Was sind die Hauptfunktionen von Zilien und Geißeln?

Zilien und Geißeln sind zwei verschiedene Arten von mikroskopischen Anhängseln auf Zellen. Zilien kommen sowohl bei Tieren als auch bei Mikroorganismen vor, jedoch nicht bei den meisten Pflanzen. Flagellen werden für die Mobilität von Bakterien sowie Gameten von Eukaryoten verwendet. Sowohl Zilien als auch Geißeln dienen der Fortbewegung, jedoch auf unterschiedliche Weise. Beide sind auf Dynein, ein Motorprotein, und Mikrotubuli angewiesen.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Zilien und Flagellen sind Organellen auf Zellen, die in lebenden Organismen für Antrieb, sensorische Geräte, Clearance-Mechanismen und zahlreiche andere wichtige Funktionen sorgen.

Cilia waren die ersten Organellen, die im späten 17. Jahrhundert von Antonie van Leeuwenhoek entdeckt wurden. Er beobachtete bewegliche (sich bewegende) Zilien, „kleine Beine“, die er als auf „Animalcules“ (wahrscheinlich Protozoen) beheimatet beschrieb. Unbewegliche Zilien wurden viel später mit besseren Mikroskopen beobachtet. Die meisten Flimmerhärchen existieren bei Tieren, in fast allen Zelltypen, die in der Evolution über viele Arten hinweg erhalten bleiben. Einige Flimmerhärchen können jedoch in Pflanzen in Form von Gameten gefunden werden. Zilien bestehen aus Mikrotubuli in einer Anordnung, die als Ziliaraxonem bezeichnet wird und von der Plasmamembran bedeckt ist. Der Zellkörper stellt Ziliarproteine ​​her und bewegt sie zur Spitze des Axonems; dieser Vorgang wird als intraziliarer oder intraflagellarer Transport (IFT) bezeichnet. Derzeit gehen Wissenschaftler davon aus, dass etwa 10 Prozent des menschlichen Genoms den Zilien und ihrer Entstehung gewidmet sind.

Zilien reichen von 1 bis 10 Mikrometer lang. Diese haarähnlichen Anhängselorganellen arbeiten, um Zellen sowie Materialien zu bewegen. Sie können Flüssigkeiten für Wassertiere wie Muscheln bewegen, um den Transport von Nahrung und Sauerstoff zu ermöglichen. Zilien helfen bei der Atmung in der Lunge von Tieren, indem sie das Eindringen von Schmutz und möglichen Krankheitserregern in den Körper verhindern. Zilien sind kürzer als Flagellen und konzentrieren sich in viel größerer Zahl. Sie neigen dazu, sich in einer Gruppe fast gleichzeitig in einem schnellen Strich zu bewegen, was einen Welleneffekt darstellt. Zilien können auch bei der Fortbewegung einiger Arten von Protozoen helfen. Es gibt zwei Arten von Zilien: bewegliche (bewegte) und nicht bewegliche (oder primäre) Zilien, die beide über IFT-Systeme funktionieren. Bewegliche Zilien befinden sich in den Atemwegen und in der Lunge sowie im Ohr. Unbewegliche Zilien befinden sich in vielen Organen.

Flagellen sind Anhängsel, die helfen, Bakterien und die Gameten von Eukaryoten sowie einige Protozoen zu bewegen. Flagellen neigen dazu, singulär zu sein, wie ein Schwanz. Sie sind typischerweise länger als Zilien. Bei Prokaryoten funktionieren Flagellen wie kleine Motoren mit Rotation. In Eukaryoten machen sie sanftere Bewegungen.

Zilien spielen sowohl im Zellzyklus als auch in der Tierentwicklung, beispielsweise im Herzen, eine Rolle. Zilien lassen selektiv bestimmte Proteine ​​​​ein, um richtig zu funktionieren. Zilien spielen auch eine Rolle bei der zellulären Kommunikation und beim molekularen Transport.

