A prokarióták csillójának felépítése és működése

A természetben a mikrobasejtek többsége aktív mozgása révén gyakran új energia és tápanyagforrásokat képes hasznosítani. A prokarióták körében többféle mozgásmódot különböztethetünk meg, melyek közül a legelterjedtebb és a legjobban ismert a folyékony közegben csillókkal végzett úszómozgás.

A bakteriális csillók egyik végükön a sejt meghatározott részéhez kapcsolódó vékony, 15-20 nm átmérőjű és rendszerint a sejt hosszát akár többszörösen is meghaladó hosszúságú, fehérjékből felépülő sejtfelszíni képződmények. Az egyes baktériumfajok különböznek egymástól a csilló(k) számát és elhelyezkedését tekintve.

Az ún. csillózati típus a rendszertani besorolásnál fontos morfológiai bélyeg. Egyetlen különálló csilló azonban csak speciális csillófestési (a csilló átmérőjét megnövelő) eljárást követően vizsgálható fénymikroszkóppal, mivel a csilló átmérője kisebb, mint a fénymikroszkópok felbontóképessége. A csillók száma baktériumfajtól függően egy és néhány száz között változhat. Elhelyezkedése alapján lehet poláris (a sejt hossztengelyének végén), laterális (a sejt hossztengelye mentén középen) vagy a sejtfelszínen bárhol elhelyezkedő. A leggyakoribb csillózati típusok a következők (3.5/1. ábra): monotrich (polárisan vagy laterálisan egy csilló, pl.Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus), amfitrich (a sejt ellentétes pólusain egy-egy csilló, pl.Alcaligenes faecalis), lofotrich (a sejt egyik pólusán több csilló, pl.Thiospirillum jenense), amfilofotrich vagy lofoamfitrich (a sejt mindkét pólusán több csilló, pl. Spirillum serpens) és peritrich (a sejt felszínén mindenütt, pl. Bacillus subtilis, E. coli, Salmonellatyphimurium). A nagyméretű poláris monotrich csillót flagellumnak is szokták nevezni.

3.5/1. ábra. A baktériumsejtek főbb csillózati típusai (A, monotrich; B, amfitrich; C, lofotrich; D, amfilofotrich; E, peritrich)

A különböző csillózati típussal rendelkező baktériumok fénymikroszkóppal megfigyelhető mozgásmódja eltérő.

A peritrich csillózatú szervezetek általában lassú, egyenes vagy enyhén görbült vonalú mozgással jellemezhetők (3.5/1. animáció).

3.5/1. animáció. Peritrich csillózatú baktériumok mozgása (Felvétel: Lovas Béla)

A poláris csillóval rendelkező szervezetek ezzel szemben gyors, egyik helyről a másikra irányuló cikázó mozgást végeznek (3.5/2. animáció).

3.5/2. animáció. Egy lofotrich csillózatú baktérium csillókötegének csapkodása (Felvétel: Lovas Béla)

A csillómozgás sebessége általában genetikailag meghatározott tulajdonság, mivel az ugyanolyan sejtméretű, de különböző fajokba sorolt baktériumoknak eltérő a maximum sebessége.

A baktériumok csillója három részből áll (3.5/2A. ábra): a sejtfelszínhez közvetlenül kapcsolódó alapi testből, egy kampónak nevezett, rugalmas és görbült összekötő részből, továbbá a sejt felszínéről a környezetbe nyúló, a kampónál merevebb fonalból (filamentum).

A filamentum rendszerint közvetlenül érintkezik a baktériumsejt környezetével, bár egyes fajoknál (pl. Vibrio cholerae, Helicobacter pylori) egy a sejtfelszíni S-layerből származó hüvely burkolhatja. A „spirális” lefutású filamentumnak számos típusát különböztethetjük meg egymástól. Salmonella fajokban lehet pl. normális (balmenetes), hullámos (jobbmenetes), feltekeredett (balmenetes), félig feltekeredett (jobbmenetes) és egyenes.

