Cilia in bičevec sta dve različni vrsti mikroskopskih dodatkov na celicah. Cilia najdemo tako v živalih kot v mikroorganizmih, ne pa tudi v večini rastlin. Bičevje se uporablja za gibljivost tako v bakterijah kot v spolnih celicah evkariontov. Tako trepalnice kot bičevje opravljajo gibalne funkcije, vendar na različne načine. Oba se zanašata na dinein, ki je motorni protein, in mikrotubule za delo.
TL; DR (predolgo; Nisem prebral)
Cilia in bičevi so organele na celicah, ki v živih organizmih zagotavljajo pogon, senzorične naprave, mehanizme za čiščenje in številne druge pomembne funkcije.
Kaj so Cilia?
Cilia so bile prve organele, ki jih je v poznem 17. stoletju odkril Antonie van Leeuwenhoek. Opazoval je gibljive (premikajoče se) trepalnice, "majhne noge", za katere je opisal, da prebivajo na "živalskih kulah" (verjetno protozojih). Nemotilne trepalnice so opazili veliko kasneje z boljšimi mikroskopi. Večina trepalnic obstaja pri živalih v skoraj vseh vrstah celic, ki so ohranjene v mnogih evolucijskih vrstah. Vendar pa lahko nekatere cilije najdemo v rastlinah v obliki spolnih celic. Cilije so narejene iz mikrotubulov v razporeditvi, imenovani ciliarni aksonem, ki jo pokriva plazemska membrana. Celično telo tvori ciliarne beljakovine in jih premakne na konico aksonema; ta proces se imenuje intraciliarni ali intraflagelarni transport (IFT). Trenutno znanstveniki menijo, da je približno 10 odstotkov človeškega genoma namenjenega trepalnicam in njihovi genezi.
Cilia je dolga od 1 do 10 mikrometrov. Te lasje podobne organele delujejo tako za premikanje celic kot tudi za premikanje materialov. Tekočine lahko premikajo za vodne vrste, kot so školjke, da omogočajo prevoz hrane in kisika. Cilia pomaga pri dihanju v pljučih živali, saj preprečuje, da bi odpadki in morebitni patogeni vdrli v telo. Cilije so krajše od bičkov in se koncentrirajo v veliko večjem številu. Običajno se gibljejo v hitrem gibu skoraj istočasno v skupini, kar predstavlja valovni učinek. Cilia lahko pomaga tudi pri gibanju nekaterih vrst praživali. Obstajata dve vrsti trepalnic: premična (premična) in nemotilna (ali primarna) trepalnica, obe pa delujeta prek IFT sistemov. Gibljive trepalnice prebivajo v prehodih dihalnih poti in pljučih ter znotraj ušesa. V mnogih organih prebivajo nemotilne trepalnice.
Kaj so bičevi?
Bičevje so dodatki, ki pomagajo pri premikanju bakterij in spolnih celic evkariontov, pa tudi nekaterih praživali. Bičevi so ponavadi ednine, kot rep. Običajno so daljši od trepalnic. V prokariontih bičevje delujejo kot majhni motorji z vrtenjem. Pri evkariontih delajo bolj gladko.
Funkcije Cilia
Cilia igra vlogo v celičnem ciklusu, pa tudi pri razvoju živali, na primer v srcu. Cilia selektivno omogoča, da nekatere beljakovine delujejo pravilno. Cilia igra tudi vlogo celične komunikacije in molekularne trgovine.
Gibljive trepalnice imajo 9 + 2 razporeditev devetih zunanjih parov mikrotubulov, skupaj s središčem dveh mikrotubulov. Gibljive trepalnice s svojim ritmičnim valovanjem odstranjujejo snovi, tako kot pri čiščenju umazanije, prahu, mikroorganizmov in sluzi, za preprečevanje bolezni. Zato obstajajo na oblogah dihalnih poti. Gibljive trepalnice lahko zaznavajo in premikajo zunajcelično tekočino.
Nemotilne ali primarne trepalnice niso v skladu z enako strukturo kot gibljive trepalnice. Razporejeni so kot posamezne mikrocevke v dodatku brez osrednje strukture mikrotubulov. Nimajo dineinskih orožij, zato je njihova splošna nemotilnost. Znanstveniki se dolga leta niso osredotočali na te primarne trepalnice in so zato malo vedeli o njihovih funkcijah. Nemotilne trepalnice služijo kot senzorični aparat za celice, ki zaznavajo signale. Imajo ključno vlogo v senzoričnih nevronih. V ledvicah lahko najdemo nemotilne cilije, ki zaznavajo pretok urina, pa tudi v očeh na fotoreceptorjih mrežnice. V fotoreceptorjih delujejo za prenos vitalnih proteinov iz notranjega segmenta fotoreceptorja v zunanji segment; brez te funkcije bi fotoreceptorji umrli. Ko trepalnice zaznajo pretok tekočine, to privede do sprememb v rasti celic.
