Hva er hovedfunksjonene til Cilia & Flagella?

Cilia og flagella er to forskjellige typer mikroskopiske vedlegg på celler. Cilia finnes i både dyr og mikroorganismer, men ikke i de fleste planter. Flagella brukes til mobilitet i bakterier så vel som eukaryoter. Både cilia og flagella tjener bevegelsesfunksjoner, men på forskjellige måter. Begge er avhengige av dynein, som er et motorisk protein, og mikrotubuli for å fungere.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Cilia og flagella er organeller på celler som gir fremdrift, sensoriske enheter, clearance mekanismer og mange andre viktige funksjoner i levende organismer.

Cilia var de første organellene som ble oppdaget av Antonie van Leeuwenhoek på slutten av 1600-tallet. Han observerte bevegelige (bevegelige) flimmerhår, "små ben", som han beskrev som bosatt på "animalcules" (sannsynligvis protozoer). Ikke-bevegelige flimmerhår ble observert mye senere med bedre mikroskop. De fleste flimmerhår finnes i dyr, i nesten alle typer celler, konservert over mange arter i evolusjonen. Imidlertid kan noen flimmerhår finnes i planter i form av kjønnsceller. Cilia er laget av mikrotubuli i et arrangement som kalles ciliary axoneme, som er dekket av plasmamembranen. Cellelegemet lager ciliære proteiner og beveger dem til spissen av aksonemet; denne prosessen kalles intraciliary eller intraflagellar transport (IFT). Foreløpig tror forskere omtrent 10 prosent av det menneskelige genomet er dedikert til cilia og deres tilblivelse.

Cilia varierer fra 1 til 10 mikrometer lang. Disse hårlignende organellene arbeider med å flytte celler så vel som å flytte materialer. De kan flytte væsker for akvatiske arter som muslinger, slik at mat og oksygen kan transporteres. Cilia hjelper til med åndedrett i lungene til dyr ved å forhindre at rusk og potensielle patogener invaderer kroppen. Cilia er kortere enn flageller og konsentrerer seg i mye større antall. De har en tendens til å bevege seg i et raskt slag nesten samtidig i en gruppe, og utgjør en bølgeeffekt. Cilia kan også hjelpe til med bevegelse av noen typer protozoer. To typer flimmerhår eksisterer: bevegelige (bevegelige) og ikke-bevegelige (eller primære) flimmerhår, og begge fungerer via IFT-systemer. Motile cilia ligger i luftveisganger og lunger så vel som inne i øret. Ikke-bevegelige flimmerhår finnes i mange organer.

Flagella er vedlegg som hjelper med å flytte bakterier og kjønnsceller av eukaryoter, samt noen protozoer. Flagella har en tendens til å være enestående, som en hale. De er vanligvis lengre enn cilia. I prokaryoter fungerer flageller som små motorer med rotasjon. I eukaryoter gjør de jevnere bevegelser.

Cilia spiller roller i cellesyklusen så vel som dyreutviklingen, som i hjertet. Cilia tillater selektivt at visse proteiner fungerer som de skal. Cilia spiller også en rolle som mobilkommunikasjon og molekylær handel.

Motile cilia har et 9 + 2 arrangement av ni ytre mikrotubuli-par, sammen med et senter på to mikrotubuli. Motile cilia bruker sin rytmiske bølging for å feie bort stoffer, som for å fjerne smuss, støv, mikroorganismer og slim, for å forhindre sykdom. Dette er grunnen til at de eksisterer på foringen av luftveiene. Motile cilia kan både fornemme og flytte ekstracellulær væske.

Ikke-bevegelige, eller primære, flimmerhår samsvarer ikke med den samme strukturen som bevegelige flimmerhår. De er ordnet som individuelle vedleggsmikrotubuli uten den midterste mikrotubuli-strukturen. De har ikke dynein-armer, derav deres generelle ikke-motilitet. I mange år fokuserte ikke forskere på disse primære flimmerhårene og visste derfor lite om deres funksjoner. Ikke-bevegelige flimmerhår fungerer som sensoriske apparater for celler og oppdager signaler. De spiller avgjørende roller i sensoriske nevroner. Ikke-bevegelige flimmerhår kan bli funnet i nyrene for å føle urinstrømmen, så vel som i øynene på fotoreseptorene i netthinnen. I fotoreseptorer fungerer de for å transportere vitale proteiner fra det indre segmentet av fotoreseptoren til det ytre segmentet; uten denne funksjonen ville fotoreseptorer dø. Når flimmerhår kjenner en væskestrøm, fører det til cellevekstendringer.

