כימוטקסיס
כימוטקסיס (Chemotaxis, בעברית: נהירה כימית) תנועה של בעלי חיים, חד - תאיים ותאים בעלי שוטונים או ריסים לעבר חומר המוגדר Atracttant (מושך). המשיכה נוצרת כתגובה לקליטת מולקולות ספציפיות המשמשות ליגנד לקולטן. הקולטן הקשור גורם לתנועה בהתאם לגרדיאנט (עליה הדרגתית בריכוז) של הליגנד שבסביבתו. ככל שיותר קולטנים נקשרים הכיוון ומהירות התנועה מוגברים. כאשר החומר דוחה (repellant כימוטקסיס שלילי) תהיה התנועה בניגוד למפל הריכוז של החומר בסביבתו. כימוטקסיס נחקר בעיקר בחיידקים, במיקרואורגניזמים אחרים (אמבות ופטריות, תאי זרע ותאי T בחולייתנים). בבעלי חיים עילאיים, קיימים תאים במערכת החיסון המקיים נהירה למוקדי דלקת או חדירה של גוף זר (תאי T, ניוטרופילים, בזופילים ועוד), וגם באיברים הקשורים לחוש הריח (olfactory) ומערכת העצבים כמו איבר יעקבסון.[1]
עוצמת הכימוטקסיס של חיידקים ותאים אמבואידיים מחושבת בנוסחה ( cv דרגת הנהירה = המרחק לאטרקטנט A ביחס לדרך שעשה הנבדק בפועל S. הערך המקסימלי הוא 1.[2]
chemokine חומר הגורם להגברת המהירות של חד - תאים, חיידקים או אמבות במעלה הגרדיאנט של האטרקטנט. בדרך כלל חומרים אטרקטנטים גורמים במקביל להאצת המהירות ולשינוי הכיוון במעלה הגרדיאנט. הגברת המהירות ניכרת דווקא בתגובה לדחייה (repellents)
כימוטקסיס בבעלי חיים
[עריכת קוד מקור | עריכה]כימוטקסיס בבעלי חיים מהווה מרכיב קריטי להישרדותם של בעלי חיים רבים. הם משתמשים במערכת החישה הכימית (ריח וטעם) כדי להתקרב כאשר הוא חיובי, או להתרחק ממקור המהווה סכנה.
פורומונים (Pheromones)
[עריכת קוד מקור | עריכה]
פורומונים הם כימיקלים המשוחררים על ידי פרט אחד המשפיעים על התנהגותו או הפיזיולוגיה של פרט אחר מאותו המין. תגובה לפרומונים היא סוג מרכזי של כימוטקסיס חיובי בבעלי חיים. יונקים משתמשים בפרומונים רבים המשתחררים בשתן או בבלוטות ריח (כגון בלוטות אנאליות). כלבים בודקים אזורי שתן של כלבים אחרים באמצעות איבר יעקובסון (Vomeronasal Organ) הקיים בכל בעלי החיים, (באדם הוא מנוון).[3] זיהוי הפרומונים הללו מכוון אותם לחיפוש בן זוג או לסימון טריטוריה.[4]
סוג אחר של פרומונים הם חומרים המשמשים לזיהוי או סימון טריטוריה. חוש הריח בטורפים, מאפשר זיהוי הפרט לפי הריח האופייני לו, להימשך או להידחות מהמקום. משיכה כימית יכולה להיות גם להכרת תנאים ספציפיים בסביבתם: דגי סלמון (Salmon): דג הסלמון משתמש בכימוטקסיס יוצא דופן כדי לחזור בדיוק לאותו נחל בו נולד. הדגים הצעירים "מטביעים" חומרים כימיים ייחודיים (המכונים חתימה ריחנית) הקשורים לאזור הלידה שלהם. כאשר הם חוזרים מהים כבוגרים, הם מנווטים באמצעות חוש הריח (כימוטקסיס חיובי) במעלה הנהר על ידי מעקב אחר הריכוזים של אותם כימיקלים.[5]
זוחלים מצוידים באיבר יעקובסון, המאתר בנוסף לריח הטרף גם קרינת חום, בקרבה לטרף.