Motile Zilien besitzen eine 9+2-Anordnung von neun äußeren Mikrotubuli-Paaren, zusammen mit einem Zentrum von zwei Mikrotubuli. Bewegliche Flimmerhärchen nutzen ihre rhythmische Wellenbewegung, um Substanzen wegzuschwemmen, wie bei der Reinigung von Schmutz, Staub, Mikroorganismen und Schleim, um Krankheiten vorzubeugen. Aus diesem Grund existieren sie an den Auskleidungen der Atemwege. Bewegliche Zilien können extrazelluläre Flüssigkeit sowohl wahrnehmen als auch bewegen.

Nicht-bewegliche oder primäre Zilien entsprechen nicht der gleichen Struktur wie bewegliche Zilien. Sie sind als einzelne Anhängsel-Mikrotubuli ohne die zentrale Mikrotubuli-Struktur angeordnet. Sie besitzen keine Dyneinarme, daher ihre allgemeine Bewegungslosigkeit. Viele Jahre lang konzentrierten sich Wissenschaftler nicht auf diese primären Zilien und wussten daher wenig über ihre Funktionen. Unbewegliche Zilien dienen als sensorischer Apparat für Zellen und erkennen Signale. Sie spielen eine entscheidende Rolle in sensorischen Neuronen. Unbewegliche Zilien finden sich in den Nieren, um den Urinfluss zu spüren, sowie in den Augen auf den Photorezeptoren der Netzhaut. In Photorezeptoren transportieren sie lebenswichtige Proteine ​​vom inneren Segment des Photorezeptors zum äußeren Segment; ohne diese Funktion würden Photorezeptoren sterben. Wenn die Zilien einen Flüssigkeitsfluss spüren, führt dies zu Veränderungen des Zellwachstums.

Zilien bieten mehr als nur Clearance und sensorische Funktionen. Sie bieten auch Lebensräume oder Rekrutierungsgebiete für symbiotische Mikrobiome bei Tieren. Bei Wassertieren wie Tintenfischen können diese Schleimepithelgewebe direkter beobachtet werden, da sie häufig vorkommen und keine inneren Oberflächen sind. Auf Wirtsgeweben gibt es zwei verschiedene Arten von Zilienpopulationen: eine mit langen Zilien, die mitschwingen kleine Partikel wie Bakterien, aber größere ausschließen, und kürzer schlagende Flimmerhärchen, die sich in der Umgebung vermischen Flüssigkeiten. Diese Zilien rekrutieren Mikrobiom-Symbionten. Sie arbeiten in Zonen, die Bakterien und andere winzige Partikel in geschützte Zonen verlagern, während sie gleichzeitig Flüssigkeiten mischen und chemische Signale ermöglichen, damit Bakterien die gewünschte Region besiedeln können. Daher arbeiten Zilien, um Bakterien zu filtern, zu entfernen, zu lokalisieren, auszuwählen und zu aggregieren und die Adhäsion für Flimmeroberflächen zu kontrollieren.

Es wurde auch entdeckt, dass Zilien an der vesikulären Sekretion von Ektosomen beteiligt sind. Neuere Forschungen zeigen Wechselwirkungen zwischen Zilien und zellulären Signalwegen, die Einblicke in die zelluläre Kommunikation sowie in Krankheiten geben könnten.

Flagellen kommen in Prokaryoten und Eukaryoten vor. Sie sind lange Filament-Organellen, die aus mehreren Proteinen bestehen, die auf Bakterien bis zu 20 Mikrometer lang von ihrer Oberfläche entfernt sind. Typischerweise sind Geißeln länger als Zilien und sorgen für Bewegung und Vortrieb. Bakterielle Flagellen-Filament-Motoren können bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) drehen. Die Schwimmfähigkeit von Flagellen unterstützt ihre Funktion, sei es bei der Nahrungs- und Nährstoffsuche, der Fortpflanzung oder dem Eindringen von Wirten.

