¿Qué es la quimiotaxis?

¿Qué es la quimiotaxis?

La quimiotaxis se define como la orientación o el movimiento de un organismo o de una célula móvil en respuesta a la presencia de ciertas sustancias químicas en el ambiente a su alrededor. El movimiento puede ser hacia la fuente del estímulo químico o en su contra, es decir, alejándose de este.

“Quimiotaxis” es un término compuesto: taxis define el movimiento de un organismo o de una célula en respuesta a ciertos tipos de estímulos (luz, temperatura, objetos, compuestos químicos) y quimio se refiere a una sustancia química que, como tal, tiene características y propiedades particulares.

En la naturaleza se puede decir que todos los organismos móviles y las células que tienen capacidad de movimiento libre exhiben algún tipo de movimiento quimiotáctico (por quimiotaxis), y estos movimientos han sido muy estudiados especialmente en los organismos unicelulares, procariotas y eucariotas.

Las primeras observaciones de quimiotaxis en procariotas, por ejemplo, fueron realizadas en bacterias a finales del siglo XIX, cuando un grupo de biólogos (entre ellos Engelmann y Pfeffer) descubrieron el movimiento de bacterias en dirección al oxígeno, a ciertos elementos minerales y a distintos nutrientes orgánicos.

Moléculas atrayentes y repelentes

La quimiotaxis, o el movimiento de células u organismos en relación con un estímulo químico, puede darse como un movimiento hacia la fuente del estímulo o en contra de esta (alejándose), dependiendo de las características químicas y de ciertas propiedades del estímulo.

Así, distintos autores han definido dos tipos de sustancias, las atrayentes y las repelentes que, como puede entenderse de su nombre, provocan una respuesta quimiotáctica positiva o negativa, respectivamente.

Empero, hay que decir que el movimiento hacia o en contra de un atrayente o repelente es relativo al tipo de célula, pues lo que para algunos microorganismos o células del cuerpo de un animal, por ejemplo, es un repelente, para otros puede ser un atrayente y viceversa.

Así mismo, generalmente se ha determinado que el movimiento es proporcional al gradiente químico de las sustancias que funcionan como “fuente del estímulo”, es decir, que depende de su concentración y de la distancia a la que se encuentren respecto a esta.

El movimiento quimiotáctico

Tanto las células que forman parte de los tejidos y órganos animales, vegetales y fúngicos, como las que conforman las poblaciones de distintas especies de organismos unicelulares, eucariotas y procariotas, están permanentemente censando el medio que las rodea.

Este censo les permite, especialmente a los organismos unicelulares, identificar posibles fuentes de alimento o de peligro potencial y responder a estos estímulos específicos: Una de las respuestas más comunes es la del movimiento, de modo que dichas células se acercan o se alejan de la fuente del estímulo con cierta velocidad, dependiendo del caso.

Sin importar cuál sea el tipo de célula o cuál sea el tipo de estímulo químico de que se trate, todas las respuestas quimiotácticas dependen de un sistema de formado por un ligando, un receptor y, en la mayor parte de los casos, un mensajero químico que transmite la información hacia los componentes intracelulares encargados de llevar a cabo la respuesta.

Los receptores se conocen como quimiorreceptores, pues están especializados para la percepción de pequeñas concentraciones de ciertas moléculas químicas, que actúan como ligandos, y los mensajeros intracelulares varían de una célula a otra.

Quimiotaxis en eucariotas

En todas las células eucariotas, incluyendo a los organismos eucariotas unicelulares, el movimiento frente a cualquier tipo de estímulo depende de una serie de mecanismos ampliamente difundidos, que tienen que ver con la regulación de los componentes del citoesqueleto.

El citoesqueleto es una compleja red intracelular que participa en la comunicación intracelular, el movimiento de orgánulos y vesículas intracelulares, etc., y que se compone de tres tipos de filamentos conocidos como microfilamentos, microtúbulos y filamentos intermedios.

Los microfilamentos están formados por una proteína llamada actina, los microtúbulos son polímeros de tubulina y los filamentos intermedios representan un grupo más heterogéneo, formado por varios tipos de proteínas diferentes.

Así, la polimerización y despolimerización de los elementos que conforman el citoesqueleto es lo que permite u origina el movimiento celular eucariota frente a cualquier estímulo, incluyendo los estímulos quimiotácticos.

A su vez, estos fenómenos de polimerización y despolimerización están controlados genéticamente, pues ciertas condiciones se establecen para la expresión de las enzimas que controlan dichos procesos tras la recepción del estímulo químico.

