Cilia en flagella zijn twee verschillende soorten microscopische aanhangsels op cellen. Cilia worden gevonden in zowel dieren als micro-organismen, maar niet in de meeste planten. Flagella worden gebruikt voor mobiliteit in bacteriën en gameten van eukaryoten. Zowel trilharen als flagella dienen voortbewegingsfuncties, maar op verschillende manieren. Beide zijn afhankelijk van dyneïne, een motoreiwit, en microtubuli om te werken.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Cilia en flagella zijn organellen op cellen die zorgen voor voortstuwing, sensorische apparaten, klaringsmechanismen en tal van andere belangrijke functies in levende organismen.
Wat zijn cilia?
Cilia waren de eerste organellen die aan het eind van de 17e eeuw werden ontdekt door Antonie van Leeuwenhoek. Hij observeerde beweeglijke (bewegende) trilhaartjes, "beentjes", die hij beschreef als verblijvend op "dieren" (waarschijnlijk protozoa). Niet-beweeglijke trilhaartjes werden veel later met betere microscopen waargenomen. De meeste trilhaartjes komen voor bij dieren, in bijna elk type cel, geconserveerd over vele soorten in evolutie. Sommige trilhaartjes zijn echter te vinden in planten in de vorm van gameten. Cilia zijn gemaakt van microtubuli in een opstelling die het ciliaire axoneme wordt genoemd en die wordt bedekt door het plasmamembraan. Het cellichaam maakt ciliaire eiwitten en verplaatst deze naar de punt van het axoneme; dit proces wordt intraciliair of intraflagellair transport (IFT) genoemd. Momenteel denken wetenschappers dat ongeveer 10 procent van het menselijk genoom is gewijd aan trilhaartjes en hun ontstaan.
Cilia variëren van 1 tot 10 micrometer lang. Deze haarachtige aanhangselorganellen werken zowel om cellen te verplaatsen als om materialen te verplaatsen. Ze kunnen vloeistoffen verplaatsen voor aquatische soorten zoals mosselen, om voedsel en zuurstoftransport mogelijk te maken. Cilia helpen bij de ademhaling in de longen van dieren door te voorkomen dat puin en potentiële ziekteverwekkers het lichaam binnendringen. Cilia zijn korter dan flagella en concentreren zich in veel grotere aantallen. Ze hebben de neiging om bijna tegelijkertijd in een groep met een snelle slag te bewegen, wat een golfeffect vormt. Cilia kan ook helpen bij de voortbeweging van sommige soorten protozoa. Er zijn twee soorten trilharen: beweeglijke (bewegende) en niet-beweeglijke (of primaire) trilharen, en beide werken via IFT-systemen. Beweeglijke trilharen bevinden zich in luchtwegen en longen, evenals in het oor. Niet-beweeglijke trilhaartjes bevinden zich in veel organen.
Wat zijn flagellen?
Flagella zijn aanhangsels die bacteriën en de gameten van eukaryoten helpen verplaatsen, evenals sommige protozoa. Flagella hebben de neiging om enkelvoud te zijn, zoals een staart. Ze zijn meestal langer dan trilhaartjes. Bij prokaryoten werken flagella als kleine motoren met rotatie. Bij eukaryoten maken ze vloeiendere bewegingen.
Functies van Cilia
Cilia spelen een rol in de celcyclus en in de ontwikkeling van dieren, zoals in het hart. Cilia laten selectief bepaalde eiwitten binnen om goed te functioneren. Cilia spelen ook een rol bij cellulaire communicatie en moleculaire handel.
Beweeglijke trilhaartjes hebben een 9+2-rangschikking van negen buitenste microtubuli-paren, samen met een midden van twee microtubuli. Beweeglijke trilharen gebruiken hun ritmische golving om stoffen weg te vegen, zoals bij het opruimen van vuil, stof, micro-organismen en slijm, om ziekten te voorkomen. Dit is de reden waarom ze voorkomen op de bekleding van de luchtwegen. Beweeglijke trilhaartjes kunnen extracellulaire vloeistof waarnemen en verplaatsen.
Niet-beweeglijke of primaire trilharen voldoen niet aan dezelfde structuur als beweeglijke trilharen. Ze zijn gerangschikt als individuele aanhangsel-microtubuli zonder de centrale microtubuli-structuur. Ze hebben geen dyneïne-armen, vandaar hun algemene onbeweeglijkheid. Gedurende vele jaren hebben wetenschappers zich niet gericht op deze primaire trilharen en wisten daarom weinig van hun functies. Niet-beweeglijke trilhaartjes dienen als sensorisch apparaat voor cellen en detecteren signalen. Ze spelen een cruciale rol in sensorische neuronen. Niet-beweeglijke trilhaartjes zijn te vinden in de nieren om de urinestroom te voelen, evenals in de ogen op de fotoreceptoren van het netvlies. In fotoreceptoren functioneren ze om vitale eiwitten van het binnenste segment van de fotoreceptor naar het buitenste segment te transporteren; zonder deze functie zouden fotoreceptoren sterven. Wanneer trilhaartjes een vloeistofstroom voelen, leidt dat tot veranderingen in de celgroei.