Cilia nudi več kot samo čiščenje in senzorične funkcije. Zagotavljajo tudi habitate ali regrutna območja za simbiotske mikrobiome pri živalih. Pri vodnih živalih, kot so lignji, lahko ta epitelijska tkiva sluzi bolj neposredno opazujemo, saj so pogosta in niso notranje površine. Na gostiteljskih tkivih obstajata dve različni populaciji cilij: ena z dolgimi cilijami, ki mahajo skupaj majhni delci, kot so bakterije, izključujejo pa večje in krajše utripajoče trepalnice, ki mešajo okolje tekočine. Te trepalnice si prizadevajo zaposliti simbiote mikrobiomov. Delajo na območjih, ki bakterije in druge drobne delce preusmerijo v zaščitena območja, hkrati pa mešajo tekočine in olajšajo kemične signale, da lahko bakterije naselijo želeno regijo. Zato si trepalnice prizadevajo za filtriranje, čiščenje, lokalizacijo, izbiro in združevanje bakterij ter nadzor oprijema na trepalnicah.
Ugotovljeno je bilo tudi, da cilije sodelujejo pri vezikularnem izločanju ektosomov. Novejše raziskave razkrivajo interakcije med trepalnicami in celičnimi potmi, ki bi lahko omogočile vpogled v celično komunikacijo in bolezni.
Funkcije bičkov
Bičevje najdemo v prokariontih in evkariontih. So organele z dolgimi nitkami, izdelane iz več beljakovin, ki na njihovi površini na bakterijah dosežejo kar 20 mikrometrov. Značilno je, da so bičevi daljši od trepalnic in zagotavljajo gibanje in pogon. Motorji z bakterijskimi nitkami se lahko vrtijo do 15.000 vrtljajev na minuto (vrt / min). Plavalna sposobnost bičkov pripomore k njihovi funkciji, najsi gre za iskanje hrane in hranil, razmnoževanje ali napadanje gostiteljev.
V prokariontih, kot so bakterije, bičevje služijo kot pogonski mehanizem; so glavni način, kako bakterije plavajo skozi tekočine. Bičevje v bakterijah ima ionski motor za navor, kavelj, ki prenaša navor motorja, in nit ali dolg rep, podoben strukturi, ki poganja bakterijo. Motor se lahko obrača in vpliva na obnašanje filamenta ter spreminja smer vožnje bakterije. Če se bič se premika v smeri urinega kazalca, tvori super tuljavo; več bičev lahko tvori snop, ki pomaga bakteriji poganjati po ravni poti. Ko se nit obrne v nasprotni smeri, naredi krajšo super tuljavo in snop bičkov se razstavi, kar vodi do trčenja. Zaradi pomanjkanja visoke ločljivosti za eksperimente znanstveniki z računalniškimi simulacijami napovedujejo gibanje bičkov.
Količina trenja v tekočini vpliva na to, kako bo nitka super tuljava. Bakterije lahko gostijo več bičkov, na primer pri Escherichia coli. Bičevje omogočajo bakterijam, da plavajo v eno smer in se nato po potrebi obrnejo. To deluje prek vrtljivih vijačnih bičkov, ki uporabljajo različne metode, vključno s cikli potiskanja in vlečenja. Drug način gibanja dosežemo tako, da telo telesa zavijemo v snop. Na ta način lahko bičevje pomaga tudi pri obračanju gibanja. Ko bakterije naletijo na zahtevne prostore, lahko spremenijo svoj položaj tako, da svojim bičekom omogočijo, da ponovno konfigurirajo ali razstavijo svoje snope. Ta polimorfni prehod stanja omogoča različne hitrosti, pri čemer so stanja potiska in vlečenja običajno hitrejša od zavitih stanj. To pomaga v različnih okoljih; na primer spiralni snop lahko premakne bakterijo skozi viskozna območja z učinkom zamaška. To pomaga pri raziskovanju bakterij.
Bičevje zagotavljajo gibanje bakterij, hkrati pa tudi mehanizem za patogene bakterije, ki pomagajo pri kolonizaciji gostiteljev in s tem prenašanju bolezni. Bičevje z metodo zasuka in palice zasidrajo bakterije na površine. Bičevje delujejo tudi kot mostički ali odri za oprijem na gostiteljsko tkivo.
