Quimiotaxis para niños
La quimiotaxis es un fenómeno fascinante en el que las bacterias y otras células, tanto de organismos simples como complejos, dirigen sus movimientos. Lo hacen siguiendo la concentración de ciertas sustancias químicas en su entorno.
Imagina que una bacteria necesita encontrar comida, como la glucosa. Gracias a la quimiotaxis, puede nadar hacia donde hay más glucosa. También puede alejarse de sustancias dañinas, como algunos químicos peligrosos.
En organismos con muchas células, como nosotros, la quimiotaxis es muy importante. Ayuda en el desarrollo temprano, por ejemplo, guiando a los espermatozoides hacia el óvulo. También es clave para funciones normales, como el movimiento de las células de defensa (leucocitos) hacia una herida.
Cuando una célula se mueve hacia una mayor concentración de una sustancia química, se llama quimiotaxis positiva. Si se aleja de ella, se llama quimiotaxis negativa.
| Tipo de enfermedad | Quimiotaxis aumentada | Quimiotaxis disminuida |
|---|---|---|
| infecciones | inflamaciones | sida, brucelosis |
| la quimiotaxis es el resultado de la enfermedad | - | síndrome Chediak-Higashi, síndrome Kartagener |
| la quimiotaxis se ve afectada | arteriosclerosis, artritis, periodontitis, psoriasis, lesión por reperfusión, tumores metastasicos | esclerosis múltiple, enfermedad de Hodgkin, infertilidad masculina |
| intoxicaciones | asbesto, benzopireno | Sales de mercurio y cromo, ozono (O3) |
Contenido
Historia de la investigación de la quimiotaxis
Aunque el movimiento de las células se observó desde los primeros microscopios (gracias a Anton van Leeuwenhoek), la primera vez que se describió la quimiotaxis de forma detallada fue en 1881 por T.W. Ergelmann y en 1884 por W.F. Pjeffer, ambos estudiando bacterias. Más tarde, H.S. Jennings (1906) la observó en organismos unicelulares llamados ciliados.
Un científico famoso, E. Mechnikov, que ganó el Premio Nobel, también investigó cómo las células de defensa se mueven para "comer" partículas extrañas, un proceso llamado fagocitosis.
La importancia de la quimiotaxis en la biología y en la salud se aceptó ampliamente en la década de 1930. En ese tiempo, se establecieron las definiciones básicas de este fenómeno.
En los años 50, H. Harris describió cómo medir bien la quimiotaxis. Luego, entre 1960 y 1970, con el avance de la biología celular, surgieron nuevas técnicas para estudiar el movimiento de las células.
El trabajo de J. Adler fue muy importante para entender cómo las bacterias reciben y procesan las señales químicas.
Más recientemente, en 2006, Dennis Bray de la Universidad de Cambridge recibió un premio por su investigación sobre la quimiotaxis en la bacteria E. coli.
Quimiotaxis en Bacterias
Algunas bacterias, como la E. coli, tienen varios flagelos (pequeñas colas que las impulsan), generalmente entre 4 y 10. Estos flagelos pueden girar de dos maneras:
- En sentido contrario a las agujas del reloj: Los flagelos se agrupan y la bacteria nada en línea recta.
- En sentido de las agujas del reloj: Los flagelos se separan y la bacteria se detiene o cambia de dirección al azar.
¿Cómo se mueven las bacterias?
El movimiento de una bacteria es una combinación de nados en línea recta y detenciones. Si observas una bacteria en un lugar sin químicos que la guíen, verás que se mueve de forma aleatoria. Nada un poco, se detiene, cambia de dirección y vuelve a nadar. Las bacterias no pueden elegir una dirección específica ni nadar en línea recta por mucho tiempo.
A pesar de estas limitaciones, es increíble cómo las bacterias logran dirigirse. Pueden encontrar lugares con mucha comida (sustancias atrayentes) y evitar zonas con sustancias dañinas (repelentes).
¿Cómo "deciden" las bacterias?
Cuando hay sustancias químicas en el ambiente, la bacteria ajusta su movimiento. Si siente que se mueve en la dirección correcta (hacia un atrayente o lejos de un repelente), nada en línea recta por más tiempo. Si va en la dirección equivocada, se detiene más rápido y prueba una nueva dirección al azar.
En otras palabras, una bacteria como E. coli usa su "sentido del tiempo" para saber si las cosas están mejorando o empeorando. Así, puede encontrar el lugar con la mayor concentración de atrayentes. Incluso puede notar pequeñas diferencias en las concentraciones. El proceso para escapar de los repelentes funciona de manera similar.
Es sorprendente que este movimiento con un propósito sea el resultado de una elección simple entre dos tipos de movimientos aleatorios: detenerse y nadar en línea recta. Las respuestas de la quimiotaxis, como "olvidar" la dirección y elegir el movimiento, se parecen a cómo los seres vivos más complejos toman decisiones usando sus sentidos.
