Quali sono le principali funzioni di Ciglia e Flagelli?

Ciglia e flagelli sono due diversi tipi di appendici microscopiche sulle cellule. Le ciglia si trovano sia negli animali che nei microrganismi, ma non nella maggior parte delle piante. I flagelli sono usati per la mobilità nei batteri e nei gameti degli eucarioti. Sia le ciglia che i flagelli svolgono funzioni di locomozione, ma in modi diversi. Entrambi si affidano alla dineina, che è una proteina motoria, e ai microtubuli per funzionare.

TL; DR (troppo lungo; non letto)

Ciglia e flagelli sono organelli sulle cellule che forniscono propulsione, dispositivi sensoriali, meccanismi di eliminazione e numerose altre importanti funzioni negli organismi viventi.

Cilia furono i primi organelli scoperti, da Antonie van Leeuwenhoek alla fine del XVII secolo. Osservò ciglia mobili (in movimento), "piccole gambe", che descrisse come residenti su "animali" (probabilmente protozoi). Le ciglia non mobili sono state osservate molto più tardi con microscopi migliori. La maggior parte delle ciglia esiste negli animali, in quasi ogni tipo di cellula, conservata in molte specie in evoluzione. Tuttavia, alcune ciglia possono essere trovate nelle piante sotto forma di gameti. Le ciglia sono costituite da microtubuli in una disposizione chiamata assonema ciliare, che è coperta dalla membrana plasmatica. Il corpo cellulare produce proteine ​​ciliari e le sposta sulla punta dell'assonema; questo processo è chiamato trasporto intraciliare o intraflagellare (IFT). Attualmente, gli scienziati pensano che circa il 10% del genoma umano sia dedicato alle ciglia e alla loro genesi.

Le ciglia variano da 1 a 10 micrometri di lunghezza. Questi organelli di appendici simili a capelli lavorano per spostare le cellule e per spostare i materiali. Possono spostare fluidi per specie acquatiche come le vongole, per consentire il trasporto di cibo e ossigeno. Le ciglia aiutano con la respirazione nei polmoni degli animali impedendo a detriti e potenziali agenti patogeni di invadere il corpo. Le ciglia sono più corte dei flagelli e si concentrano in numero molto maggiore. Tendono a muoversi di colpo veloce quasi contemporaneamente in gruppo, costituendo un effetto onda. Le ciglia possono anche aiutare nella locomozione di alcuni tipi di protozoi. Esistono due tipi di ciglia: ciglia mobili (in movimento) e non mobili (o primarie), ed entrambe funzionano tramite sistemi IFT. Le ciglia mobili risiedono nelle vie aeree, nei polmoni e all'interno dell'orecchio. Le ciglia non mobili risiedono in molti organi.

I flagelli sono appendici che aiutano a spostare i batteri e i gameti degli eucarioti, così come alcuni protozoi. I flagelli tendono ad essere singolari, come una coda. In genere sono più lunghi delle ciglia. Nei procarioti, i flagelli funzionano come piccoli motori con rotazione. Negli eucarioti, fanno movimenti più fluidi.

Le ciglia svolgono ruoli nel ciclo cellulare e nello sviluppo degli animali, come nel cuore. Le cilia consentono selettivamente a determinate proteine ​​di funzionare correttamente. Le ciglia svolgono anche un ruolo di comunicazione cellulare e traffico molecolare.

Le ciglia mobili possiedono una disposizione 9 + 2 di nove coppie di microtubuli esterni, insieme a un centro di due microtubuli. Le ciglia mobili usano la loro ondulazione ritmica per spazzare via le sostanze, come per eliminare sporco, polvere, microrganismi e muco, per prevenire le malattie. Questo è il motivo per cui esistono sui rivestimenti delle vie respiratorie. Le ciglia mobili possono sia percepire che spostare il fluido extracellulare.

Le ciglia non mobili o primarie non sono conformi alla stessa struttura delle ciglia mobili. Sono disposti come singoli microtubuli di appendice senza la struttura centrale dei microtubuli. Non possiedono braccia di dineina, da qui la loro generale non motilità. Per molti anni, gli scienziati non si sono concentrati su queste ciglia primarie e quindi sapevano poco delle loro funzioni. Le ciglia non mobili fungono da apparato sensoriale per le cellule, rilevando i segnali. Svolgono ruoli cruciali nei neuroni sensoriali. Le ciglia non mobili si trovano nei reni per rilevare il flusso di urina, così come negli occhi sui fotorecettori della retina. Nei fotorecettori, funzionano per trasportare proteine ​​vitali dal segmento interno del fotorecettore al segmento esterno; senza questa funzione, i fotorecettori morirebbero. Quando le ciglia percepiscono un flusso di fluido, ciò porta a cambiamenti nella crescita cellulare.

