El quimiotaxismo, quimiotaxia o haptotaxia es un tipo de fenómeno en el cual las bacterias y otras células de organismos uni o pluricelulares dirigen sus movimientos de acuerdo con la concentración de ciertas sustancias químicas en su medio ambiente.
La quimiotaxis permite a las bacterias encontrar alimento, nadando hacia la mayor concentración de moléculas alimentarias, como la glucosa, o alejarse de venenos como el fenol. En los organismos multicelulares es fundamental tanto en las fases tempranas del desarrollo (por ejemplo en el movimiento de los espermatozoides hacia el óvulo) como en las fases más tardías como la migración de neuronas o linfocitos; así como también para las funciones normales.
Como ejemplos de quimiotaxismo se encuentran la respuesta de los leucocitos a las heridas, y la acción que ejercen las feromonas sobre animales de sexos opuestos de una misma especie. La quimiotaxis se denomina positiva si el movimiento es en dirección hacia la mayor concentración de la sustancia química en cuestión y negativa si es en dirección opuesta.
Se ha reconocido que los mecanismos que permiten la quimiotaxis en animales pueden ser destruidos durante las metástasis del cáncer.
Historia de la investigación de la quimiotaxis Aunque la migración celular fue detectada desde los primeros días del desarrollo del microscopio (van Leeuwenhoek), la primera descripción erudita de quimiotaxis fue hecha por primera vez por T.W. Ergelmann (1881) y W.F. Pjeffer (1884) en bacterias y H.S. Jennings (1906) en ciliados.
El Premio Nobel E. Mechnikov, también contribuyó al estudio con sus investigaciones de los procesos en los pasos iniciales de la fagocitosis.
La importancia de la quimiotaxis en la biología y en la patología clínica fue ampliamente aceptada en la década de 1930. Las definiciones más fundamentales asociadas a los fenómenos fueron también redactadas en ese tiempo.
Los aspectos más importantes en el control de calidad de las técnicas para estudiar la quimiotaxis (chemotaxis assays) fueron descritos por H. Harris en los años 1950.
Entre 1960-1970, la revolución de la biología celular y bioquímica moderna descubrió una serie de nuevas técnicas que hicieron posible investigar las células migratorias y las fracciones subcelulares responsables del movimiento de estas.
El trabajo pionero de J. Adler representa un punto de cambio significativo sobre la comprensión de todo el proceso de la traducción de señales intracelulares de las bacterias.
Dennis Bray de la Universidad de Cambridge fue premiado en 2006 con el Premio Europeo de la Ciencia, por su trabajo en la Quimiotaxis de E. Coli.http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6113522.stm retrieved November 6, 2006
Filogenia y señalización quimiotáctica
La quimiotaxis es una de las respuestas fisiológicas más básicas de la célula.
El desarrollo del sistema de receptores para la detección de sustancias, dañinas y favorables, en el medio ambiente fue lo más esencial para los organismos unicelulares desde las etapas más tempranas de la filogenia.
El análisis comprensivo de la actividad quimiotáctica del protozoo Tetrahymena pyriformis y las consecuentes secuencias en la aparición de aminoácidos en el caldo primario, sugiere que habría una buena correlación entre el carácter quimiotáctico de estas relativamente simples moléculas orgánicas y su desarrollo en la tierra.
De esta manera las primeras moléculas sugieren ser altamente quimioatrayentes (p.ej.: Gly, Glu, Pro), mientras que tarde se encontraron algunos pensaron que son fuertemente quimiorepelentes (p.ej.: Tyr, Trp, Phe ) a los aminoácidos.The 'Optimal' Chemotactic Ligand - Amino acids retrieved February 3, 2008
Quimiotaxis bacteriana Algunas bacterias como la E. coli poseen muchos flagelos por célula (habitualmente entre 4 y 10). Estas pueden rotar en dos sentidos: Rotación en el sentido contrario a las agujas del reloj, lo cual alinea los flagelos en un haz de rotación simple, causando que la bacteria nade en línea recta. Rotación en el sentido de las agujas del reloj, dobla el flagelos en un haz haciendo que cada flagelo apunte en dirección diferente causando detención del movimiento y dejando la bacteria en un lugar.
La dirección de rotación es dada por un observador externo, mirando desde abajo hacia la célula.
right|350px|Correlation of swimming behaviour and flagellar rotation
Conducta El movimiento total de la bacteria es el resultado de la alternancia entre las fases de detención y natatorias. Si alguien observa la bacteria nadando en un entorno uniforme, el movimiento se ve como un paseo arbitrario, con un nado en línea recta interrumpido con detenciones arbitrarias que reorientan a la bacteria. Las bacterias como E. coli son incapaces de elegir la dirección en la cual nadan, y son incapaces de nadar en una línea recta por más de algunos segundos, debido a la difusión rotatoria. En otras palabras, las bacterias olvidan la dirección a la cual se dirigen. Dadas estas limitaciones, es extraordinario que las bacterias puedan dirigir sus movimientos y encontrar lugares favorables de alta concentración de atrayentes (habitualmente alimentos) y evadir los repelentes (habitualmente venenos).
En la presencia de gradientes químicos, la bacteria realiza quimiotaxis o dirige su movilidad arbitraria basada en el gradiente. Si la bacteria siente que su movimiento va en la dirección correcta (hacia el atrayente y lejos del repelente) mantendrá su natación en una línea recta por un tiempo más largo antes de detenerse. Si su movimiento va en una mala dirección, se detendrá más rápido e intentará una nueva dirección al azar (aleatoria). En otras palabras, una bacteria como E. coli usa sus sensibilidad temporal para decidir si la vida está mejorando o empeorando. De esta manera si encuentra la ubicación con mayor concentración de atrayentes (usualmente la fuente) es mejor. Incluso a altas concentraciones es capaz de distinguir hasta las más pequeñas diferencias en concentraciones (atrayentes/repelentes). La función de escapar de los repelentes funciona con la misma eficiencia.