La forma de espiral de cada flagelo es clave para este movimiento. La proteína que forma el flagelo es muy parecida en todas las bacterias con flagelos. Los vertebrados (animales con columna vertebral) incluso tienen un tipo de receptor especial (TLR5) que reconoce esta proteína.
Sin embargo, no todas las bacterias siguen estas reglas. Algunas, como el Vibrio, tienen un solo flagelo en un extremo de la célula y se mueven de forma diferente. Otras tienen un solo flagelo dentro de su pared celular y se mueven girando como un sacacorchos.
¿Cómo detectan las señales?
Las bacterias detectan las sustancias químicas a través de receptores especiales en su membrana, llamados "proteínas quimiotácticas que aceptan grupos metilo" (MCPs). Estos receptores pueden unirse a atrayentes o repelentes. Las señales de estos receptores se envían al interior de la célula, donde activan unas proteínas llamadas Che. Las proteínas Che cambian la frecuencia con la que la bacteria nada en línea recta o se detiene, y también modifican los receptores.
Regulación de los flagelos
Las proteínas CheW y CheA se unen al receptor. Cuando no hay atrayentes, la proteína CheA se activa. CheA luego pasa una señal a otras proteínas, CheB y CheY. Este sistema de señalización se llama "Sistema de dos componentes" y es común en bacterias. CheY hace que la bacteria se detenga al interactuar con una proteína del flagelo llamada FliM, lo que cambia el sentido de giro del flagelo. Este cambio en un solo flagelo puede hacer que todo el grupo de flagelos se desordene y la bacteria se detenga.
Regulación de receptores
CheB, una vez activada, quita grupos metilo de los receptores. Esto funciona en contra de CheR, que añade grupos metilo a los mismos receptores. Cuantos más grupos metilo tenga un receptor, más sensible se vuelve.
Cuando se detecta un atrayente, la activación de CheA se detiene, y por lo tanto, la de CheB también. Esto hace que se quiten menos grupos metilo del receptor. Este sistema de "retroalimentación" ajusta continuamente la metilación de los receptores a los niveles del ambiente. Así, la bacteria mantiene su sensibilidad para detectar incluso los cambios más pequeños, incluso si las concentraciones de químicos son muy bajas.
Este sistema permite a la bacteria "recordar" las concentraciones químicas recientes y compararlas con las actuales. Este "conocimiento" le ayuda a moverse a favor o en contra de un gradiente químico. Sin embargo, el sistema de metilación por sí solo no explica toda la sensibilidad de las bacterias. Otros mecanismos, como la forma en que los receptores se agrupan, también ayudan a controlar la señal.
Quimiotaxis en Células Eucariotas (más complejas)
Las células eucariotas (como las nuestras) también realizan quimiotaxis, pero de una manera diferente a las bacterias. Aun así, detectar los gradientes químicos sigue siendo un paso clave. Como las células eucariotas son más grandes, pueden detectar fácilmente el gradiente. Esto hace que sus receptores se distribuyan de forma especial. Cuando estos receptores se activan por sustancias atrayentes o repelentes, la célula se mueve hacia o lejos de ellas.
Los receptores, las vías de señalización dentro de la célula y los mecanismos de movimiento son diferentes en las eucariotas. En las células eucariotas unicelulares, los movimientos tipo ameba o los cilios y flagelos son los principales medios de transporte.
Algunas células eucariotas en animales más complejos, como las células del sistema inmune, también se mueven hacia donde son necesarias. Además de las células inmunes (como granulocitos, monocitos y linfocitos), hay muchas otras células que normalmente están fijas en los tejidos, pero que también pueden moverse en ciertas condiciones.
La quimiotaxis es muy importante en las primeras etapas del desarrollo de un ser vivo, como en la formación de las capas de células que darán origen a los tejidos y órganos.
¿Cómo se mueven estas células?
El mecanismo exacto de cómo se mueven físicamente las células eucariotas no está del todo claro. Parece que cuando detectan un gradiente químico externo, esta señal se convierte en un gradiente interno. Esto activa una serie de reacciones que llevan a la formación de filamentos de actina. Estos filamentos crecen y se conectan con la membrana de la célula, formando "pies" temporales llamados pseudópodos, que permiten a la célula arrastrarse.
Los cilios (pequeñas estructuras parecidas a pelos) de las células eucariotas también pueden causar quimiotaxis. En este caso, el movimiento se debe a un sistema interno que controla los cilios.
Tipos de movimientos relacionados
Aunque la quimiotaxis es el tipo de migración más estudiado, hay otras formas en que las células se mueven:
- Quimioquinesis: También es inducida por moléculas en el líquido que rodea a la célula. Sin embargo, el movimiento no tiene una dirección específica. La célula se mueve más o menos rápido, pero sin un rumbo fijo. Es más como "explorar" el ambiente que ir de un punto a otro.