Le cilia forniscono più delle sole funzioni di autorizzazione e sensoriali. Forniscono anche habitat o aree di reclutamento per i microbiomi simbionti negli animali. Negli animali acquatici come i calamari, questi tessuti epiteliali del muco possono essere osservati più direttamente in quanto sono comuni e non sono superfici interne. Sui tessuti dell'ospite esistono due diversi tipi di popolazioni di ciglia: una con ciglia lunghe che ondeggiano lungo piccole particelle come i batteri ma escludono quelle più grandi e ciglia più corte che si mescolano all'ambiente fluidi. Queste ciglia lavorano per reclutare i simbionti del microbioma. Funzionano in zone che spostano batteri e altre minuscole particelle in zone riparate, mescolando anche fluidi e facilitando i segnali chimici in modo che i batteri possano colonizzare la regione desiderata. Pertanto le ciglia lavorano per filtrare, eliminare, localizzare, selezionare e aggregare i batteri e controllare l'adesione per le superfici ciliate.

È stato anche scoperto che le ciglia partecipano alla secrezione vescicolare degli ectosomi. Ricerche più recenti rivelano interazioni tra ciglia e percorsi cellulari che potrebbero fornire informazioni sulla comunicazione cellulare e sulle malattie.

I flagelli possono essere trovati nei procarioti e negli eucarioti. Sono organelli a filamento lungo costituiti da diverse proteine ​​che raggiungono una lunghezza di 20 micrometri dalla loro superficie sui batteri. Tipicamente, i flagelli sono più lunghi delle ciglia e forniscono movimento e propulsione. I motori a filamento di flagelli batterici possono girare alla velocità di 15.000 giri al minuto (rpm). La capacità di nuoto dei flagelli aiuta nella loro funzione, che si tratti di cercare cibo e sostanze nutritive, riprodursi o invadere gli ospiti.

Nei procarioti come i batteri, i flagelli fungono da meccanismi di propulsione; sono il modo principale per i batteri di nuotare attraverso i fluidi. Un flagello nei batteri possiede un motore ionico per la coppia, un gancio che trasmette la coppia del motore e un filamento, o una lunga struttura a forma di coda che spinge il batterio. Il motore può girare e influenzare il comportamento del filamento, cambiando il senso di marcia del batterio. Se il flagello si muove in senso orario forma un superavvolgimento; diversi flagelli possono formare un fascio e questi aiutano a spingere un batterio su un percorso rettilineo. Quando ruotato nella direzione opposta, il filamento forma un superavvolgimento più corto e il fascio di flagelli si smonta, provocando la caduta. A causa della mancanza di un'alta risoluzione per gli esperimenti, gli scienziati utilizzano simulazioni al computer per prevedere il movimento flagellare.

La quantità di attrito in un fluido influenza il modo in cui il filamento si superavvolge. I batteri possono ospitare diversi flagelli, come con Escherichia coli. I flagelli consentono ai batteri di nuotare in una direzione e poi girarsi secondo necessità. Funziona tramite il flagello rotante ed elicoidale, che utilizza vari metodi tra cui i cicli di spinta e trazione. Un altro metodo di movimento si ottiene avvolgendo il corpo cellulare in un fascio. In questo modo, i flagelli possono anche aiutare a invertire il movimento. Quando i batteri incontrano spazi difficili, possono cambiare posizione consentendo ai loro flagelli di riconfigurare o smontare i loro fasci. Questa transizione di stato polimorfico consente velocità diverse, con gli stati push e pull in genere più veloci degli stati avvolti. Questo aiuta in diversi ambienti; ad esempio, il fascio elicoidale può spostare un batterio attraverso aree viscose con un effetto cavatappi. Questo aiuta nell'esplorazione batterica.

I flagelli forniscono movimento per i batteri ma forniscono anche un meccanismo per i batteri patogeni per aiutare a colonizzare gli ospiti e quindi a trasmettere malattie. I flagelli utilizzano un metodo a rotazione e incolla per ancorare i batteri sulle superfici. I flagelli funzionano anche come ponti o impalcature per l'adesione al tessuto ospite.