Estos fenómenos dependen, concretamente de una serie de enzimas, conocidas mejor como quinasas o proteínas quinasas: serín quinasas, treonina quinasas o tirosina quinasas.

Funciones de la quimiotaxis en eucariotas multicelulares

Los movimientos quimiotácticos en los organismos multicelulares son críticos para la consecución del desarrollo y para el funcionamiento adecuado del cuerpo.

De hecho, durante el desarrollo de ciertas patologías como el cáncer (en los animales vertebrados), es la interrupción o el defecto en los mecanismos que controlan la respuesta quimiotáctica la que conlleva a la metástasis, que es el desprendimiento de células tumorales y su distribución a distintas partes del cuerpo.

Por otro lado, muchas de las funciones del sistema inmunológico dependen de que algunas células del cuerpo produzcan unas moléculas “quimiotácticas” llamadas citoquinas y quimiocinas, las cuales atraen a células móviles, como las células T, hacia sí para que ejerzan alguna función especial.

Quimiotaxis en procariotas

Las bacterias y arqueas, como los dos grupos representantes de los organismos procariotas, también presentan movimientos quimiotácticos y los mismos están, de hecho, entre los más estudiados en la naturaleza.

Las bacterias poseen un conjunto de proteínas reguladoras que dirigen y controlan el movimiento celular que se produce frente a distintas condiciones ambientales, y el mecanismo de control de estos movimientos es independiente de la presencia de flagelos o cilios en la superficie celular, o de si el movimiento ocurre por deslizamiento.

Este sistema participa en el control del movimiento frente a distintos tipos de estímulos químicos, bien sea frente a nutrientes como péptidos, azúcares o aminoácidos, o frente a estímulos más bien negativos como la presencia de sustancias tóxicas o ácidas.

Es importante mencionar que el mismo conjunto de proteínas reguladoras participa en el control del movimiento en respuesta a las concentraciones de oxígeno (aerotaxis), a la temperatura (termotaxis), a la presión osmótica (osmotaxis) y a la luz (fototaxis), de lo que podemos deducir su importancia.

Para lograr el movimiento como respuesta a la presencia de un compuesto químico definido, entonces, las bacterias desencadenan una serie de procesos moleculares relacionados entre sí, comparables con la “memoria” y el “aprendizaje” que caracteriza a los sistemas sensoriales motores y a su regulación neuronal en los organismos “superiores”.

Sistema histidina-aspartato fosfotransferasa

En las bacterias, las rutas sensoriales más comunes son aquellas que pertenecen al sistema de histidina-aspartato fosfotransferasa, que tiene al menos dos componentes: una proteína histidina quinasa dimérica y un regulador de la respuesta.

Se han descrito cerca de 600 de estos sistemas y algunas especies pueden tener más de 100, los cuales utilizan para mediar sus respuestas de movimiento frente a distintas clases de estímulos ambientales.

Funciones de la quimiotaxis en bacterias

Aunque la quimiotaxis pueda parecer un proceso espontáneo de respuesta a un estímulo químico, en las bacterias generalmente forma parte de distintas y complejas rutas de señalización intracelulares que tienen importantes implicaciones en:

• La patogenicidad, pues la quimiotaxis es fundamental para que muchas especies patógenas colonicen e invadan a sus hospedadores, lo que consiguen censando cambios de pH, concentraciones de nutrientes, concentración de oxígeno, osmolaridad, etc. Por medio de la quimiotaxis pueden guiarse hacia los sitios específicos de sus hospedadores donde pueden proliferar.
• El establecimiento de asociaciones simbióticas, ya que es muy probable que algunas bacterias del suelo de vida libre (rizobacterias) alcancen los pelos radicales de las plantas leguminosas con las que se asocian gracias al reconocimiento de los compuestos químicos atrayentes que estas producen en sus exudados radicales.
• La formación de biofilms (grandes superficies de bacterias “conectadas” entre sí a través de una red de polisacáridos), que requiere del censo y el movimiento de las bacterias hacia una región común, dirigidas, entre otras cosas, por mecanismos relacionados con la comunicación química.

Referencias

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2. Keller, E. F., & Segel, L. A. (1971). Model for chemotaxis. Journal of theoretical biology, 30(2), 225-234.
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4. Stock, J. B., & Baker, M. D. (2009). Chemotaxis. In Encyclopedia of Microbiology (pp. 71-78). Elsevier Inc.
5. Wadhams, G. H., & Armitage, J. P. (2004). Making sense of it all: bacterial chemotaxis. Nature reviews Molecular cell biology, 5(12), 1024-1037.