Cilia gir mer enn klaring og sensoriske funksjoner. De gir også habitater eller rekrutteringsområder for symbiotiske mikrobiomer hos dyr. Hos akvatiske dyr som blekksprut kan disse slimepitelvev observeres mer direkte ettersom de er vanlige og ikke er indre overflater. To forskjellige typer cilia-populasjoner eksisterer på vertsvev: en med lange cilia som bølger sammen små partikler som bakterier, men ekskluderer større, og kortere bankende flimmerhår som blander miljø væsker. Disse flimmerhårene arbeider for å rekruttere mikrobiomsymbionter. De jobber i soner som skifter bakterier og andre små partikler til skjermede soner, mens de også blander væsker og letter kjemiske signaler slik at bakterier kan kolonisere ønsket region. Derfor arbeider cilia med å filtrere, fjerne, lokalisere, velge og samle bakterier og kontrollere vedheft for ciliated overflater.

Cilia har også blitt oppdaget å delta i vesikulær sekresjon av ektosomer. Nyere forskning avslører interaksjoner mellom cilia og celleveier som kan gi innsikt i mobilkommunikasjon så vel som i sykdommer.

Flagella finnes i prokaryoter og eukaryoter. De er lange filamentorganeller laget av flere proteiner som når så mye som 20 mikrometer i lengde vekk fra overflaten på bakterier. Vanligvis er flageller lengre enn cilia og gir bevegelse og fremdrift. Bakterielle flagellafilamentmotorer kan spinne så raskt som 15.000 omdreininger per minutt (o / min). Svømmefunksjonen til flageller hjelper i deres funksjon, enten det er for å søke mat og næringsstoffer, reproduksjon eller inntrengende verter.

I prokaryoter som bakterier fungerer flagella som fremdriftsmekanismer; de er den viktigste måten bakterier kan svømme gjennom væsker. Et flagellum i bakterier har en ionmotor for dreiemoment, en krok som overfører motorisk dreiemoment og et filament, eller en lang halelignende struktur som driver bakterien. Motoren kan snu og påvirke glødetrådens oppførsel, og endre kjøreretningen for bakterien. Hvis flagellen beveger seg med klokken, danner den en superspole; flere flageller kan danne en bunt, og disse hjelper med å drive en bakterie på en rett vei. Når den roteres motsatt vei, lager filamentet en kortere superspole, og flaggabunten demonteres, noe som fører til tumbling. På grunn av mangel på høy oppløsning for eksperimenter bruker forskere datasimuleringer for å forutsi flagellær bevegelse.

Mengden friksjon i en væske påvirker hvordan filamentet vil superspole. Bakterier kan være vert for flere flageller, for eksempel med Escherichia coli. Flagella lar bakterier svømme i en retning og deretter snu etter behov. Dette fungerer via den roterende, spiralformede flagellen, som bruker forskjellige metoder, inkludert skyve- og trekkesykluser. En annen bevegelsesmetode oppnås ved å vikle rundt cellekroppen i en bunt. På denne måten kan flagella også bidra til å reversere bevegelse. Når bakterier støter på utfordrende rom, kan de endre sin posisjon ved å la flagellene deres omstille eller demontere buntene. Denne polymorfe tilstandsovergangen tillater forskjellige hastigheter, idet skyve- og trekktilstandene vanligvis er raskere enn de viklede tilstandene. Dette hjelper i forskjellige miljøer; for eksempel kan spiralbunten flytte en bakterie gjennom tyktflytende områder med korketrekkende effekt. Dette hjelper til med leting etter bakterier.

Flagella gir bevegelse for bakterier, men gir også en mekanisme for patogene bakterier for å hjelpe til med å kolonisere verter og derfor overføre sykdommer. Flagella bruker en vri-og-pinne-metode for å forankre bakterier på overflater. Flagella fungerer også som broer eller stillas for vedheft til vertsvev.