I flagelli eucarioti divergono dai procarioti nella composizione. I flagelli negli eucarioti contengono molte più proteine ​​e presentano alcune somiglianze con le ciglia mobili, con lo stesso movimento generale e schemi di controllo. I flagelli sono usati non solo per il movimento, ma anche per favorire l'alimentazione cellulare e la riproduzione eucariotica. I flagelli utilizzano il trasporto intraflagellare, che è il trasporto di un complesso di proteine ​​necessarie per le molecole di segnalazione che danno mobilità ai flagelli. I flagelli esistono su organismi microscopici come i protozoi Mastigophora, oppure possono esistere all'interno di animali più grandi. Un certo numero di parassiti microscopici possiede anche flagelli, che aiutano il loro viaggio attraverso un organismo ospite. I flagelli di questi parassiti protisti portano anche un'asta paraflagellare o PFR, che aiuta ad attaccarsi a vettori come gli insetti. Alcuni altri esempi di flagelli negli eucarioti includono le code dei gameti come lo sperma. I flagelli si trovano anche nelle spugne e in altre specie acquatiche; i flagelli in queste creature aiutano a spostare l'acqua per la respirazione. I flagelli eucarioti servono anche quasi come minuscole antenne o organelli sensoriali. Gli scienziati stanno iniziando solo ora a comprendere l'ampiezza della funzione dei flagelli eucarioti.

Recenti scoperte scientifiche hanno scoperto che le mutazioni o altri difetti legati alle ciglia causano una serie di malattie. Queste condizioni sono indicate come ciliopatie. Colpiscono profondamente le persone che ne soffrono. Alcune ciliopatie includono deterioramento cognitivo, degenerazione retinica, perdita dell'udito, anosmia (perdita dell'olfatto), anomalie craniofacciali, polmoni e vie aeree anomalie, asimmetria sinistra-destra e relativi difetti cardiaci, cisti pancreatiche, malattie del fegato, infertilità, polidattilia e anomalie renali come le cisti, tra altri. Inoltre, alcuni tumori hanno una connessione con le ciliopatie.

Alcuni disturbi renali correlati alla disfunzione delle ciglia includono la nefronoftisi e il rene policistico autosomico dominante e autosomico recessivo. Le ciglia malfunzionanti non possono fermare la divisione cellulare a causa della mancata rilevazione del flusso di urina, portando allo sviluppo di cisti.

Nella sindrome di Kartagener, la disfunzione del braccio dineina porta a una pulizia inefficace del tratto respiratorio di batteri e altre sostanze. Questo può portare a ripetute infezioni respiratorie.

Nella sindrome di Bardet-Biedl, la malformazione delle ciglia porta a problemi come degenerazione retinica, polidattilia, disturbi cerebrali e obesità.

Le malattie non ereditarie possono derivare da danni alle ciglia, come i residui di sigaretta. Questo può portare a bronchite e altri problemi.

Gli agenti patogeni possono anche requisire la normale promozione simbiotica dei batteri da parte delle ciglia, come con le specie Bordetella, che provoca la riduzione del battito delle ciglia e quindi consente all'agente patogeno di attaccarsi a un substrato e portare all'infezione dell'uomo vie aeree.

Un certo numero di infezioni batteriche è correlato alla funzione flagelli. Esempi di batteri patogeni includono Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa e Campylobacter jejuni. Si verificano numerose interazioni che portano i batteri a invadere i tessuti dell'ospite. I flagelli agiscono come sonde leganti, cercando l'acquisto sul substrato ospite. Alcuni fitobatteri usano i loro flagelli per aderire ai tessuti vegetali. Ciò porta a prodotti come frutta e verdura che diventano ospiti secondari di batteri che infettano uomini e animali. Un esempio è Listeria monocytogenes e, naturalmente, E. coli e Salmonella sono famigerati agenti di malattie di origine alimentare.

Helicobacter pylori usa il suo flagello per nuotare attraverso il muco e invadere il rivestimento dello stomaco, eludendo l'acido protettivo dello stomaco. I rivestimenti mucosi funzionano come difesa immunitaria per intrappolare tale invasione legando i flagelli, ma alcuni batteri trovano diversi modi per sfuggire al riconoscimento e alla cattura. I filamenti dei flagelli possono degradarsi in modo che l'ospite non possa riconoscerli, oppure la loro espressione e motilità possono essere disattivate.

La sindrome di Kartagener colpisce anche i flagelli. Questa sindrome interrompe i bracci di dineina tra i microtubuli. Il risultato è l'infertilità dovuta agli spermatozoi privi della propulsione necessaria dai flagelli per nuotare e fecondare gli ovuli.

Man mano che gli scienziati apprendono di più su ciglia e flagelli e chiariscono ulteriormente i loro ruoli negli organismi, dovrebbero seguire nuovi approcci per il trattamento delle malattie e la produzione di medicinali.