זכרים של פרפרים ועשים, מאתרים נקבות ממרחק של קילומטר ומזהים את הגרדיאנט של מולקולות הפרומון עד לאיתור הנקבה[6]
המנגנון הביוכימי של כימוטקסיס בבעלי חיים
[עריכת קוד מקור | עריכה]
לצורך נהירה כימית, על התא לשאת קולטנים שיזהו את האות הכימי. הקולטנים נמצאים כמעט תמיד על-גבי קרום התא. בבעלי חיים בדרך כלל באיברים ייחודיים. רוב הקולטנים מפעילים שרשרת של תגובות ביו כימיות ופיזיולוגיות, שבסופה מכוונת התנועה. בחיידקים, למשל, מופעלים השוטונים. קליטת האותות מהווה לעיתים מנגנון משוב-חיובי; ככל שהתא מתקרב יותר אל מקור האות הכימי, כך גבר ריכוזו של האות בסביבה שמחוץ לתא והתא קולט כמות גדולה יותר של אותות, הגורמת לו לנוע במהירות רבה יותר או באופן ממוקד יותר אל מקור האות. מרכיבים אחרים במעגל המשוב מאפשרים הסתגלות לריכוז הגובר של האות, לצורך שמירה על רגישות התא לשינויים.[7]
שרשרת התגובה הכימוטקטית
[עריכת קוד מקור | עריכה]הפעלת מסלולי איתות: קישור הליגנד (מולקולת הגירוי) לקולטן באיבר יעקובסון הגורם לשרשרת אירועים ביוכימיים בתוך תא החישה והפעלת חלבון G, או מולקולות ספציפיות כמו AMPc.(אדנוזין מונו פוספט ציקלי) שגורם לקוטביות של הממברנה. שינויים ביוכימיים אלה גורמים לפתיחת תעלות יונים בממברנת תא החישה, חדירת יונים חיוביים של נתרן ואשלגן גורמת לדה-פולריזציה של תא העצב ליצירת פוטנציאל פעולה. שהוא האות המתקבל בעצב התחושתי (sensory).[8]
העברת אות למערכת העצבים המרכזית: פוטנציאל הפעולה עובר דרך אקסון של תא החישה אל עיצבי הריח/טעם הראשוניים, ומשם דרך צומתי סינפסה (למשל, מרכז ההרחה במוח)
מערכת העצבים המרכזית מעבירה את הסיגנל מעצבי החישה דרך המערכת המרכזית למרכזי התגובה.(המערכת המוטורית) שמעצבבים את שרירי הגוף.
כימוטקסיס של תאי דם לבנים-לויקוציטים
[עריכת קוד מקור | עריכה]בגופם של יונקים מתבצעת נהירה כימית כחלק מפעולתה של מערכת החיסון. באדם, תאי דם לבנים רבים נוהרים לרקמה אליה פלשו פתוגנים (מיקרואורגניזמים מעוררי מחלות).[9] האות הכימי במקרה זה יכול להיות רעלן שמפריש הפתוגן, למשל, או מולקולות איתות שמפרישים תאי הדם הלבנים הראשונים שנתקלים בפתוגן (בדרך-כלל מקרופאג'ים).[10]
ספרמטואידים (זרעונים) המצוידים בשוטון נעים במהירות ונמשכים לביצית על ידי נהירה לחלבון המצפה את הביצית. כשחודר זרעון אחד, נחסמת הכניסה לזרעונים אחרים.[11]
כימוטקסיס בחיידקים
[עריכת קוד מקור | עריכה]
נהירה כימית בחיידקים מהווה התפתחות אבולוציונית חשובה, שכן היא מקלה על החיידק את החיפוש אחר מזון, וכן מאפשרת לו להתרחק מבעוד מועד מחומרים מזיקים. חיידקים רבים נעים לעבר גלוקוז, למשל, אותו הם מזהים כמזון, ומתרחקים מחומרים כגון פנול, אשר עלולים להרגם. חיידקים כדוגמת E. coli מצוידים במספר שוטונים (בדרך כלל 4-10) המסוגלים להסתובב בשתי דרכים:[12]
שרשת התגובה בחיידקים פלגלטים (בעלי שוטונים)