Eukaryote flageller avviker fra prokaryoter i sammensetning. Flagella i eukaryoter inneholder langt flere proteiner og har noen likhet med bevegelige flimmerhår, med de samme generelle bevegelses- og kontrollmønstrene. Flagella brukes ikke bare til bevegelse, men også for å hjelpe cellefôring og eukaryot reproduksjon. Flagella bruker intraflagellær transport, som er transport av et kompleks av proteiner som kreves for signalmolekylene som gir flagellamobilitet. Flagella finnes på mikroskopiske organismer som Mastigophora protozoa, eller de kan eksistere i større dyr. En rekke mikroskopiske parasitter har også flageller, og hjelper deres reise gjennom en vertsorganisme. Flagellen til disse protistparasittene bærer også en paraflagellar stang eller PFR, som hjelper til med å feste seg til vektorer som insekter. Noen andre eksempler på flageller i eukaryoter inkluderer haler av kjønnsceller som sædceller. Flagella kan også finnes i svamper og andre akvatiske arter; flagellene i disse skapningene hjelper til med å flytte vann for å puste. Eukaryote flageller tjener også nesten som små antenner eller sensoriske organeller. Forskere begynner nå å forstå bredden av funksjonen til eukaryote flageller.

Nyere vitenskapelige funn har funnet at mutasjoner eller andre defekter relatert til flimmerhår forårsaker en rekke sykdommer. Disse forholdene blir referert til som ciliopatier. De påvirker dypt individer som lider av dem. Noen ciliopatier inkluderer kognitiv svikt, retinal degenerasjon, hørselstap, anosmi (tap av luktesans), kraniofaciale abnormiteter, lunge og luftveier abnormiteter, venstre-høyre asymmetri og relaterte hjertefeil, bukspyttkjertelcyster, leversykdom, infertilitet, polydactyly og nyreavvik som cyster, blant andre. I tillegg har noen kreftformer en forbindelse til ciliopatier.

Noen nyrelidelser relatert til cilia dysfunksjon inkluderer nefronophthisis og både autosomal dominant og autosomal recessiv polycystisk nyresykdom. Feil fungerende cilia kan ikke stoppe celledeling på grunn av ingen påvisning av urinstrøm, noe som fører til utvikling av cyste.

I Kartageners syndrom fører dyneinarmdysfunksjon til ineffektiv rensing av luftveiene av bakterier og andre stoffer. Dette kan føre til gjentatte luftveisinfeksjoner.

I Bardet-Biedl syndrom fører misdannelser i cilia til slike problemer som retinal degenerasjon, polydactyly, hjernesykdommer og fedme.

Ikke-arvelige sykdommer kan skyldes skade på cilia, for eksempel fra sigarettrester. Dette kan føre til bronkitt og andre problemer.

Patogener kan også kommandere den normale symbiotiske fostring av bakterier av cilia, for eksempel med Bordetella-arter, som fører til at cilia slår for å redusere, og lar derfor patogenet feste seg til et substrat og føre til infeksjon av mennesker luftveier.

En rekke bakterieinfeksjoner er knyttet til flagellafunksjon. Eksempler på patogene bakterier inkluderer Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa og Campylobacter jejuni. En rekke interaksjoner oppstår som fører bakterier til å invadere vertsvev. Flagella fungerer som bindende sonder, og søker kjøp på vertssubstrat. Noen fytobakterier bruker flagella for å feste til plantevev. Dette fører til at produkter som frukt og grønnsaker blir sekundære verter for bakterier som smitter mennesker og dyr. Et eksempel er Listeria monocytogenes, og selvfølgelig E. coli og Salmonella er beryktede agenser for matbåren sykdom.

Helicobacter pylori bruker sin flagellum til å svømme gjennom slim og invadere mageslimhinnen og unngå den beskyttende magesyren. Slimete fôr fungerer som et immunforsvar for å fange en slik invasjon ved å binde flageller, men noen bakterier finner flere måter å unnslippe gjenkjenning og fangst. Filament av flageller kan brytes ned slik at verten ikke kan gjenkjenne dem, eller deres uttrykk og motilitet kan slås av.

Kartageners syndrom påvirker også flagella. Dette syndromet forstyrrer dyneinarmene mellom mikrotubuli. Resultatet er infertilitet på grunn av sædceller som mangler fremdrift fra flagella for å svømme til og befrukte egg.

Etter hvert som forskere lærer mer om cilia og flagella, og ytterligere belyser deres roller i organismer, bør nye tilnærminger for behandling av sykdommer og fremstilling av medisiner følge.