Inaugural Dissertation - Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

3. Biologische Grundlagen
3.4. Chemotaxis in Escherichia coli
Chemotaxis in Escherichia coli (E. coli) ist eine der am Besten studierten Modelsysteme für Signaltransduktion.
Obgleich die Chemotaxis auf der genetischen und biochemischen Ebene intensiv untersucht
wurde, bleibt das Antwortverhalten weitestgehend unerklärt. Fortschritte in Computermodellierung
und in quantitativer experimenteller Analyse lassen vermuten, dass kooperative Proteininteraktion
in Rezeptorclustern eine entscheidende Rolle in der Signalprozessierung bei der bakteriellen Chemotaxis
spielt [SB00b], [SB04]. Die ungefähre Größe der Rezeptorcluster wird auf 100-200nm
geschätzt [MS93], [SB00a] und liegt damit gerade unterhalb der Auflösungsgrenze von konfokalen
Laserrastermikroskopen (CLSM, engl.: Confocal Laser Scanning Microsrope). In dieser Arbeit wurde
optische Nanoskopie dazu verwendet, Strukturinformation von Rezeptorcluster unterhalb dieser
Auflösungsgrenze zu erhalten.
Chemische Schreck- und Lockstoffe aus der Zellumgebung werden von Rezeptoren wahrgenommen.
E. coli-Bakterien haben insgesamt fünf unterschiedliche Rezeptorproteine, wobei jeweils
zwei Monomereinheiten eines Rezeptortyps einen Dimer bilden, welcher sich wiederum mit Dimeren
anderer Rezeptoren zu Clustern zusammenfügt. Etwa 10 bis 30 solcher Cluster bilden große
sensorische Multiprotein-Komplexe und lokalisieren an den Zellpolen oder an zukünftigen Teilungsstellen
[MS93], [SB00a]. Dadurch kann ein Bakterium Einzelmolekülsensitivität erreichen. Die Gesamtzahl
der bis zu 10000 Rezeptoren ist stark individuumsabhängig [GGRD92], [MS93].
Die Bindung von Schreckstoffen erhöht die Autophosphorylierungsrate der Histidin-Kinase CheA,
welche über das Adapterprotein CheW an die Rezeptoren gekoppelt ist (Abb. 3.4.1). CheA-P gibt seine
Phosphatgruppe an den Antwortregulator CheY weiter, wodurch die Konzentration von CheY-P steigt.
CheY-P kann an das flagellare Schalterprotein FLiM am bakteriellen Motorkomplex binden, wodurch
eine Rotation des Flagellum im Uhrzeigersinn begünstigt induziert wird. Die Flagellen sind sich selbst
aufbauende molekulare Komplexe und sorgen aufgrund ihrer helikalen Struktur ausschließlich bei Drehung
gegen den Uhrzeigersinn für eine geradlinige Fortbewegung. Ist die Drehrichtung im Uhrzeigersinn
führt dies zu ungerichtetem Taumeln des Bakteriums. Ohne Einfluss von Schreck- oder Lockstoffen, ist
die Wahrscheinlichkeit für beide Drehrichtungen in etwa gleich, was zu einem unkorrelierten Wechsel
zwischen Schwimmen und Taumeln des Bakteriums führt. Mit der Konzentration von CheY-P steigt
somit auch die Wahrscheinlichkeit des Taumelns und damit erhöht sich bei steigender Schreckstoffkonzentration
die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Schwimmrichtung ändert. Würde CheY-P nicht
aktiv abgebaut werden, bliebe dessen Konzentration auch wenn keine Schreckstoffmoleküle mehr
vorhanden sind, lange konstant, was ein Verbleib im Taumelmodus zur Folge hätte. Allerdings sorgt die
Phosphatase CheZ im Signalpfad für eine schnelle Dephosphorylierung von CheY-P.
Binden hingegen Lockstoffe an die Rezeptoren, sinkt die Autophosphorylierungsrate von CheA und die
Konzentration von CheY-P nimmt ab.
Ohne weitere Komponenten in der Signalübertragung, wie die Proteine CheB und CheR, könnte das
Bakterium zwar aus nährstoffarmen Regionen heraus erhöhten Lockstoffkonzentrationen folgen, würde
aber bei gleichbleibender Sensorempfindlichkeit nicht in optimaler Umgebung bleiben. Da in optimaler
Umgebung weiterhin Lockstoffe vorhanden sind, bliebe der Modus des Schwimmens gegenüber dem
Taumelmodus begünstigt. Eine Anpassung der Sensorempfindlichkeit ermöglichen die Adapterenzyme
CheR und CheB durch Methylierung bzw. Demethylierung der Rezeptoren. Die Methylierung der
Rezeptoren erfolgt durch das Chemotaxisprotein CheR. Die Rezeptormethylierung sorgt bei hoher
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