Eukariontske bičeve se v sestavi razlikujejo od prokariontov. Bičevje v evkariontih vsebujejo veliko več beljakovin in imajo nekaj podobnosti z gibljivimi cilijami z enakimi splošnimi vzorci gibanja in nadzora. Bičevje se uporablja ne samo za gibanje, temveč tudi za pomoč pri hranjenju celic in razmnoževanju evkariontov. Bičevje uporabljajo intraflagelarni transport, to je transport kompleksa beljakovin, potrebnih za signalne molekule, ki dajejo flageli gibljivost. Bičevje obstajajo na mikroskopskih organizmih, kot je Mastigophora protozoa, ali pa obstajajo znotraj večjih živali. Številni mikroskopski paraziti imajo tudi bičeve, kar jim pomaga pri potovanju skozi gostiteljski organizem. Bičevje teh protističnih parazitov imajo tudi paraflagelarno palico ali PFR, ki pomaga pri navezanosti na vektorje, kot so žuželke. Nekateri drugi primeri bičkov pri evkariontih vključujejo rep gamet, kot je sperma. Bičevje najdemo tudi v gobah in drugih vodnih vrstah; bičevec v teh bitjih pomaga premikati vodo za dihanje. Evkariotske bičeve služijo tudi skoraj kot drobne antene ali senzorične organele. Znanstveniki šele začenjajo razumeti širino delovanja evkariontskih bičkov.
Bolezni, povezane s Cilia
Nedavna znanstvena odkritja so pokazala, da mutacije ali druge okvare, povezane s cilijami, povzročajo številne bolezni. Ti pogoji se imenujejo ciliopatije. Močno vplivajo na posameznike, ki trpijo zaradi njih. Nekatere ciliopatije vključujejo kognitivne okvare, degeneracijo mrežnice, izgubo sluha, anosmijo (izguba vonja), kraniofacialne nepravilnosti, pljuča in dihalne poti nepravilnosti, asimetrija levo-desno in s tem povezane srčne napake, ciste trebušne slinavke, bolezni jeter, neplodnost, polidaktilija in ledvične nepravilnosti, kot so ciste, med drugi. Poleg tega so nekateri raki povezani s ciliopatijami.
Nekatere ledvične motnje, povezane z disfunkcijo cilij, vključujejo nefronoftizo in avtosomno dominantno in avtosomno recesivno policistično ledvično bolezen. Motnje delovanja trepalnic ne morejo ustaviti delitve celic, ker ne zaznajo pretoka urina, kar vodi v razvoj ciste.
Pri Kartagenerjevem sindromu disineinska disfunkcija roke vodi do neučinkovitega čiščenja dihalnih poti od bakterij in drugih snovi. To lahko povzroči ponavljajoče se okužbe dihal.
Pri Bardet-Biedlovem sindromu malformacija cilij vodi do težav, kot so degeneracija mrežnice, polidaktilija, možganske motnje in debelost.
Ne dedne bolezni so lahko posledica poškodb trepalnic, na primer ostankov cigaret. To lahko privede do bronhitisa in drugih težav.
Patogeni lahko tudi spodbudijo normalno simbiotsko spodbujanje bakterij s pomočjo cilij, na primer pri vrstah Bordetella, ki povzroči, da se utrip trepalnic zmanjša in zato omogoča, da se patogen pritrdi na podlago in povzroči okužbo človeka dihalne poti.
Bolezni, povezane z bičevi
Številne bakterijske okužbe se nanašajo na delovanje bičkov. Primeri patogenih bakterij so Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa in Campylobacter jejuni. Pojavijo se številne interakcije, zaradi katerih bakterije napadajo gostiteljska tkiva. Bičevje delujejo kot sonde, ki iščejo nakup na gostiteljski podlagi. Nekatere fitobakterije uporabljajo svoje bičeve, da se držijo rastlinskih tkiv. Zaradi tega pridelki, kot so sadje in zelenjava, postanejo sekundarni gostitelji bakterij, ki okužijo ljudi in živali. En primer je Listeria monocytogenes in seveda E. coli in Salmonella sta zloglasna povzročitelja bolezni, ki se prenašajo s hrano.
Helicobacter pylori uporablja svoj bič, da plava skozi sluz in vdre v sluznico želodca ter se izogne zaščitni želodčni kislini. Sluzne obloge delujejo kot imunska obramba, da takšno invazijo ujamejo z vezavo bičkov, vendar nekatere bakterije najdejo več načinov, kako se izogniti prepoznavanju in ujetju. Filamenti bičevin se lahko razgradijo, tako da jih gostitelj ne more prepoznati ali pa se lahko izključi njihovo izražanje in gibljivost.
Kartagenerjev sindrom vpliva tudi na bičeve. Ta sindrom moti krake dinineina med mikrotubulami. Rezultat je neplodnost zaradi semenčic, ki nimajo pogona, potrebnega od bičkov za plavanje in oploditev jajčec.
Ko se znanstveniki naučijo več o trepalnicah in bičevih ter še bolj pojasnjujejo njihove vloge v organizmih, bi morali slediti novi pristopi k zdravljenju bolezni in izdelavi zdravil.