Jakie są główne funkcje rzęsek i wici?

Rzęsy i wici to dwa różne rodzaje mikroskopijnych wyrostków na komórkach. Cilia znajdują się zarówno u zwierząt, jak i mikroorganizmów, ale nie w większości roślin. Wici są wykorzystywane do poruszania się bakterii, a także gamet eukariontów. Zarówno rzęski, jak i wici pełnią funkcje lokomocyjne, ale na różne sposoby. Oba polegają na dyneinie, która jest białkiem motorycznym, oraz mikrotubulach.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Rzęski i wici to organelle na komórkach, które zapewniają napęd, urządzenia sensoryczne, mechanizmy oczyszczania i wiele innych ważnych funkcji w żywych organizmach.

Cilia były pierwszymi organellami odkrytymi przez Antoniego van Leeuwenhoeka pod koniec XVII wieku. Zaobserwował ruchliwe (ruchome) rzęski, „małe nóżki”, które opisał jako przebywające na „zwierzętach” (prawdopodobnie pierwotniakach). Nieruchome rzęski zaobserwowano znacznie później za pomocą lepszych mikroskopów. Większość rzęsek występuje u zwierząt, w prawie każdym typie komórek, zachowanych w wielu ewolucyjnych gatunkach. Jednak niektóre rzęski można znaleźć w roślinach w postaci gamet. Rzęsy zbudowane są z mikrotubul w układzie zwanym aksonemem rzęskowym, który jest pokryty błoną plazmatyczną. Ciało komórki wytwarza białka rzęskowe i przenosi je na czubek aksonemu; proces ten nazywa się transportem śródręczowym lub wewnątrzwiciowym (IFT). Obecnie naukowcy sądzą, że około 10 procent ludzkiego genomu jest poświęcone rzęskom i ich genezie.

Długość rzęsek waha się od 1 do 10 mikrometrów. Te przypominające włosy organelle wyrostka robaczkowego poruszają się zarówno w komórkach, jak i w materiałach. Mogą przenosić płyny dla gatunków wodnych, takich jak małże, umożliwiając transport żywności i tlenu. Cilia pomagają w oddychaniu w płucach zwierząt, zapobiegając przedostawaniu się zanieczyszczeń i potencjalnych patogenów do organizmu. Rzęski są krótsze niż wici i koncentrują się w znacznie większej liczbie. Mają tendencję do poruszania się szybkim ruchem niemal jednocześnie w grupie, tworząc efekt fali. Cilia może również pomóc w poruszaniu się niektórych rodzajów pierwotniaków. Istnieją dwa rodzaje rzęsek: rzęski ruchliwe (ruchome) i nieruchome (lub pierwotne) i oba działają za pośrednictwem systemów IFT. Ruchome rzęski znajdują się w drogach oddechowych i płucach, a także wewnątrz ucha. Nieruchliwe rzęski znajdują się w wielu narządach.

Wici to wyrostki, które pomagają przenosić bakterie i gamety eukariontów, a także niektóre pierwotniaki. Wici wydają się być pojedyncze, jak ogon. Zazwyczaj są dłuższe niż rzęski. U prokariontów wici działają jak małe silniki z rotacją. U eukariontów wykonują płynniejsze ruchy.

Cilia odgrywają role w cyklu komórkowym, a także w rozwoju zwierząt, na przykład w sercu. Cilia selektywnie umożliwiają prawidłowe funkcjonowanie niektórych białek. Rzęski odgrywają również rolę w komunikacji komórkowej i transporcie molekularnym.

Ruchome rzęski posiadają układ 9+2 dziewięciu zewnętrznych par mikrotubul, wraz ze środkiem dwóch mikrotubul. Ruchome rzęski wykorzystują swoje rytmiczne falowanie do usuwania substancji, na przykład do usuwania brudu, kurzu, mikroorganizmów i śluzu, aby zapobiec chorobom. Dlatego znajdują się na wyściółkach dróg oddechowych. Ruchome rzęski mogą zarówno wykrywać, jak i przemieszczać płyn pozakomórkowy.

Nieruchliwe lub pierwotne rzęski nie są zgodne z tą samą strukturą co rzęski ruchliwe. Są one ułożone jako pojedyncze mikrotubule przydatków bez centralnej struktury mikrotubul. Nie posiadają ramion dyneinowych, stąd ich ogólna nieruchliwość. Przez wiele lat naukowcy nie skupiali się na tych pierwotnych rzęskach i dlatego niewiele wiedzieli o ich funkcjach. Nieruchliwe rzęski służą jako aparat czuciowy komórek, wykrywający sygnały. Odgrywają kluczową rolę w neuronach czuciowych. Nieruchliwe rzęski można znaleźć w nerkach, aby wyczuć przepływ moczu, a także w oczach na fotoreceptorach siatkówki. W fotoreceptorach ich zadaniem jest transport ważnych białek z wewnętrznego segmentu fotoreceptora do segmentu zewnętrznego; bez tej funkcji fotoreceptory zginęłyby. Kiedy rzęski wyczuwają przepływ płynu, prowadzi to do zmian wzrostu komórek.

