aula quimiotaxia ccm 2015
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Quimiotaxia de seres vivosTRANSCRIPT
Quimiotaxia: a prova de que células tem “sentidos”
Neutrophil chasing a bacteriumDavid Rogers – Vanderbilt University (1953)
Pfeffer, 1880’s; Adler, 1960’s
diffusion from the capillary mouth sets up the chemoeffector gradient;
cells travel up-gradient to the mouth of the capillary, then enter by random swimming
attractants are sugars, amino acids, dipeptides – there are also repellents
Bactérias também exibem quimiotaxia
soft agar assay of E. coli chemotaxis
behavioral tasks:locomotiongradient detectiondecision-makinglocomotor control
“swim plate”metabolism-generated
attractant gradients
water-filled tunnels
Comportamento de bactérias tem propriedades semelhantes ao de organismos superiores
1. Bactérias exibem adaptação: após um tempo, param de responder a um estímulo contínuo. Respondem a variações na concentração de substâncias, não a concentrações absolutas
2. Bactérias possuem memória: a resposta de uma bactéria a um certo estímulo depende da história daquela célula
3. Bactérias são indivíduos, cada um com sua personalidade: a resposta a estímulos segue uma tendência, mas varia significativamente de célula para célula.
Quimiotaxia requer:
1)Detecção de um gradiente2)Processamento da informação3)Controle locomotor
Como E. coli se locomove
Como é o circuito de processamento de sinais
Como este circuito é capaz de detectar um gradiente e exibir propriedades como memória, adaptação e amplificação de sinal
A propulsão de E. coli é feita pela rotação de filamentos helicoidais
Flagelos:4-6 por célula20 um por 50 nmFeitos por cerca de 40 proteínas
O flagelo bacteriano: uma obra-prima da nanotecnologia
Crédito: Protonic NanoMachine Group, Graduate School of Frontier Biosciences, Osaka University.
design• propeller• universal joint• bushings• rotor & stator
performance• 20,000 RPM• proton driven
• ~10-16 watts (10-18 hp)• >80% efficiency• bidirectional
the bacterial rotary flagellar motor
flagellumantibody
“Cell tethering” permite ver a rotação do flagelo
Howard Berg
Pfeffer, 1880’s; Adler, 1960’s
diffusion from the capillary mouth sets up the chemoeffector gradient;
cells travel up-gradient to the mouth of the capillary, then enter by random swimming
Bactérias também exibem quimiotaxia
Períodos de nado (runs) alternados com períodos de mudança de direção (tumbles): E. coli exibe “random walk”
http://www.mit.edu/~kardar/teaching/projects/chemotaxis(AndreaSchmidt)/
E. coli motility: running + tumbling = random walk
Rotação anti-horária
Rotação horária
Estado basal (sem substâncias estimulantes)Runs de 1 s alternadas com tumbles de 0.1 s.
gradient tracking via biased random walk
gradient detection:
• temporal (~3" memory)
• high sensitivity (~0.1% ∆C/C)
• wide dynamic range (5-6 logs)
• stimulus integration
Heading up-gradient reduces the likelihood of the next tumble, extending
travels in the favorable direction.
Atrator faz flagelo ficar mais tempo rodando no sentido anti-horário (CCW). Reduz a probabilidade de um “tumble”.
Como bactérias percebem um gradiente ?
Gradiente exponencialDistância de decaimento = 20 mm
2 m10.000 10.001
Elas percebem a variação temporal !
wild-type(Tar+ Tsr+)
aspartate-blind (Tar-)
nonchemotactic (Che-)
serine ring
aspartate ring
serine-blind (Tsr-)
nonmotile (Fla-, Mot-)
genetic dissection of E. coli chemotaxis
tryptone,32°C, 8 hr.
Os atores da via de sinalizaçãoReceptores – MCP (methyl-accepting chemotaxis proteins)
Histidina-quinases e seus RR parceiros
George H. Wadhams and Judith P. ArmitageNature Reviews Molecular Cell Biology 5, 1024-1037
O nariz da E. coli
Maddock & Shapiro, 1993
Receptores modulam rotação flagelar através de um grupo comum de proteínas sinalizadoras
CheA/CheW (signal generation);CheY/CheZ (motor control);CheB/CheR (sensory adaptation)
(e.g., attractant increase ==> CCW rotation)
CheA
W
CheY
CheY
ATP ADPP
P
Pi
CW
O circuito de sinalização da quimiotaxia
(default CCW)
MCP
MCP – receptorCheA – Histidina quinaseCheY – Regulador de respostaCheW – proteína adaptadoraCheZ – fosfatase
CheZ
http://www.seoulin.co.kr/Up/index-chemotaxis.html
Todo sistema sensorial precisa ser capaz de sofrer “adaptação”
CheA
W
CheY
CheY
ATP ADPP
P
Pi
CWCheR
+CH3
CheB
CheB
P
Pi
O circuito de sinalização da quimiotaxia
Adaptação
-CH3
-CH3-CH3
CheZ
-CH3
Adaptação impede que o sistema “sature”
Padrão de metilação dos receptores representa a “memória” da bactéria
Maddock & Shapiro, 1993
Sourjik & Berg, 2000
Amplificação de sinal do sistema
Quimiotaxia exibe altíssima sensibilidade: ~0.1% ∆C/C
1% de variação na ocupação de receptores causa 35% de variação na atividade de CheA
Amplificação ou “ganho” parecem ser consequência do agrupamento físico de receptores em agregados polares
Amplificação de sinal envolve interações receptor-receptor
Bray et al., 1998 Ligação de atrator a um receptor afetaria a atividade quinásica de CheA associada a diversos receptores vizinhos.Agregado de receptores funcionaria como uma grande enzima alostérica.
working model of chemoreceptor signaling array
figure adapted from Bray (2003)
Few if any other signal transduction pathways are known with such completeness and in such detail ... so that bacterial chemotaxis became a honey pot for modelers.
Bray, 2002
http://emonet.biology.yale.edu/agentcell/