A környezeti feltételek (pl. hőmérséklet, pH, a környező közeg sókoncentrációja) változásának hatására a filamentum

többféle spirális alakot vehet fel, ami nemcsak a spirál menetemelkedésének módosulását, hanem a menetirány felcserélődését is magába foglalhatja. Genetikai változások, pl. a flagellin fehérjében végbemenő pontmutációk is hozzájárulhatnak a spirális alak megváltozásához, bár egyes mutáns formák, pl. az egyenes fonal már nem képes újra spirálissá alakulni. A Proteobacteria törzsbe tartozó egyes (pl.Vibrio,Aeromonas) baktériumfajoknál kétféle csillózati típus is megfigyelhető, melyek felépülését és működését különböző gének szabályozzák. A konstitutív kifejeződésű poláris csillók a baktériumsejtek híg folyékony közegben való mozgását biztosítják, míg a laterális csillók átíródása akkor történik, ha a baktériumsejtek poláris csillója a viszkózusabb közeg miatt nagyobb ellenállásba ütközik. A laterális csillók segítségével a baktériumsejtek felülethez kötött rajzó mozgást is végezhetnek.

3.5/2A-B. ábra. A Gram-negatív sejtfalszerkezettel rendelkező baktériumok csillójának felépítése (LPS, lipopoliszacharid; KM, külső membrán; LP, lipoprotein; PP, periplazmatikus tér; PG, peptidoglikán; CM,

citoplazmamembrán; CP, citoplazma)

A filamentum a legtöbb baktériumban egyfajta, 20-60 kDa tömegű, ún. flagellin fehérjéből épül fel (3.5/2B. ábra).

Az aminosav sorrend a globuláris flagellin fehérjék mindkét terminális régiójában konzervatív, ezzel szemben a

központi régió nemcsak az ugyanabba a nemzetségbe tartozó baktériumfajok, hanem a törzsek között is meglehetősen változatos, ami pl. aSalmonellafajok esetében több száz csilló szerotípus (H antigén) kialakulását eredményezi.

A flagellin fehérjék terminális régióiban létrejövő kötések révén alakul ki a rendkívül stabil filamentum. A flagellin fehérjék terminális régiói a hengeres szerkezetű filamentum belsejében, míg a variábilis régiók a külső felületén találhatók. A flagellin fehérjék megfelelőin vivoösszeáőülését a filamentum disztális végén lévő, ún. sapka fehérje (HAP2 vagy FliD) segíti.

A kampó, ahogy arra a neve is utal, élesen, csaknem derékszögben ívelt (3.5/2B. ábra) és a filamentumnál sokkal rövidebb (55±6 nm). A kampó a filamentumhoz hasonlóan egyetlen fajta, körülbelül 400 aminosavból álló fehérjéből (FlgE) épül fel. A kampó fehérjékre, a flagellin fehérjékhez hasonlóan, a terminális konzervatív és a központi variábilis aminosav sorrend jellemző. A kampó fehérjékin vivoösszeépülését az FlgD fehérje segíti. A kampó és a filamentum találkozásánál további két fehérje (FlgK/HAP1 és FlgL/HAP3) található, melyek a filamentum stabilizálásában kapnak szerepet.