In Prokaryoten wie Bakterien dienen Flagellen als Antriebsmechanismen; Sie sind der Hauptweg für Bakterien, um durch Flüssigkeiten zu schwimmen. Ein Flagellum in Bakterien besitzt einen Ionenmotor für das Drehmoment, einen Haken, der das Motordrehmoment überträgt, und ein Filament oder eine lange schwanzartige Struktur, die das Bakterium antreibt. Der Motor kann sich drehen und das Verhalten des Filaments beeinflussen, indem er die Bewegungsrichtung des Bakteriums ändert. Wenn sich das Flagellum im Uhrzeigersinn bewegt, bildet es eine Superspule; mehrere Geißeln können ein Bündel bilden, und diese helfen, ein Bakterium auf einen geraden Weg zu treiben. Wenn es in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird, bildet das Filament eine kürzere Superspule und das Geißelbündel zerlegt sich, was zum Taumeln führt. Aufgrund fehlender hoher Auflösung für Experimente verwenden Wissenschaftler Computersimulationen, um die Bewegung von Geißeln vorherzusagen.

Das Ausmaß der Reibung in einer Flüssigkeit beeinflusst, wie das Filament supercoil wird. Bakterien können mehrere Geißeln beherbergen, wie beispielsweise bei Escherichia coli. Flagellen lassen Bakterien in eine Richtung schwimmen und sich dann nach Bedarf drehen. Dies funktioniert über die rotierende, spiralförmige Geißel, die verschiedene Methoden verwendet, einschließlich Schub- und Zugzyklen. Eine andere Bewegungsmethode wird erreicht, indem man den Zellkörper in einem Bündel umwickelt. Auf diese Weise können Flagellen auch zur Bewegungsumkehr beitragen. Wenn Bakterien auf schwierige Räume treffen, können sie ihre Position ändern, indem sie ihren Geißeln ermöglichen, ihre Bündel neu zu konfigurieren oder zu zerlegen. Dieser polymorphe Zustandsübergang ermöglicht unterschiedliche Geschwindigkeiten, wobei die Push- und Pull-Zustände typischerweise schneller sind als die Wrapped-Zustände. Dies hilft in verschiedenen Umgebungen; zum Beispiel kann das spiralförmige Bündel ein Bakterium mit Korkenziehereffekt durch viskose Bereiche bewegen. Dies hilft bei der bakteriellen Exploration.

Flagellen bieten Bewegung für Bakterien, bieten aber auch einen Mechanismus für pathogene Bakterien, um die Kolonisierung von Wirten und damit die Übertragung von Krankheiten zu unterstützen. Flagellen verwenden eine Twist-and-Stick-Methode, um Bakterien auf Oberflächen zu verankern. Flagellen fungieren auch als Brücken oder Gerüste für die Adhäsion an das Wirtsgewebe.

Eukaryotische Flagellen unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung von Prokaryoten. Flagellen in Eukaryoten enthalten viel mehr Proteine ​​und haben eine gewisse Ähnlichkeit mit beweglichen Zilien, mit den gleichen allgemeinen Bewegungs- und Kontrollmustern. Flagellen werden nicht nur für die Bewegung verwendet, sondern auch zur Unterstützung der Zellernährung und der eukaryontischen Reproduktion. Flagellen verwenden den intraflagellaren Transport, den Transport eines Proteinkomplexes, der für die Signalmoleküle erforderlich ist, die die Flagellenmobilität verleihen. Flagellen existieren auf mikroskopischen Organismen wie den Mastigophora-Protozoen, oder sie können in größeren Tieren vorkommen. Eine Reihe von mikroskopisch kleinen Parasiten besitzt auch Geißeln, die ihre Reise durch einen Wirtsorganismus unterstützen. Die Flagellen dieser Protistenparasiten tragen auch einen paraflagellaren Stab oder PFR, der die Anheftung an Vektoren wie Insekten unterstützt. Einige andere Beispiele für Flagellen in Eukaryoten sind die Schwänze von Gameten wie Sperma. Flagellen können auch in Schwämmen und anderen Wasserarten gefunden werden; Die Geißeln dieser Kreaturen helfen, Wasser zur Atmung zu bewegen. Eukaryotische Geißeln dienen auch fast als winzige Antennen oder Sinnesorganellen. Wissenschaftler beginnen erst jetzt, die Funktionsbreite eukaryotischer Geißeln zu verstehen.