- Haptotaxis: En este caso, las sustancias atrayentes están pegadas a una superficie, no disueltas en el líquido. Un ejemplo importante es la matriz extracelular (el "pegamento" que une las células en los tejidos). La presencia de estas sustancias pegadas induce el movimiento de las células.
- Necrotaxis: Es un tipo especial de quimiotaxis donde la sustancia atrayente es liberada por células que están muriendo. Dependiendo de las sustancias liberadas, la necrotaxis puede hacer que las células se acerquen o se alejen, lo cual es importante en procesos de salud y enfermedad.
Receptores
La mayoría de las células eucariotas detectan las señales químicas a través de receptores especiales en su membrana. Estos receptores son muy numerosos y son importantes para funciones como la visión y el olfato. Las principales clases de receptores quimiotácticos profesionales responden a péptidos, quimioquinas y leucotrienos. Sin embargo, muchas otras sustancias también pueden hacer que una célula se mueva.
Selección quimiotáctica
Algunos receptores quimiotácticos están siempre presentes en la superficie de la célula, mientras que otros aparecen y desaparecen rápidamente. Esto permite "seleccionar" células que responden a ciertas sustancias químicas usando pruebas de quimiotaxis. La selección quimiotáctica también se usa para separar células según su capacidad de moverse hacia ciertos químicos.
Sustancias que guían el movimiento
Hay muchas moléculas que pueden causar una respuesta quimiotáctica. Podemos dividirlas en dos grupos principales:
- Formil péptidos: Son pequeños péptidos (cadenas de aminoácidos) que provienen de bacterias. Un ejemplo es el N-formilmetionil-leucil-fenilalanina (fMLF). Estos péptidos son clave en la inflamación y atraen a las células de defensa como los neutrófilos y monocitos.
- Complemento 3a (C3a) y complemento 5a (C5a): Son productos de un sistema de defensa del cuerpo llamado complemento. Atraen principalmente a los neutrófilos y monocitos.
- Quimioquinas: Son un tipo especial de proteínas llamadas citoquinas. Hay varios grupos de quimioquinas (C, CC, CXC, CX3C) que se diferencian por su estructura y por las células a las que afectan. Por ejemplo, las quimioquinas CC actúan en monocitos, y las CXC son específicas para granulocitos (neutrófilos).
Las investigaciones han demostrado que la forma tridimensional de las quimioquinas es importante para que puedan interactuar con sus receptores. También se ha visto que pueden formar grupos de dos (dímeros), lo que aumenta su actividad.
- Leucotrienos: Pertenecen a un grupo de sustancias llamadas eicosanoides. Son mediadores importantes en la inflamación y las alergias. Un leucotrieno importante es el LTB4, que causa que los leucocitos se peguen, se muevan y se agrupen. El efecto atrayente del LTB4 se debe a que se une a un receptor especial en la célula.
Rangos quimiotácticos efectivos
La respuesta quimiotáctica que se produce cuando una sustancia se une a un receptor suele tener una concentración óptima. Sin embargo, también es importante la cantidad de células que responden y la fuerza de la señal. Las investigaciones muestran que las sustancias atrayentes suelen tener un rango de concentración amplio en el que son efectivas, mientras que las repelentes tienen un rango más estrecho.
La Quimiotaxis y la Salud
Los cambios en la capacidad de las células para moverse son muy importantes en el desarrollo de varias enfermedades. Por ejemplo, si la actividad quimiotáctica de bacterias como Escherichia coli o Listeria monocytogenes se altera, esto puede ser un objetivo para tratamientos. Modificar la capacidad de movimiento de estos microorganismos con medicamentos podría reducir o detener la propagación de infecciones.
Además de las infecciones, hay otras enfermedades donde una quimiotaxis alterada es la causa principal. Un ejemplo es el síndrome de Chédiak–Higashi, donde unas estructuras gigantes dentro de las células impiden su movimiento normal.
¿Cómo se estudia la Quimiotaxis?
Existen muchas técnicas para medir la actividad quimiotáctica de las células o para saber si una sustancia es atrayente o repelente. Los requisitos básicos para una buena medición son:
- Que el gradiente de concentración de la sustancia se forme rápido y dure mucho tiempo.
- Que se puedan distinguir los movimientos dirigidos (quimiotaxis) de los movimientos aleatorios (quimioquinesis).
- Que las células puedan moverse libremente a lo largo del gradiente de concentración.
- Que las respuestas observadas sean el resultado de un movimiento activo de las células.
Aunque no existe una prueba "perfecta", hay varios métodos y equipos que cumplen bien estas condiciones. Los más comunes son:
- Pruebas en placas de agar.
- Técnicas de dos cámaras (como la cámara de Boyden).
- Otras técnicas (como la técnica del laberinto en T).
Puedes encontrar más detalles sobre estas técnicas en el artículo sobre ensayos de quimiotaxis.
Véase también
En inglés: Taxis Facts for Kids