Cilia zapewniają więcej niż tylko oczyszczanie i funkcje sensoryczne. Zapewniają również siedliska lub obszary rekrutacji symbiotycznych mikrobiomów u zwierząt. U zwierząt wodnych, takich jak kałamarnice, te tkanki nabłonkowe śluzu można zaobserwować bardziej bezpośrednio, ponieważ są one powszechne i nie są powierzchniami wewnętrznymi. W tkankach żywiciela występują dwa różne rodzaje populacji rzęsek: jedna z długimi rzęskami, które falują małe cząsteczki, takie jak bakterie, ale z wyłączeniem większych i krótsze rzęski bijące, które mieszają się ze środowiskiem płyny. Te rzęski działają w celu rekrutacji symbiontów mikrobiomu. Działają w strefach, które przenoszą bakterie i inne drobne cząstki do stref osłoniętych, jednocześnie mieszając płyny i ułatwiając sygnały chemiczne, aby bakterie mogły skolonizować pożądany region. Dlatego rzęski pracują w celu filtrowania, oczyszczania, lokalizacji, selekcji i agregacji bakterii oraz kontrolowania adhezji do powierzchni rzęskowych.

Odkryto również, że rzęski uczestniczą w pęcherzykowym wydzielaniu ektosomów. Nowsze badania ujawniają interakcje między rzęskami a szlakami komórkowymi, które mogą zapewnić wgląd w komunikację komórkową oraz choroby.

Wici można znaleźć u prokariontów i eukariontów. Są to organelle o długich włóknach zbudowane z kilku białek, które osiągają długość nawet 20 mikrometrów od ich powierzchni na bakteriach. Zazwyczaj wici są dłuższe niż rzęski i zapewniają ruch i napęd. Silniki z włóknami wici bakteryjnej mogą obracać się z prędkością do 15 000 obrotów na minutę (rpm). Zdolność pływania wici pomaga w ich funkcjonowaniu, niezależnie od tego, czy chodzi o poszukiwanie pożywienia i składników odżywczych, rozmnażanie, czy inwazję gospodarzy.

U prokariontów, takich jak bakterie, wici służą jako mechanizmy napędowe; są głównym sposobem, w jaki bakterie przepływają przez płyny. Wić bakterii posiada silnik jonowy zapewniający moment obrotowy, haczyk przenoszący moment obrotowy silnika oraz włókno lub strukturę przypominającą długi ogon, która napędza bakterię. Silnik może się obracać i wpływać na zachowanie żarnika, zmieniając kierunek ruchu bakterii. Jeśli wici porusza się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, tworzy superskrętkę; kilka wici może uformować wiązkę, co pomaga w poruszaniu się bakterii po prostej drodze. Po obróceniu w przeciwną stronę włókno tworzy krótszą superzwój, a wiązka wici rozpada się, prowadząc do przewracania się. Ze względu na brak wysokiej rozdzielczości do eksperymentów naukowcy wykorzystują symulacje komputerowe do przewidywania ruchu wici.

Wielkość tarcia w płynie wpływa na to, jak włókno będzie się superzwijać. Bakterie mogą być gospodarzem kilku wici, takich jak Escherichia coli. Wici pozwalają bakteriom płynąć w jednym kierunku, a następnie obracać się w razie potrzeby. Działa to za pomocą obracającej się spiralnej wici, która wykorzystuje różne metody, w tym cykle pchania i ciągnięcia. Inną metodą ruchu jest owijanie się wokół ciała komórki w wiązkę. W ten sposób wici mogą również pomóc w odwróceniu ruchu. Gdy bakterie napotykają trudne przestrzenie, mogą zmienić swoją pozycję, umożliwiając wiciom rekonfigurację lub demontaż wiązek. To polimorficzne przejście stanu umożliwia różne prędkości, przy czym stany pchania i ciągnięcia są zwykle szybsze niż stany opakowane. Pomaga to w różnych środowiskach; na przykład wiązka spiralna może przenosić bakterię przez lepkie obszary z efektem korkociągu. Pomaga to w eksploracji bakterii.

Wici zapewniają ruch bakteriom, ale także zapewniają mechanizm bakteriom chorobotwórczym, który pomaga w kolonizacji gospodarza, a tym samym w przenoszeniu chorób. Wici wykorzystują metodę „skręć i przyklej”, aby zakotwiczyć bakterie na powierzchni. Wici działają również jako mosty lub rusztowania do adhezji do tkanki żywiciela.