[עריכת קוד מקור | עריכה]שוטונים הם אורגנלים המאפשרים תנועה בחד - תאים. הם מורכבים מזוגות של סיבים המתכווצים ומתפשטים בהתאם לפוטנציאל הפעולה של הממברנה. על-ידי תנועה הרמונית של הסיבים מתקבלת תנועה סיבובית של השוטון הדוחף את החיידק. כאשר יש יותר משוטון אחד, או ריסים רבים המקיפים את החיידק, מופעלים הסיבים בתיאום לפי העברת הפוטנציאל דרך הממברנה.[13]
בחיידקי E. coli למשל, מעגל הבקרה המווסת את הנהירה הכימית מבוסס על פעילות בו-זמנית של אנזימי קינאז ופוספטאז, המבצעים הוספה והסרה של קבוצות זרחה מאותם חלבונים. במעגל זה, חלבון CheY מזורחן הנקשר למנוע השוטון מגדיל את ההסתברות לשינוי מגמת הסיבוב של השוטון במצב מתמיד מתקזזת פעילות האנזימים המוסיפים או מסירים את קבוצת הזרחה מ-CheY, כך שריכוז החלבון המזורחן לא משתנה בממוצע. כאשר קולטנים מתאימים בחיידק חשים במולקולות מזון, הם מחלישים את פעילות אנזימי הקינאז המזרחנים את CheY, כך שריכוז החלבון המזורחן הולך ויורד. כתוצאה מכך משנה החיידק את כיוון תנועתו בתכיפות נמוכה יותר ומגיע מהר יותר אל מקור המזון.[14]
סיבוב נגד כיוון השעון שבו הפלג'לות מסתובבות כגוף אחד והחיידק מתקדם בקו ישר.
סיבוב בכיוון השעון שבו הפלג'לות מסתובבות כל אחת בנפרד ולכיוון שונה, והחיידק מתקדם ללא כיוון מוגדר (tumble).
כיוון התנועה הכללי של החיידק נקבע משילוב של החלפות בין תנועת התקדמות בקו ישר לתנועה סביב. בסביבה אחידה נראית תנועתו של החיידק כתנועה אקראית ובה תנועות בקו ישר המופרעות על ידי סיבובים אקראיים המשנים את כיוון התנועה של החיידק. חיידקים כדוגמת E. coli אינם מסוגלים לבחור את כיוון תנועתם, ואינם מסוגלים לנוע בקו ישר ליותר מכמה שניות. חיידקים מתגברים על כך ויכולים לנוע לעבר גירוי, באמצעות שינוי חוזר ומשתנה בהתאם לגרדיאנט וכוונון במקרה של תנועה בכיוון שגוי.[15]
בנוכחות גרדיאנט כימי תנועתם הכללית של החיידקים תהא על פי הגרדיאנט. כאשר חיידקים חשים שהם בכיוון תנועה נכון (מתקרבים לאטרטקנט, או מתרחקים מרפלנט) הם ינועו זמן רב יותר בקו ישר לפי תנועה סיבובית, ואילו בתנועה בכיוון לא נכון הם יעשו תנועה סיבובית בשלב מוקדם יותר ויבחרו כיוון חדש באקראי. חישת הגרדיאנט הכימי נעשית על ידי קולטנים החוצים את הממברנה, הנקראים MCPs (חלבוני כמוטקסיס מקבלי מתיל; methyl-accepting chemotaxis proteins). חלבוני ה-MCP נבדלים זה מזה בסוג החומר שאותו הם מזהים. קולטנים אלו מעבירים סיגנל דרך קרום התא אל הציטוזול ומפעילים סדרת חלבונים הנקראים חלבוני Che. חלבונים אלו משפיעים על תדירות התנועה הסיבובית של החיידק וכן על הקולטנים עצמם.[16]
כימוטקסיס באמבות
[עריכת קוד מקור | עריכה]מיקסומיצטים (myxomycetes) הם אמבואידים, שמקיימים מחזור רב - תאי: בשלב ההאפלואידי הם אמבות חופשיות,הפרשה של AMPc גרמה למשיכת האמבות החופשיות ליצירת פלסמודיום המתלכדות לגוף אורגן רב-תאי, ומתמיין לבסיס, גבעול ונבגים. המיקסאמבות Dictyostelium discoidedeum. הסוג myxomycete בכולל גם מיקסאמבות וגם slime molds- אורגניזם שלאחר השלב החד-תאי (דמוי אמבה) של תאים הא-פלואידים, לאחר יצירת זיגוטה הם הופכים לתא אחד (אורגן רב גרעיני ללא מחיצות) הנע על-ידי זרימת הפלסמה ולכן נקראים גם slime Mold.[17]
