Flagellen: Typen, Funktion & Struktur

Zellmobilität ist eine Schlüsselkomponente für das Überleben vieler einzelliger Organismen und kann auch bei fortgeschritteneren Tieren wichtig sein. Zellen verwenden Flagellen für Fortbewegung Nahrung zu suchen und Gefahren zu entkommen. Die peitschenartigen Geißeln können gedreht werden, um die Bewegung über einen Korkenziehereffekt zu fördern, oder sie können wie Ruder wirken, um Zellen durch Flüssigkeiten zu reihen.

Flagellen kommen in Bakterien und in einigen Eukaryoten vor, aber diese beiden Arten von Flagellen haben eine unterschiedliche Struktur.

Ein bakterielles Flagellum hilft nützlichen Bakterien, sich durch den Organismus zu bewegen und hilft krankheitserregenden Bakterien, sich bei Infektionen auszubreiten. Sie können sich dorthin bewegen, wo sie sich vermehren können, und sie können einige der Angriffe des Immunsystems des Organismus vermeiden. Bei fortgeschrittenen Tieren bewegen sich Zellen wie Spermien mit Hilfe eines Flagellums.

In jedem Fall ermöglicht die Bewegung der Geißeln der Zelle, sich in eine allgemeine Richtung zu bewegen.

Flagellen für Prokaryoten wie Bakterien bestehen aus drei Teilen:

1. Das Filament des Flagellums ist eine hohle Röhre aus einem Flagellenprotein namens Geißel.
2. An der Basis des Filaments ist a flexibler Haken die das Filament mit der Basis koppelt und als Universalgelenk wirkt.
3. Das Basalkörper besteht aus einem Stab und einer Reihe von Ringen, die das Flagellum an der Zellwand und der Plasmamembran verankern.

Das Flagellenfilament entsteht durch den Transport des Proteins Flagellin von den Zellribosomen durch den hohlen Kern zur Spitze, wo das Flagellin ansetzt und das Filament wachsen lässt. Der Basalkörper bildet die Motor- des Flagellums, und der Haken verleiht der Drehung einen Korkenziehereffekt.

Die Bewegung von eukaryotische Flagellen und denen von prokaryotischen Zellen ist ähnlich, aber die Struktur des Filaments und der Rotationsmechanismus sind unterschiedlich. Der Basalkörper eukaryotischer Flagellen ist am Zellkörper verankert, dem Flagellum fehlen jedoch ein Stab und Scheiben. Stattdessen ist das Filament fest und besteht aus Paare von Mikrotubuli.

Die Tubuli sind als neun Doppelröhrchen um ein zentrales Röhrchenpaar in einer 9+2-Formation angeordnet. Die Tubuli bestehen aus lineare Proteinstränge um ein hohles Zentrum. Die Doppelrohre teilen sich eine gemeinsame Wand, während die Mittelrohre unabhängig sind.

Proteinspeichen, -achsen und -glieder verbinden die Mikrotubuli entlang der Länge des Filaments. Anstelle einer Bewegung, die an der Basis durch rotierende Ringe erzeugt wird, kommt die Geißelbewegung aus der Interaktion der Mikrotubuli.

Obwohl bakterielle Flagellen und solche von eukaryontischen Zellen eine unterschiedliche Struktur haben, wirken sie beide durch eine Rotationsbewegung des Filaments, um die Zelle anzutreiben oder Flüssigkeiten an der Zelle vorbei zu bewegen. Kürzere Filamente neigen dazu, sich hin und her zu bewegen, während längere Filamente eine kreisförmige Spiralbewegung haben.

Bei bakteriellen Flagellen dreht sich der Haken am unteren Ende des Filaments, wo er an der Zellenwand und Plasma Membran. Die Drehung des Hakens führt zu einer propellerartigen Bewegung der Geißeln. Bei eukaryotischen Flagellen ist die Rotationsbewegung auf die sequentielle Biegung des Filaments zurückzuführen.

Die resultierende Bewegung kann zusätzlich zur Rotation peitschenartig sein.

Unter dem Haken bakterieller Flagellen ist die Basis des Flagellums durch eine Reihe von Ringen, die von Proteinketten umgeben sind, an der Zellwand und der Plasmamembran der Zelle befestigt. Eine Protonenpumpe erzeugt einen Protonengradienten über den niedrigsten der Ringe und der elektrochemische Gradient treibt die Rotation durch a. an Protonenbewegungskraft.