Az alapi test a kampó folytatásaként egy tengelypálcából és az erre felfűződő gyűrűkből áll (3.5/2B. ábra). A tengelypálca szerkezetileg két részre tagolódik: a háromféle fehérjéből (FlgB, FlgC és FlgF) felépülő proximális (alapi test felőli) részre és a 10 nm hosszúságú, FlgG fehérjéből álló disztális (kampó felőli) részre. A Gram-negatív sejtfalszerkezettel rendelkező baktériumokban négy (két pár), míg a Gram-pozitívokban kettő (egy pár) gyűrű található. A fordított csészealjra emlékeztető C gyűrű a citoplazma felől kapcsolódik a membránhoz, és háromféle fehérjéből (FliG, FliM és FliN) épül fel. Közülük a FliG fehérje közvetlenül az M gyűrű citoplazma felőli részéhez kapcsolódik, a FliM fehérje a FliG-hez, míg a FliN fehérje a FliM-hez. A C gyűrű a csillómozgás során váltóként működik, és elsődleges szerepe az alapi test forgási irányának megváltoztatásában rejlik. Emellett részt vesz a csilló képződésében és a csillómozgás során a forgatónyomaték kialakításában is. A csillót felépítő fehérjék közül a legnagyobb méretű (65 kDa) FliF vesz részt a citoplazmamembránban egymás felé forduló MS-gyűrűkomplex, valamint a tengelypálca egy részének felépítésében. Az MS-gyűrűkomplex aS. typhimuriumban összesen 26 alegységből áll, és nem tartalmaz ciszteint. A külső gyűrűpárt alkotó P- és L-gyűrűk a Gram-negatív sejtfalszerkezettel rendelkező baktériumok sejtfalának peptidoglikán és lipopoliszacharid rétegében rögzülnek, jelentőségük a csillószerkezet stabilitásának biztosításában van. A csilló képződése során a P-gyűrű kialakulása mindig megelőzi az L-gyűrű létrejöttét. A csillószintézis eredményeképpen kialakult PL-gyűrűkomplex a pH és a hőmérsékletváltozás hatásának rendkívül ellenálló. Az alapi test részeként a belső gyűrűpárt egy sor Mot fehérje veszi körül.

A baktériumok csillója egy forgó és egy álló részből álló parányi forgó motor. A forgó rész (rotor) a tengelypálcát és a hozzá kapcsolódó gyűrűket foglalja magába, míg az álló rész (stator) a Mot fehérjékből áll (3.5/2A. ábra). A csillómozgáshoz szükséges energia a sejtmembrán két oldala közötti protonmozgató erőből (PME) származik. A PME két energiaforrásból tevődik össze, a membrán külső és belső oldala közt kialakult töltés különbségből, valamint a pH értékek eltéréséből. A bakteriális csilló esetében nem ismert pontosan, hogy a mozgáshoz szükséges forgatónyomaték kialakulását a protonoknak az alapi testen történő közvetlen áthaladása eredményezi vagy a protonoknak a C gyűrű közelében történő áramlása által előidézett konformáció változás vezet a forgómozgás kialakulásához. A napjainkban legvalószínűbbnek tartott proton turbina modell szerint (3.5/2A. ábra) a protonok a Mot fehérjék által képzett protonvezető csatornácskákon keresztül áramlanak a sejt periplazmatikus oldaláról a citoplazma felé, miközben elektrosztatikus vonzást gyakorolnak az ellentétes töltéssel rendelkező, spirális elrendeződésű rotor fehérjékre. Ily módon a periplazmatikus protonoknak a Mot fehérjék segítségével végbemenő szabályozott sejtbe való visszaáramlása biztosítja az alapi test forgó részeinek rotációját. Ez az alapi testből kiinduló forgó mozgás a kampó segítségével továbbítódik a filamentumhoz. A csilló egyszeri rotációjához átlagosan 1000 protonnak a citoplazmába való beáramlására van szükség, vagyis a csillómozgás meglehetősen energiaigényes folyamat.

A baktériumok az aktuális PME függvényében változó sebességű csillómozgásra képesek. A csilló fordulatszáma korrelációt mutat a forgatónyomatékkal, és fordítottan arányos a közeg viszkozitásával. Egy fordulatszám-forgatónyomaték diagramon a korreláció pozitív meredekségű egyenes vonalként jelenik meg, vagyis minél nagyobb a közeg viszkozitása annál kisebb a baktérium sebessége. Az eddig mért legnagyobb bakteriális csilló fordulatszám 1700 Hz (V. alginolyticus). A forgatónyomatéknak azonban csak töredéke (átlagosan 10%-a) hasznosul propulziós (előre hajtó) erőként, a többi elvész a csilló közegellenállása miatt. Általánosan jellemző, hogy a poláris csillójú baktériumok gyorsabb (>100 µm/s) mozgásra képesek, mint a peritrich csillózatúak (<20 µm/s). (A csilló alapi testjének rotorja másodpercenként akár 300 fordulatra is képes, ami a baktériumsejtet folyékony közegben 60 sejthossz/s sebességgel hajtja előre. Ez a látszólag jelentéktelennek tűnő sebesség viszonyítás kérdése. A leggyorsabb állatnak tartott gepárd ugyanis maximum 25 testhossz/s sebességgel képes futni, vagyis ha a méreteket

is figyelembe vesszük, akkor egy baktériumsejt több mint kétszer olyan gyorsan tud úszni, mint amilyen gyors mozgásra a leggyorsabb állat képes!)