לדוגמה: Physarum polycephalum היא מיקסומיצט שהתנהגותה ובעיקר הכימוטקסיס שלה נחקר בהרחבה. הוא מתקיים כגוף אחד רב גרעיני,(פלסמודיום) שנע בתנועה אמבית על-ידי זרימת הפלסמה, ומגיב בתנועה בכימוטקסית חיובית, לגלוקוז וחומרים אחרים, ומתרחק (כימוטקסיס שלילי) מאחרים. מערכת ניסוי פשוטה לבדיקת הכימוטקסיס כללה 4 שקעים בצלחת פטרי במצע אגר לאחד השקעים הוכנס גלוקוז לאחרים בופר. פלסמודיום הונח במרכז הצלחת, ערך הכימוטקסיס החיובי(CV) נמדד לפי היחס בין המרחק של הפלסמודים מהשקע (A), לבין המהלך של תנועתו ((S) (CV=A/S).הערך המקסימלי נמצא לגלוקוז ולקטוז, בעוד שערך שלילי לקסילוז, רפינוז ומנוז. כן נמצא שחומרים נוירוטרנסמיטרים השפיעו על מהירות התנועה ועל קצב מחזוריות הזרימה של הפלסמה, ולא על הכימוטקסיס. חומרים פסיכומימטים כמו הרואין, ברביטול ו-LSD, הקטינו את הכימוטקסיס ולא את מהירות התנועה.[18]
חשיבות הכימוטקסיס ברפואה
[עריכת קוד מקור | עריכה]מערכת החיסון ותגובה דלקתית
[עריכת קוד מקור | עריכה]כימוטקסיס הוא התגובה הייחודית והעיקריתשל תאי מערכת החיסון:
גיוס תאי חיסון לתקיפת פתוגנים: כאשר מתרחשת פציעה, זיהום (חיידקי או ויראלי), או נזק לרקמה, התאים הפגועים או תאי החיסון המקומיים (כמו מקרופאגים) משחררים כימוקינים (כדוגמת IL-8, CCL2).הכימוקינים הללו יוצרים גרדיאנט ריכוז שמושך במהירות תאי חיסון ספציפיים, כגון נויטרופילים ומונוציטים, מאזור כלי הדם אל מוקד הזיהום או הדלקת.[19]
הדברת פתוגנים: עם חדירת פתוגן (או גורם זר, המעורר את המערכת החיסונית) מונוציטים וניוטרופילים ותאי T מתקבצים סביב הפתוגן ומשמידים אותו (באמצעות פגוציטוזה) וומסלקים פסולת תאית, ובכך מסייעים בתהליך ההחלמה. כישלון בכימוטקסיס עלול להוביל לליקוי חיסוני (כמו בתסמונת Chediak-Higashi), שבה הגוף מתקשה להתמודד עם זיהומים כיוון שהתאים במערכת החיסונית לא מגיבים בנהירה.[20]
כימוטקסיס ופתולוגיה
[עריכת קוד מקור | עריכה]סרטן (Oncology):יצירת גרורות (Metastasis): תאי סרטן משתמשים במנגנונים של כימוטקסיס כדי לנוע מהגידול הראשוני אל זרם הדם ומשם לאתרים אחרים, ואז מתקבצים לגרורות וגידולים משניים, בהשפעת כימוקינים המופרשים על ידי איברים מרוחקים. עיכוב כימוטקסיס של תאי סרטן הוא יעד טיפולי פוטנציאלי.[21]
מחלות אוטואימוניות ודלקתיות כרוניות: במחלות כמו דלקת מפרקים שגרונית (RA), טרשת נפוצה (MS), ומחלות מעי דלקתיות (IBD), ישנה פעילות כימוטקטית מוגברת ולא מבוקרת של תאי המערכת החיסונית, המאתרים את הרקמות כפתוגנים. נוצרת נהירה של תאי חיסון לאתרים המגיבים בדלקת או בהשמדה של התאים והרקמות במחלות אוטואימוניות.[22]
פוריות וחידוש רקמות