Cilia bieden meer dan alleen klaring en sensorische functies. Ze bieden ook leefgebieden of rekruteringsgebieden voor symbiotische microbiomen bij dieren. Bij waterdieren zoals inktvissen kunnen deze slijmepitheelweefsels directer worden waargenomen omdat ze veel voorkomen en geen interne oppervlakken zijn. Er bestaan twee verschillende soorten trilhaarpopulaties op gastheerweefsels: een met lange trilhaartjes die meezwaaien kleine deeltjes zoals bacteriën, maar sluiten grotere uit, en kortere kloppende trilhaartjes die de omgeving vermengen vloeistoffen. Deze trilharen werken om microbioomsymbionten te rekruteren. Ze werken in zones die bacteriën en andere kleine deeltjes naar beschutte zones verplaatsen, terwijl ze ook vloeistoffen mengen en chemische signalen faciliteren zodat bacteriën de gewenste regio kunnen koloniseren. Daarom werken trilharen om bacteriën te filteren, te verwijderen, te lokaliseren, te selecteren en te aggregeren en om de adhesie van trilhaartjes te controleren.
Van trilhaartjes is ook ontdekt dat ze deelnemen aan de vesiculaire afscheiding van ectosomen. Meer recent onderzoek onthult interacties tussen cilia en cellulaire paden die inzicht kunnen geven in cellulaire communicatie en in ziekten.
Functies van Flagella
Flagella komt voor in prokaryoten en eukaryoten. Het zijn lange filamentorganellen gemaakt van verschillende eiwitten die wel 20 micrometer lang kunnen worden verwijderd van hun oppervlak op bacteriën. Meestal zijn flagellen langer dan trilhaartjes en zorgen ze voor beweging en voortstuwing. Bacteriële flagella-filamentmotoren kunnen zo snel draaien als 15.000 omwentelingen per minuut (rpm). Het zwemvermogen van flagella helpt bij hun functie, of het nu gaat om het zoeken naar voedsel en voedingsstoffen, reproductie of binnenvallende gastheren.
In prokaryoten zoals bacteriën dienen flagella als voortstuwingsmechanisme; ze zijn de belangrijkste manier voor bacteriën om door vloeistoffen te zwemmen. Een flagellum in bacteriën bezit een ionenmotor voor koppel, een haak die motorkoppel overbrengt, en een gloeidraad, of een lange staartachtige structuur die de bacterie voortstuwt. De motor kan draaien en het gedrag van de gloeidraad beïnvloeden, waardoor de bewegingsrichting van de bacterie verandert. Als het flagellum met de klok mee beweegt, vormt het een supercoil; meerdere flagellen kunnen een bundel vormen en deze helpen een bacterie op een recht pad voort te stuwen. Wanneer het de andere kant op wordt gedraaid, maakt het filament een kortere supercoil en valt de bundel flagella uiteen, wat leidt tot tuimelen. Vanwege een gebrek aan hoge resolutie voor experimenten, gebruiken wetenschappers computersimulaties om flagellaire beweging te voorspellen.
De hoeveelheid wrijving in een vloeistof beïnvloedt hoe de gloeidraad superspoelt. Bacteriën kunnen verschillende flagella bevatten, zoals bij Escherichia coli. Flagella laat bacteriën in één richting zwemmen en vervolgens draaien als dat nodig is. Dit werkt via de roterende, spiraalvormige flagella, die verschillende methoden gebruikt, waaronder duw- en trekcycli. Een andere manier van bewegen wordt bereikt door het cellichaam in een bundel te wikkelen. Op deze manier kan flagella ook helpen om de beweging om te keren. Wanneer bacteriën uitdagende ruimtes tegenkomen, kunnen ze hun positie veranderen door hun flagella in staat te stellen hun bundels opnieuw te configureren of te demonteren. Deze polymorfe toestandsovergang maakt verschillende snelheden mogelijk, waarbij de push- en pull-toestanden doorgaans sneller zijn dan de ingepakte toestanden. Dit helpt in verschillende omgevingen; de spiraalvormige bundel kan bijvoorbeeld een bacterie door viskeuze gebieden verplaatsen met een kurkentrekkereffect. Dit helpt bij bacteriële exploratie.
Flagella zorgen voor beweging voor bacteriën, maar bieden ook een mechanisme voor pathogene bacteriën om te helpen bij het koloniseren van gastheren en dus het overdragen van ziekten. Flagella gebruikt een twist-and-stick-methode om bacteriën op oppervlakken te verankeren. Flagella fungeren ook als bruggen of steigers voor hechting aan gastheerweefsel.