Wici eukariotyczne różnią się składem od prokariontów. Wici u eukariontów zawierają znacznie więcej białek i wykazują pewne podobieństwo do ruchliwych rzęsek, z tymi samymi ogólnymi wzorcami ruchu i kontroli. Wici są wykorzystywane nie tylko do ruchu, ale także do wspomagania odżywiania się komórek i rozmnażania eukariontów. Wici wykorzystują transport wewnątrzwiciowy, który jest transportem kompleksu białek wymaganych dla cząsteczek sygnalizacyjnych, które zapewniają ruchliwość wici. Wici występują na mikroskopijnych organizmach, takich jak pierwotniaki Mastigophora, lub wewnątrz większych zwierząt. Szereg mikroskopijnych pasożytów posiada również wici, które wspomagają ich przemieszczanie się przez organizm żywiciela. Wici tych pasożytów protista niosą również pręcik paraflagellarny lub PFR, który pomaga w przyłączaniu się do wektorów, takich jak owady. Niektóre inne przykłady wici u eukariontów obejmują ogony gamet, takie jak plemniki. Wici można również znaleźć w gąbkach i innych gatunkach wodnych; wici u tych stworzeń pomagają przenosić wodę do oddychania. Wici eukariotyczne służą również jako maleńkie czułki lub organelle czuciowe. Naukowcy dopiero teraz zaczynają rozumieć zakres funkcji wici eukariotycznej.

Ostatnie odkrycia naukowe wykazały, że mutacje lub inne defekty związane z rzęskami powodują szereg chorób. Te stany są określane jako ciliopatie. Głęboko wpływają na osoby, które na nie cierpią. Niektóre ciliopatie obejmują upośledzenie funkcji poznawczych, zwyrodnienie siatkówki, utratę słuchu, anosmię (utratę węchu), nieprawidłowości twarzoczaszki, płuc i dróg oddechowych nieprawidłowości, asymetria lewo-prawo i pokrewne wady serca, torbiele trzustki, choroby wątroby, niepłodność, polidaktylia i nieprawidłowości nerek, takie jak torbiele, m.in. inne. Ponadto niektóre nowotwory mają związek z ciliopatiami.

Niektóre zaburzenia nerek związane z dysfunkcją rzęsek obejmują nerkozę, a także autosomalną dominującą i autosomalną recesywną wielotorbielowatość nerek. Nieprawidłowo funkcjonujące rzęski nie mogą zatrzymać podziału komórek z powodu braku wykrycia przepływu moczu, co prowadzi do rozwoju torbieli.

W zespole Kartagenera dysfunkcja ramion dyneinowych prowadzi do nieefektywnego oczyszczania dróg oddechowych z bakterii i innych substancji. Może to prowadzić do powtarzających się infekcji dróg oddechowych.

W zespole Bardeta-Biedla malformacja rzęsek prowadzi do takich problemów jak zwyrodnienie siatkówki, polidaktylia, zaburzenia pracy mózgu i otyłość.

Choroby niedziedziczne mogą wynikać z uszkodzenia rzęsek, na przykład z pozostałości papierosów. Może to prowadzić do zapalenia oskrzeli i innych problemów.

Patogeny mogą również sterować normalnym symbiotycznym rozwojem bakterii przez rzęski, na przykład z gatunkami Bordetella, które powoduje zmniejszenie biczowania rzęsek, a tym samym umożliwia patogenowi przyczepienie się do podłoża i prowadzi do zakażenia człowieka drogi oddechowe.

Wiele infekcji bakteryjnych jest związanych z funkcją wici. Przykłady bakterii chorobotwórczych obejmują Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa i Campylobacter jejuni. Zachodzi szereg interakcji, które prowadzą bakterie do inwazji tkanek gospodarza. Wici działają jako sondy wiążące, szukając zakupu na substracie gospodarza. Niektóre fitobakterie wykorzystują swoje wici do przylegania do tkanek roślinnych. Prowadzi to do tego, że produkty takie jak owoce i warzywa stają się wtórnymi żywicielami bakterii, które zakażają ludzi i zwierzęta. Jednym z przykładów jest Listeria monocytogenes i oczywiście E. coli i Salmonella są niesławnymi czynnikami chorób przenoszonych przez żywność.

Helicobacter pylori używa swojej wici do pływania przez śluz i atakowania wyściółki żołądka, unikając ochronnego kwasu żołądkowego. Wyściółki śluzowe działają jak obrona immunologiczna, aby zatrzymać taką inwazję poprzez wiązanie wici, ale niektóre bakterie znajdują kilka sposobów na uniknięcie rozpoznania i schwytania. Włókna wici mogą ulegać degradacji tak, że gospodarz nie może ich rozpoznać lub można wyłączyć ich ekspresję i ruchliwość.

Zespół Kartagenera dotyka również wici. Ten zespół zaburza ramiona dyneinowe pomiędzy mikrotubulami. Skutkiem tego jest bezpłodność spowodowana brakiem siły napędowej plemników potrzebnych od wici do pływania i zapłodnienia jajeczek.

W miarę jak naukowcy dowiadują się więcej o rzęskach i wiciach oraz dalej wyjaśniają ich rolę w organizmach, powinny pojawić się nowe podejścia do leczenia chorób i wytwarzania leków.