Parece considerable que este movimiento uniforme con propósito, es el resultado de una simple elección entre dos métodos de movimientos aleatorios, llamados detención y natación línea recta. De hecho, las respuestas quimiotácticas como el olvido de la dirección y la selección del movimiento, se parecen a las habilidades de tomar decisiones, en las formas superiores de vida, que procesan los datos sensoriales con cerebros.
La naturaleza helical del filamento flagelar individual es crítico, para que este movimiento ocurra. Así, como la proteína que forma el filamento flagelar, el flagelo es similar entre todas las bacterias flageladas. Los vertebrados parecen tener ventaja en este hecho al poseer un inmunoreceptor (TLR5) designado para reconocer la proteína conservada.
Así como hay muchas instancias en la biología, hay bacterias que no siguen estas reglas. Muchas bacterias, como es el Vibrio, son monoflageladas y tienen este único flagelo en un polo de la célula. Su método de quimiotaxis es diferente. Otros poseen un solo flagelo que se mantiene dentro de la pared de la célula. Esas bacterias se mueven a través de un rodamiento de toda la célula, lo cual se parece al movimiento del sacacorchos.
Transducción de la señal Los gradientes químicos son detectados a través de muchos receptores transmembranales llamados "methyl accepting chemotaxis proteins" (proteínas quemotácticas que aceptan grupos metilo) (MCPs) las cuales varían en las moléculas que ellas detectan. Estos receptores pueden unir atrayentes o repelentes directa o indirectamente a través de la interacción con proteínas del espacio periplasmático. Las señales de estos receptores son transmitidas a través de la membrana plasmática hacia el citosol, donde las Che proteínas son activadas. Las Che proteínas cambian las frecuencias de avance y giro, y alteran los receptores. right|350px|Domain structure of chemotaxis receptor for Asp
Regulación de los flagelos Las proteínas CheW y CheA se unen al receptor. La ausencia de atrayentes causa una auto fosforilación en la histidinaquinasa, CheA, a través del único residuo de histidina altamente conservado. CheA, a la vez transfiere grupos forforilados para conservar residuos de aspartato en respuesta de los reguladores CheB y CheY [nota: CheA es una histidinaquinasa y no transfiere activamente grupos forforilados. La respuesta reguladora de CheB, toma el grupo fosforilado de CheA]. Este mecanismo de traducción de señal se llama “Two Component System” (Sistema de dos componentes) y es la forma común de la traducción de señal en las bacterias. CheY induce la detención del movimiento a través de la interacción con la proteína flagelar-interruptora proteína FliM, induciendo un cambio en el sentido de la rotación del flagelo, desde el sentido contrario a las agujas del reloj hacia el sentido de las agujas del reloj. El cambio del estado de la rotación de un solo flagelo es capaz de interrumpir el haz completo bulto y causar una vibración.
Regulación de receptores CheB, una vez activado por CheA, actúa como una metilesterasa, removiendo grupos metilo desde los residuos de glutamato en el lado citosólico (intracelular) del receptor. Esto trabaja en forma antagonista con la CheR, una metiltransferasa que adjunta residuos de metilo a los mismos residuos de glutamato. Mientras más residuos metilo se unen al receptor, más aumenta la sensibilidad del receptor.
Una vez se detecta presencia de atrayente, se inhibe la autofosforilación de CheA, y por tanto de CheB, por lo que se induce una desmetilación del receptor. Del mismo modo, la regulación por retroalimentación (feedback) ajusta la metilación continuamente a los niveles ambientales, manteniendo sensibilidad para los más leves cambios del medio ambiente, incluso con concentraciones químicas restantes extremadamente bajas. Esta regulación permite a la bacteria, recordar las concentraciones químicas desde el pasado reciente y compararlas con aquellas que corrientemente experimenta (es decir, compara la presencia de señales extracelulares con la presencia de las mismas momentos antes, la cual es recordada por el nivel de metilación). Este “conocimiento” le da la posibilidad de hacer el viaje contra o a favor del gradiente. No obstante, el sistema de metilación sólo no puede explicar la amplia gama de sensibilidad que las bacterias poseen hacia los gradientes químicos. Mecanismos reguladores adicionales, como la agrupación de receptores y la interacción receptor-receptor también modulan la vía de señalización
center|450px|Bacterias-Traducción de señal
Quimiotaxis eucariota right|350px|Difference of gradient sensing in prokaryotes and eukaryotes thumb|200px|Trayectoria de giros en zigzag realizados por una célula de microglía que se arrastra libremente sobre un sustrato plano y en ausencia de cualquier estímulo externo.
El mecanismo, a través del cual, las células eucariotas realizan la quimiotaxis es diferente al de las bacterias. Sin embargo, la sensibilidad de los gradientes químicos sigue siendo un paso crucial en el proceso. El tamaño de las células eucariota,s les da la posibilidad de detectar fácilmente el gradiente, lo cual resulta en una distribución de receptores dinámica y polarizada. La inducción de esos receptores a través de quimioatrayentes y quimiorepelentes resulta en una migración para alejarse o acercarse a las sustancias quimiotácticas.
Los niveles de receptores, las vías de las señalización intracelular y los mecanismos efectores, todos representan componentes típicos de los eucariotas. En las células eucariotas unicelulares los movimientos ameboides y los cilios o los flagelos eucarióticos son los principales efectores (p.ej.: Amoeba o Tetrahymena).