Wenn Protonen aufgrund der Protonenantriebskraft über die unterste Ringgrenze diffundieren, dreht sich der Ring und der daran befestigte Fadenhaken dreht sich. Die Drehung in eine Richtung führt zu einer kontrollierten Vorwärtsbewegung des Bakteriums. Eine Drehung in die andere Richtung bewirkt, dass sich die Bakterien in einer zufälligen Taumelbewegung bewegen.

Die resultierende bakterielle Motilität in Kombination mit der Änderung der Rotationsrichtung erzeugt eine Art Random Walk, der es der Zelle ermöglicht, in einer allgemeinen Richtung viel Boden zu bedecken.

Die Basis des Flagellums eukaryontischer Zellen ist fest mit dem Zellmembran und die Geißeln biegen sich eher als sich drehen. Proteinketten genannt dynein sind an einigen der doppelten Mikrotubuli befestigt, die in radialen Speichen um die Geißelfilamente herum angeordnet sind.

Die Dynein-Moleküle nutzen Energie aus Adenosintriphosphat (ATP), ein Energiespeichermolekül, um Biegebewegungen in den Flagellen zu erzeugen.

Die Dynein-Moleküle bewirken, dass sich die Geißeln biegen, indem sie die Mikrotubuli gegeneinander auf- und abbewegen. Sie lösen eine der Phosphatgruppen von den ATP-Molekülen und nutzen die freigesetzte chemische Energie, um einen der Mikrotubuli zu greifen und gegen den Tubulus zu bewegen, an dem sie befestigt sind.

Durch Koordinieren einer solchen Biegewirkung kann die resultierende Filamentbewegung drehend oder hin und her sein.

Während Bakterien im Freien und auf festen Oberflächen längere Zeit überleben können, wachsen und vermehren sie sich in Flüssigkeiten. Typische flüssige Umgebungen sind nährstoffreiche Lösungen und das Innere fortgeschrittener Organismen.

Viele dieser Bakterien, wie die in der Darm von Tieren, sind von Vorteil, aber sie müssen in der Lage sein, die benötigten Nährstoffe zu finden und gefährliche Situationen zu vermeiden.

Geißeln ermöglichen es ihnen, sich in Richtung Nahrung zu bewegen, weg von gefährlichen Chemikalien und sich auszubreiten, wenn sie sich vermehren.

Nicht alle Bakterien im Darm sind von Vorteil. H. pyloriZB ist ein begeißeltes Bakterium, das Magengeschwüre verursacht. Es verlässt sich auf Flagellen, um sich durch den Schleim des Verdauungssystems zu bewegen und Bereiche zu vermeiden, die zu sauer sind. Wenn es einen günstigen Platz findet, vermehrt es sich und nutzt Geißeln zur Ausbreitung.

Studien haben gezeigt, dass die H. pylori Flagellen sind ein Schlüsselfaktor für die Infektiosität der Bakterien.

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Bakterien lassen sich nach Nummer und Ort ihrer Flagellen. Monotrich Bakterien haben ein einzelnes Flagellum an einem Ende der Zelle. Lophotrich Bakterien haben an einem Ende mehrere Geißeln.

Peritrich Bakterien haben sowohl seitliche Geißeln als auch Geißeln an den Enden der Zelle, während amphitrich Bakterien können an beiden Enden eine oder mehrere Geißeln aufweisen.

Die Anordnung der Geißeln beeinflusst, wie schnell und wie sich das Bakterium fortbewegen kann.

Eukaryontische Zellen mit Kern und Organellen kommen in höheren Pflanzen und Tieren vor, aber auch als Einzeller. Eukaryotische Geißeln werden von primitiven Zellen verwendet, um sich fortzubewegen, aber sie können auch bei fortgeschrittenen Tieren gefunden werden.

Bei einzelligen Organismen dienen die Geißeln zum Auffinden von Nahrung, zur Verbreitung und zur Flucht vor Fressfeinden oder ungünstigen Bedingungen. Bei fortgeschrittenen Tieren verwenden bestimmte Zellen ein eukaryotisches Flagellum für spezielle Zwecke.

Zum Beispiel die grüne AlgenChlamydomonas reinhardtii verwendet zwei Algengeißeln, um sich durch das Wasser von Seen und Flüssen oder den Boden zu bewegen. Es beruht darauf, dass sich diese Bewegung nach der Reproduktion ausbreitet und wird auf der ganzen Welt verbreitet.

Bei höheren Tieren ist die Samenzelle ist ein Beispiel für eine mobile Zelle, die eukaryotische Geißeln für die Bewegung verwendet. Auf diese Weise bewegen sich Spermien durch den weiblichen Fortpflanzungstrakt, um die Eizelle zu befruchten und die sexuelle Fortpflanzung zu beginnen.