A spirochaeták (pl. Leptospira, Borrelia,Treponema fajok) a periplazmatikus térben elhelyezkedő, ún. belső csillókkal rendelkeznek (3.5/3. ábra), melyek segítségével erősen viszkózus, gélszerű közegben (pl. kötőszövetben vagy szennyvíz iszapban) is képesek mozgásra (3.5/3. animáció).

3.5/3. animáció. Spirochaeta baktérium mozgása (Felvétel: Lovas Béla)

A belső csillók rendszerint a protoplazma henger egyik vagy mindkét pólusán rögzülnek. Utóbbi esetben a sejt középpontja felé rendeződnek, ahol egymással átfedésbe is kerülhetnek. A protoplazmahenger körül feltekeredő csillóköteget egy külső membrán burkolja. A spirochaeták belső csillójának alapvető felépítése hasonlít a többi baktérium csillójához. Egy axiális filamentumból és egy rögzítő részből áll, amelyikben egy nyaki részt, gallérképleteket és egy kampót különíthetünk el.

3.5./3. ábra. A spirochaeták belső csillójának felépítése

A csillóval végzett aktív mozgás a prokarióták között az ősbaktériumok körében is széles körben elterjedt. A metanogén, az extrém halofil, a termoacidofil és a hipertermofil nemzetségek képviselői között egyaránt találhatunk csillóval rendelkező szervezeteket. A baktériumoktól eltérően az ősbaktériumokban a filamentum felépítésében nem egy, hanem számos különféle flagellin fehérje vesz részt, melyek leginkább a baktériumok IV típusú pilusához hasonlítanak. Az ősbaktériumok csillója vékonyabb, mint a baktériumoké, átmérője rendszerint 10-13 nm. A halobaktériumokkal végzett kutatások azt mutatják, hogy ezek a szervezetek azE. colisebességének mindössze egy tizedére képesek, ami a kisebb csilló átmérővel magyarázható, ugyanis ezzel kisebb forgatónyomaték jön létre, ami lassúbb mozgást eredményez. Ugyanezen kutatási eredmények arra is rávilágítottak, hogy aHalobacterium nemzetségben a csillómozgáshoz szükséges energiát nem a PME, hanem az ATP biztosítja. Mindezek alapján valószínűsíthető, hogy a csillómozgásra való képesség a két domén (Bacteria és Archaea) mintegy 3 milliárd évvel ezelőtti szétválását követően eltérő utakon fejlődhetett.

A baktériumokban számos (E. coliban ésS. typhimuriumban >50) gén vesz részt a csillómozgás (beleértve a csilló felépítésében résztvevő fehérjék szintézisét és citoplazmamembránon keresztüli transzportját) kialakításában és szabályozásában. Az új csilló szintézise a citoplazmamembránba épülő MS és C gyűrűk szintézisével veszi kezdetét, majd további rögzítő fehérjéknek (PL-gyűrűkomplex) és a kampónak a szintézisével folytatódik. A filamentum kialakulása csak ezt követően megy végbe. A citoplazmában szintetizálódó és a filamentum felépítésében résztvevő globuláris flagellin fehérjék a tengelypálca és a kampó belsejében lévő mintegy 3 nm átmérőjű csatornán keresztül jutnak ki a sejtből, ahol a sapka fehérjék segítségével történik a bakteriális csillóra jellemző szerkezet kialakítása.

A csilló szintézise addig folytatódik, amíg a filamentum felépítésében résztvevő közel 20000 flagellin fehérje a helyére nem kerül. A letört vagy sérült csillók regenerációja az új csillók szintéziséhez hasonlóan történik.