Jüngste wissenschaftliche Entdeckungen haben ergeben, dass Mutationen oder andere Defekte im Zusammenhang mit Zilien eine Reihe von Krankheiten verursachen. Diese Zustände werden als Ziliopathien bezeichnet. Sie wirken sich stark auf Menschen aus, die darunter leiden. Einige Ziliopathien umfassen kognitive Beeinträchtigung, Netzhautdegeneration, Hörverlust, Anosmie (Verlust des Geruchssinns), kraniofaziale Anomalien, Lunge und Atemwege air Anomalien, Links-Rechts-Asymmetrie und damit verbundene Herzfehler, Pankreaszysten, Lebererkrankungen, Unfruchtbarkeit, Polydaktylie und Nierenanomalien wie Zysten, unter Andere. Darüber hinaus haben einige Krebsarten einen Zusammenhang mit Ziliopathien.

Einige Nierenerkrankungen im Zusammenhang mit Ziliendysfunktion umfassen Nephronophthise und sowohl die autosomal-dominante als auch die autosomal-rezessive polyzystische Nierenerkrankung. Fehlfunktionierende Zilien können die Zellteilung nicht stoppen, da der Urinfluss nicht erkannt wird, was zur Entwicklung von Zysten führt.

Beim Kartagener-Syndrom führt eine Dynein-Armdysfunktion zu einer wirkungslosen Reinigung der Atemwege von Bakterien und anderen Substanzen. Dies kann zu wiederholten Atemwegsinfektionen führen.

Beim Bardet-Biedl-Syndrom führt eine Zilienfehlbildung zu Problemen wie Netzhautdegeneration, Polydaktylie, Gehirnerkrankungen und Fettleibigkeit.

Nicht erbliche Erkrankungen können durch Schädigungen der Flimmerhärchen, beispielsweise durch Zigarettenreste, entstehen. Dies kann zu Bronchitis und anderen Problemen führen.

Krankheitserreger können auch die normale symbiotische Förderung von Bakterien durch Zilien übernehmen, wie z. B. bei Bordetella-Arten, die bewirkt eine Verringerung des Zilienschlags und ermöglicht somit dem Erreger, sich an ein Substrat anzuheften und zur Infektion des Menschen zu führen Atemwege.

Eine Reihe von bakteriellen Infektionen beziehen sich auf die Flagellenfunktion. Beispiele für pathogene Bakterien umfassen Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa und Campylobacter jejuni. Es treten eine Reihe von Wechselwirkungen auf, die dazu führen, dass Bakterien in das Wirtsgewebe eindringen. Flagellen fungieren als Bindungssonden, die auf dem Wirtssubstrat nach Kauf suchen. Einige Phytobakterien verwenden ihre Geißeln, um an Pflanzengeweben zu haften. Dies führt dazu, dass Produkte wie Obst und Gemüse zu sekundären Wirten für Bakterien werden, die Menschen und Tiere infizieren. Ein Beispiel ist Listeria monocytogenes und natürlich E. coli und Salmonellen sind berüchtigte Erreger von lebensmittelbedingten Krankheiten.

Helicobacter pylori verwendet sein Flagellum, um durch den Schleim zu schwimmen und in die Magenschleimhaut einzudringen, um der schützenden Magensäure zu entgehen. Schleimhäute wirken als Immunabwehr, um eine solche Invasion durch Bindung von Geißeln abzufangen, aber einige Bakterien finden mehrere Wege, um der Erkennung und dem Fang zu entgehen. Filamente von Flagellen können so abgebaut werden, dass der Wirt sie nicht mehr erkennen kann, oder ihre Expression und Motilität können ausgeschaltet werden.

Das Kartagener-Syndrom betrifft auch Flagellen. Dieses Syndrom stört die Dyneinarme zwischen den Mikrotubuli. Das Ergebnis ist Unfruchtbarkeit, da den Samenzellen der Antrieb fehlt, der von Flagellen benötigt wird, um zu Eiern zu schwimmen und sie zu befruchten.

Da Wissenschaftler mehr über Zilien und Geißeln erfahren und ihre Rolle in Organismen weiter aufklären, sollten neue Ansätze zur Behandlung von Krankheiten und zur Herstellung von Medikamenten folgen.