[עריכת קוד מקור | עריכה]כימוטקסיס ברבייה: תאי הזרע מגיעים לביצית במסע ארוך ובתחרות בתגובה הכימוטקטית והכימוקינית, כיוון שרק תא זרע אחד מבצע התלכדות עם תא הביצית. פגיעה במנגנון זה, על-ידי שינוי ברגישות תא הזרע לליגנד, או שינוי בליגנד של הביצית, מורידה את סיכויי ההפריה.[23]
כימוטקסיס בהתפתחות רקמות: כימוטקסיס הוא עקרון מפתח לכוון תאי גזע או תאי רקמות באזור הדורש תיקון, כמו השתלות עור, או עצם. על ידי שימוש בכימוקינים כ"פיתיונות", ניתן לשפר את היעילות של השתלות ולמנוע דחייה של רקמות שעיקרה הכרת השתל כגוף זר והתגודדות של תאי מערכת החיסון בשתל עד השמדתו.[24]
בהתפתחות העובר : מתקיימת תנועה של תאים עובריים למקומות ספציפיים. תאים עובריים בנקבה נודדים לאזור השחלות, ובזכר לתאים היוצרים תאי זרע. תאים של המערכת החיסונית מסוגלים לצאת מהעורקים דרך דפנותיהם ולנהור לעבר אתר המשחרר אטרקטנטים של פתוגן. צמיחה של נוירונים וכלי דם בשלב ההתפתחות העוברית וגם אחריו, קשורה למשיכה של התאים העובריים לאתרים ספציפיים נעשית בעזרת כימוטקסיס והכרות בין - תאית.[25]
הערות שוליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]- ^ Len Stephens, Laura Milne, Phillip Hawkins, Moving towards a Better Understanding of Chemotaxis, Current Biology 18, 2008-06-03, עמ' R485–R494 doi: 10.1016/j.cub.2008.04.048
- ^ Hanbin Mao, Paul S. Cremer, Michael D. Manson, A sensitive, versatile microfluidic assay for bacterial chemotaxis, Proceedings of the National Academy of Sciences 100, 2003-04-29, עמ' 5449–5454 doi: 10.1073/pnas.0931258100
- ^ Francia.L et al, Vomeronasal Receptors and Signal Transduction in the Vomeronasal Organ of Mammals, europepmc.org, 2014 (באנגלית)
- ^ Peter A. Brennan, Pheromones and Mammalian Behavior, Boca Raton (FL): CRC Press/Taylor & Francis, 2010, Frontiers in Neuroscience, ISBN 978-1-4200-7197-9
- ^ Ivan Rodriguez, Pheromone receptors in mammals, Hormones and Behavior, Olfaction, Sex, and Behavior 46, 2004-09-01, עמ' 219–230 doi: 10.1016/j.yhbeh.2004.03.014
- ^ Michael D. Greenfield, Moth Sex Pheromones: An Evolutionary Perspective, The Florida Entomologist 64, 1981, עמ' 4–17 doi: 10.2307/3494597
- ^ Linda L. McCarter, Motility and Chemotaxis, John Wiley & Sons, Ltd, 2006, עמ' 113–132, ISBN 978-1-68367-178-7. (באנגלית)
- ^ Daniel J. Webre, Peter M. Wolanin, Jeffry B. Stock, Bacterial chemotaxis, Current Biology 13, 2003-01-21, עמ' R47–R49 doi: 10.1016/S0960-9822(02)01424-0
- ^ Tian Jin, Xuehua Xu, Dale Hereld, Chemotaxis, chemokine receptors and human disease, Cytokine 44, 2008-10-01, עמ' 1–8 doi: 10.1016/j.cyto.2008.06.017
- ^ Gregory P. Downey, Mechanisms of leukocyte motility and chemotaxis, Current Opinion in Immunology 6, 1994-02-01, עמ' 113–124 doi: 10.1016/0952-7915(94)90042-6