Eukaryotische flagella wijken qua samenstelling af van prokaryoten. Flagella in eukaryoten bevatten veel meer eiwitten en vertonen enige gelijkenis met beweeglijke trilhaartjes, met dezelfde algemene bewegings- en controlepatronen. Flagella worden niet alleen gebruikt voor beweging, maar ook voor hulp bij celvoeding en eukaryote reproductie. Flagella gebruiken intraflagellair transport, het transport van een complex van eiwitten die nodig zijn voor de signaalmoleculen die de mobiliteit van flagella geven. Flagella komen voor op microscopisch kleine organismen zoals de Mastigophora protozoa, of ze kunnen in grotere dieren voorkomen. Een aantal microscopisch kleine parasieten bezitten ook flagella, wat helpt bij hun reis door een gastheerorganisme. De flagella van deze protistische parasieten dragen ook een paraflagellar-staaf of PFR, die helpt bij de hechting aan vectoren zoals insecten. Enkele andere voorbeelden van flagella in eukaryoten zijn de staarten van gameten zoals sperma. Flagella is ook te vinden in sponzen en andere waterdieren; de flagella in deze wezens helpen om water te verplaatsen voor ademhaling. Eukaryotische flagella dienen ook bijna als kleine antennes of sensorische organellen. Wetenschappers beginnen nu pas de reikwijdte van de functie van eukaryote flagella te begrijpen.
Ziekten die verband houden met cilia
Recente wetenschappelijke ontdekkingen hebben aangetoond dat mutaties of andere defecten die verband houden met trilhaartjes een aantal ziekten veroorzaken. Deze aandoeningen worden ciliopathieën genoemd. Ze hebben een diepgaande invloed op mensen die er last van hebben. Sommige ciliopathieën omvatten cognitieve stoornissen, retinale degeneratie, gehoorverlies, anosmie (verlies van reukvermogen), craniofaciale afwijkingen, long- en luchtwegen afwijkingen, links-rechts asymmetrie en gerelateerde hartafwijkingen, pancreascysten, leverziekte, onvruchtbaarheid, polydactylie en nierafwijkingen zoals cysten, onder andere anderen. Bovendien hebben sommige kankers een verband met ciliopathieën.
Sommige nieraandoeningen die verband houden met ciliadisfunctie omvatten nefronoftise en zowel autosomaal dominante als autosomaal recessieve polycystische nierziekte. Slecht functionerende trilharen kunnen de celdeling niet stoppen omdat de urinestroom niet wordt gedetecteerd, wat leidt tot cyste-ontwikkeling.
Bij het syndroom van Kartagener leidt disfunctie van de dyneïnearm tot een ineffectieve zuivering van de luchtwegen van bacteriën en andere stoffen. Dit kan leiden tot herhaalde luchtweginfecties.
Bij het Bardet-Biedl-syndroom leidt misvorming van de trilharen tot problemen als netvliesdegeneratie, polydactylie, hersenaandoeningen en obesitas.
Niet-erfelijke ziekten kunnen het gevolg zijn van schade aan de trilhaartjes, zoals door sigarettenresten. Dit kan leiden tot bronchitis en andere problemen.
Ziekteverwekkers kunnen ook de normale symbiotische bevordering van bacteriën door trilharen opeisen, zoals bij Bordetella-soorten, die zorgt ervoor dat de trilhaartjes verminderen en daardoor kan de ziekteverwekker zich hechten aan een substraat en leiden tot infectie van de mens luchtwegen.
Aan flagella gerelateerde ziekten
Een aantal bacteriële infecties hebben betrekking op de flagellafunctie. Voorbeelden van pathogene bacteriën zijn Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa en Campylobacter jejuni. Er treden een aantal interacties op die ertoe leiden dat bacteriën gastheerweefsels binnendringen. Flagella fungeren als bindende sondes, op zoek naar aankoop op gastheersubstraat. Sommige fytobacteriën gebruiken hun flagellen om zich aan plantenweefsels te hechten. Dit leidt ertoe dat producten zoals fruit en groenten secundaire gastheren worden voor bacteriën die mensen en dieren infecteren. Een voorbeeld is Listeria monocytogenes, en natuurlijk E. coli en Salmonella zijn beruchte verwekkers van door voedsel overgedragen ziekten.
Helicobacter pylori gebruikt zijn flagellum om door slijm te zwemmen en de maagwand binnen te dringen, waarbij hij het beschermende maagzuur ontwijkt. Slijmvlieslagen werken als een immuunverdediging om een dergelijke invasie op te vangen door flagella te binden, maar sommige bacteriën vinden verschillende manieren om aan herkenning en opname te ontsnappen. Filamenten van flagella kunnen degraderen zodat de gastheer ze niet kan herkennen, of hun expressie en beweeglijkheid kunnen worden uitgeschakeld.
Het syndroom van Kartagener treft ook flagella. Dit syndroom verstoort de dyneïnearmen tussen microtubuli. Het resultaat is onvruchtbaarheid als gevolg van spermacellen die de voortstuwing missen die nodig is van flagella om naar eieren te zwemmen en deze te bevruchten.
Naarmate wetenschappers meer leren over cilia en flagella en hun rol in organismen verder verduidelijken, zouden nieuwe benaderingen voor de behandeling van ziekten en het maken van medicijnen moeten volgen.