависимости от концентрации лиганда. Исследования семейств лигандов (например, аминокислот или олигопептидов ) показывают, что хемоаттрактантная активность проявляется в широком диапазоне, тогда как хемопеллентная активность имеет узкие диапазоны.

Клиническое значение

Измененный миграционный потенциал клеток имеет относительно большое значение в развитии ряда клинических симптомов и синдромов.Изменение хемотаксической активности внеклеточных (например, Escherichia coli ) или внутриклеточных (например, Listeria monocytogenes ) патогенов само по себе представляет собой важную клиническую мишень. Модификация эндогенной хемотаксической способности этих микроорганизмов фармацевтическими агентами может снизить или ингибировать частоту инфекций или распространение инфекционных заболеваний.Помимо инфекций, существуют и другие заболевания, при которых нарушение хемотаксиса является основным этиологическим фактором, например синдром Чедиака-Хигаси , при котором гигантские внутриклеточные везикулы ингибируют нормальную миграцию клеток.

Хемотаксис при заболеваниях

Тип заболевания	Хемотаксис увеличен	Хемотаксис снизился
Инфекции	Воспаления	СПИД , Бруцеллез
Хемотаксис приводит к заболеванию	—	Синдром Чедиака-Хигаси , синдром Картагенера
Нарушается хемотаксис	Атеросклероз , артрит , пародонтит , псориаз , реперфузионное повреждение , метастатические опухоли	Рассеянный склероз , болезнь Ходжкина , мужское бесплодие
Отравление	Асбест , бензпирен	Hg и Cr Соли , озон

Математические модели

Разработано несколько математических моделей хемотаксиса в зависимости от типа

• Миграция (например, основные различия бактериального плавания, перемещение одноклеточных эукариот с ресничками / жгутиками и амебоидная миграция)
• Физико-химические характеристики химических веществ (например, диффузия ), действующих как лиганды.
• Биологические характеристики лигандов (аттрактантные, нейтральные и репеллентные молекулы)
• Системы анализа, применяемые для оценки хемотаксиса (см. время инкубации, развитие и стабильность градиентов концентрации)
• Другие воздействия окружающей среды, оказывающие прямое или косвенное влияние на миграцию (освещение, температура, магнитные поля и т.п.)

Хотя взаимодействие перечисленных выше факторов делает поведение решений математических моделей хемотаксиса довольно сложным, основной феномен движения, обусловленного хемотаксисом, можно описать прямолинейно. Действительно, обозначим через $\varphi$ пространственно неоднородная концентрация хемоаттрактанта и $\nabla \varphi$ как его градиент. Затем хемотаксический клеточный поток (также называемый током) ${\bf {J}}$ генерируемый хемотаксисом, связан с вышеуказанным градиентом по закону:

${\bf {J}}=C\chi (\varphi )\nabla \varphi$

где $C$ - пространственная плотность клеток и $\chi$ это так называемый «коэффициент хемотаксиса» - $\chi$ часто является не постоянной, а убывающей функцией хемоаттрактанта. Для некоторого количества $\rho$ который подвержен полному потоку ${\bf {J}}$ и срок генерации/уничтожения $S$, можно сформулировать уравнение неразрывности :

${\partial \rho \over {\partial t}}+\nabla \cdot {\bf {J}}=S$

где $\nabla \cdot ()$ это расхождение . Это общее уравнение применимо как к плотности клеток, так и к хемоаттрактанту. Следовательно, если включить диффузионный поток в общий поток, взаимодействия между этими величинами будут определяться набором связанных производных реакция-диффузия, дифференциальных уравнений в частных описывающих изменение $C$ и $\varphi$:

${\begin{aligned}{\partial C \over {\partial t}}&=f(C)+\nabla \cdot \left[D_{C}\nabla C-C\chi (\varphi )\nabla \varphi \right]\\{\partial \varphi \over {\partial t}}&=g(\varphi ,C)+\nabla \cdot (D_{\varphi }\nabla \varphi )\end{aligned}}$

где $f(C)$ описывает рост плотности клеток, $g(\varphi ,C)$ представляет собой термин кинетики/источника для хемоаттрактанта, а коэффициенты диффузии для плотности клеток и хемоаттрактанта соответственно равны $D_{C}$ и $D_{\varphi }$.

Пространственная экология почвенных микроорганизмов является функцией их хемотаксической чувствительности к субстрату и другим организмам. Было доказано, что хемотаксическое поведение бактерий приводит к нетривиальным структурам популяций даже в отсутствие гетерогенности окружающей среды. Наличие структурных неоднородностей порового масштаба оказывает дополнительное влияние на возникающие бактериальные структуры.

Измерение хемотаксиса

Основная статья: Анализ хемотаксиса

Доступен широкий спектр методов для оценки хемотаксической активности клеток или хемоаттрактантного и хеморепеллентного характера лигандов.Основные требования к измерениям следующие:

• Градиенты концентрации могут развиваться относительно быстро и длительно сохраняться в системе.
• Различают хемотаксическую и хемокинетическую активность.
• Миграция клеток свободна вперед и назад по оси градиента концентрации.
• Обнаруженные ответы являются результатом активной миграции клеток.