- ^ M Eisenbach, Sperm chemotaxis, Reviews of Reproduction 4, 1999-01-01, עמ' 56–66 doi: 10.1530/revreprod/4.1.56
- ^ Daniel J. Webre, Peter M. Wolanin, Jeffry B. Stock, Bacterial chemotaxis, Current Biology 13, 2003-01-21, עמ' R47–R49 doi: 10.1016/S0960-9822(02)01424-0
- ^ Farah Choudry, Bacterial Chemotaxis
- ^ Shuangyu Bi, Victor Sourjik, Stimulus sensing and signal processing in bacterial chemotaxis, Current Opinion in Microbiology, Antimicrobials * Microbial systems biology 45, 2018-10-01, עמ' 22–29 doi: 10.1016/j.mib.2018.02.002
- ^ Melinda D. Baker, Peter M. Wolanin, Jeffry B. Stock, Signal transduction in bacterial chemotaxis, BioEssays 28, 2006, עמ' 9–22 doi: 10.1002/bies.20343
- ^ Richa Karmakar, State of the art of bacterial chemotaxis, Journal of Basic Microbiology 61, 2021, עמ' 366–379 doi: 10.1002/jobm.202000661
- ^ Robert R. Kay, Paul Langridge, David Traynor, Oliver Hoeller, Changing directions in the study of chemotaxis, Nature Reviews Molecular Cell Biology 9, 2008-06, עמ' 455–463 doi: 10.1038/nrm2419
- ^ I. Chet, A. Naveh, Y. Henis, Chemotaxis of Physarum polycephalum towards Carbohydrates, Amino Acids and Nucleotides, Microbiology 102, 1977, עמ' 145–148 doi: 10.1099/00221287-102-1-145
- ^ Bibi Zhou, Christine M. Szymanski, Arden Baylink, Bacterial chemotaxis in human diseases, Trends in Microbiology 31, 2023-05-01, עמ' 453–467 doi: 10.1016/j.tim.2022.10.007
- ^ Marc Erhardt, Strategies to Block Bacterial Pathogenesis by Interference with Motility and Chemotaxis, Cham: Springer International Publishing, 2016, עמ' 185–205, ISBN 978-3-319-49284-1. (באנגלית)
- ^ Evanthia T. Roussos, John S. Condeelis, Antonia Patsialou, Chemotaxis in cancer, Nature Reviews Cancer 11, 2011-08, עמ' 573–587 doi: 10.1038/nrc3078
- ^ Nathan Karin, Hila Razon, Chemokines beyond chemo-attraction: CXCL10 and its significant role in cancer and autoimmunity, Cytokine, Special issue: Chemokines - beyond chemotaxis 109, 2018-09-01, עמ' 24–28 doi: 10.1016/j.cyto.2018.02.012
- ^ M Eisenbach, Sperm chemotaxis, rep.bioscientifica.com, 01 Jan 1999
- ^ Wendy S. Vanden Berg-Foels, In Situ Tissue Regeneration: Chemoattractants for Endogenous Stem Cell Recruitment, Tissue Engineering Part B: Reviews 20, 2014-02, עמ' 28–39 doi: 10.1089/ten.teb.2013.0100
- ^ Julie L. Christensen, Douglas E. Wright, Amy J. Wagers, Irving L. Weissman, Circulation and Chemotaxis of Fetal Hematopoietic Stem Cells, PLOS Biology 2, 16 במרץ 2004, עמ' e75 doi: 10.1371/journal.pbio.0020075