Несмотря на то, что идеальный анализ хемотаксиса до сих пор не доступен, существует несколько протоколов и оборудования, которые хорошо соответствуют условиям, описанным выше. Наиболее часто используемые приведены в таблице ниже:

Тип анализа	Анализы на агаровых пластинках	Двухкамерные анализы	Другие
Примеры	ПП-камера	Камера Бойдена Камера Зигмонда Данн Чемберс Многолуночные камеры Капиллярные методы	Техника Т-образного лабиринта Техника опалесценции Анализы ориентации

Искусственные хемотаксические системы

химические роботы , которые используют искусственный хемотаксис для автономной навигации. Были разработаны Приложения включают адресную доставку лекарств в организм. Совсем недавно молекулы ферментов также продемонстрировали положительное хемотаксическое поведение в градиенте своих субстратов. Термодинамически выгодное связывание ферментов со специфическими субстратами считается причиной ферментативного хемотаксиса. Кроме того, ферменты в каскадах также демонстрируют хемотаксическую агрегацию, управляемую субстратом.

Помимо активных ферментов, нереагирующие молекулы также проявляют хемотаксическое поведение. Это было продемонстрировано с помощью молекул красителя, которые движутся направленно в градиентах раствора полимера за счет благоприятных гидрофобных взаимодействий.

См. также

• Индекс Маккатчеона
• Тропизм
• Дуротаксис
• Гаптотаксис
• Механотаксис
• Плитотаксис
• Тонкие слои (океанография)

Дальнейшее чтение

• Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Уолтер П., Рафф MC (2002). «Бактериальный хемотаксис зависит от двухкомпонентного сигнального пути, активируемого гистидин-киназными рецепторами» . Молекулярная биология клетки . Группа Тейлор и Фрэнсис. ISBN  978-0-8153-4069-0 . Проверено 18 сентября 2017 г.
• Багорда А., родитель, Калифорния (август 2008 г.). «Краткий обзор хемотаксиса эукариот» . Журнал клеточной науки . 121 (Часть 16): 2621–4. CiteSeerX   10.1.1.515.32 . дои : 10.1242/jcs.018077 . ПМЦ   7213762 . ПМИД   18685153 .
• Берг ХК (1993). Случайные блуждания в биологии (Расширенная, переработанная ред.). Принстон, Нью-Джерси: Princeton Univ. Нажимать. ISBN  978-0-691-00064-0 .
• Берг ХК (2003). «Э. coli в движении». Физика сегодня . 58 (2). Нью-Йорк: Спрингер: 64–65. Бибкод : 2005ФТ....58б..64Б . дои : 10.1063/1.1897527 . ISBN  978-0-387-00888-2 .
• Дюзенбери Д.Б. (2009). Жизнь на микроуровне: неожиданная физика маленького размера . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN  978-0-674-03116-6 .
• Айзенбах М. (2004). Ленгелер Дж.В. (ред.). Хемотаксис . Лондон: Издательство Имперского колледжа. ISBN  978-1-86094-413-0 .
• Айзенбах М. (декабрь 2011 г.). «Бактериальный хемотаксис». Энциклопедия наук о жизни . дои : 10.1002/9780470015902.a0001251.pub3 . ISBN  978-0470016176 .
• Hazelbauer GL (13 октября 2012 г.). «Бактериальный хемотаксис: первые годы молекулярных исследований» . Ежегодный обзор микробиологии . 66 (1): 285–303. doi : 10.1146/annurev-micro-092611-150120 . ПМЦ   3989901 . ПМИД   22994495 .
• Джин Т., Херельд Д. (2016). Хемотаксис: методы и протоколы . Хумана Пресс. ISBN  978-1-4939-3480-5 .
• Миллер Л.Д., Рассел М.Х., Александр Г. (2009). «Разнообразие бактериальных хемотаксических реакций и адаптация ниши». Достижения прикладной микробиологии . Том. 66. стр. 53–75. дои : 10.1016/S0065-2164(08)00803-4 . ISBN  9780123747884 . ПМИД   19203648 .
• Рао К.В., Кирби-младший, Аркин А.П. (февраль 2004 г.). «Дизайн и разнообразие бактериального хемотаксиса: сравнительное исследование Escherichia coli и Bacillus subtilis» . ПЛОС Биология . 2 (2): Е49. дои : 10.1371/journal.pbio.0020049 . ПМК   340952 . ПМИД   14966542 .
• Уильямс AH (20 декабря 2010 г.). «Хемотаксис в движении – средство активного обучения» . Журнал микробиологии и биологического образования . 11 (2): 177–8. дои : 10.1128/jmbe.v11i2.216 . ПМК   3577161 . ПМИД   23653726 .

Внешние ссылки

• Хемотаксис
• Хемотаксис нейтрофилов
• Шлюз клеточной миграции
• Загружаемый симулятор хемотаксиса Matlab
• Интерактивный симулятор бактериального хемотаксиса (веб-приложение)