Vilka är de viktigaste funktionerna hos Cilia & Flagella?

Cilia och flagella är två olika typer av mikroskopiska bilagor till celler. Cilia finns i både djur och mikroorganismer, men inte i de flesta växter. Flagella används för rörlighet hos bakterier såväl som eukaryoter. Både cilia och flagella tjänar rörelsefunktioner, men på olika sätt. Båda förlitar sig på dynein, som är ett motoriskt protein, och mikrotubuli för att fungera.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Cilia och flagella är organeller på celler som ger framdrivning, sensoriska anordningar, rensningsmekanismer och många andra viktiga funktioner i levande organismer.

Cilia var de första organeller som upptäcktes av Antonie van Leeuwenhoek i slutet av 1600-talet. Han observerade rörliga cilier, "små ben", som han beskrev som bosatta på "animalcules" (förmodligen protozoer). Icke-rörliga cilier observerades mycket senare med bättre mikroskop. De flesta cilia finns hos djur, i nästan alla typer av celler, konserverade över många arter i evolutionen. Men vissa cilia finns i växter i form av könsceller. Cilia är gjorda av mikrotubuli i ett arrangemang som kallas ciliary axoneme, som är täckt av plasmamembranet. Cellkroppen gör ciliära proteiner och flyttar dem till axonemets spets; denna process kallas intraciliary eller intraflagellar transport (IFT). För närvarande tror forskare att cirka 10 procent av det mänskliga genomet är tillägnad cilia och deras uppkomst.

Cilier sträcker sig från 1 till 10 mikrometer långa. Dessa hårliknande bihangorganeller arbetar för att flytta celler såväl som för att flytta material. De kan flytta vätskor för vattenlevande arter som musslor, för att möjliggöra transport av mat och syre. Cilia hjälper till med andning i djurs lungor genom att förhindra att skräp och potentiella patogener invaderar kroppen. Cilia är kortare än flageller och koncentreras i mycket större antal. De tenderar att röra sig i ett snabbt slag nästan samtidigt i en grupp, vilket utgör en vågeffekt. Cilia kan också hjälpa till att förflytta vissa typer av protozoer. Det finns två typer av cilia: rörliga (rörliga) och icke rörliga (eller primära) cilier, och båda fungerar via IFT-system. Motila cilier finns i luftvägspassager och lungor såväl som inuti örat. Icke-rörliga cilier finns i många organ.

Flagella är bilagor som hjälper till att flytta bakterier och eukaryoter, liksom lite protozoer. Flagella tenderar att vara singular, som en svans. De är vanligtvis längre än cilia. I prokaryoter fungerar flageller som små motorer med rotation. I eukaryoter gör de mjukare rörelser.

Cilia spelar roller i cellcykeln såväl som djurutvecklingen, såsom i hjärtat. Cilia tillåter selektivt att vissa proteiner fungerar korrekt. Cilia spelar också en roll inom cellulär kommunikation och molekylär handel.

Motila cilier har ett 9 + 2-arrangemang av nio yttre mikrotubuli-par, tillsammans med ett centrum av två mikrotubuli. Motila cilia använder sin rytmiska våg för att sopa bort ämnen, som för att rensa smuts, damm, mikroorganismer och slem, för att förhindra sjukdom. Det är därför de finns på luftvägarnas foder. Motila cilier kan både känna och flytta extracellulär vätska.

Icke-rörliga eller primära cilier överensstämmer inte med samma struktur som rörliga cilia. De är ordnade som enskilda bihangsmikrotubuli utan den centrala mikrotubulstrukturen. De har inte dyneinarmar, därav deras allmänna icke-rörlighet. Under många år fokuserade forskarna inte på dessa primära cilier och kände därför lite av deras funktioner. Icke-rörliga cilier fungerar som sensoriska apparater för celler och detekterar signaler. De spelar viktiga roller i sensoriska nervceller. Icke-rörliga cilia finns i njurarna för att känna urinflöde, liksom i ögonen på näthinnans fotoreceptorer. I fotoreceptorer fungerar de för att transportera vitala proteiner från fotoreceptorns inre segment till det yttre segmentet; utan denna funktion skulle fotoreceptorer dö. När flimmerhår känner av ett vätskeflöde leder det till celltillväxtförändringar.

Cilia ger mer än bara clearance och sensoriska funktioner. De ger också livsmiljöer eller rekryteringsområden för symbiotiska mikrobiomer hos djur. Hos vattenlevande djur som bläckfisk kan dessa slemepitelvävnader observeras mer direkt eftersom de är vanliga och inte är inre ytor. Två olika typer av ciliapopulationer finns på värdvävnader: en med långa cilier som vinkar längs små partiklar som bakterier men utesluter större och kortare slagande cilier som blandar miljön vätskor. Dessa cilier arbetar för att rekrytera mikrobiomsymbionter. De arbetar i zoner som flyttar bakterier och andra små partiklar till skyddade zoner, samtidigt som de blandar vätskor och underlättar kemiska signaler så att bakterier kan kolonisera den önskade regionen. Därför arbetar cilia för att filtrera, rensa, lokalisera, välja och aggregera bakterier och kontrollera vidhäftning för ciliated ytor.

Cilia har också upptäckts delta i vesikulär utsöndring av ektosomer. Nyare forskning avslöjar interaktioner mellan cilier och cellulära vägar som kan ge insikt i cellulär kommunikation såväl som i sjukdomar.

Flagella finns i prokaryoter och eukaryoter. De är långa filamentorganeller gjorda av flera proteiner som når så mycket som 20 mikrometer långt från deras yta på bakterier. Vanligtvis är flageller längre än cilia och ger rörelse och framdrivning. Bakteriella flagellamotorer kan snurra så snabbt som 15 000 varv per minut (rpm). Flagellas simningsförmåga hjälper till i deras funktion, oavsett om det är för att söka mat och näringsämnen, reproduktion eller invaderande värdar.

I prokaryoter såsom bakterier fungerar flageller som framdrivningsmekanismer; de är det främsta sättet för bakterier att simma genom vätskor. En flagellum i bakterier har en jonmotor för vridmoment, en krok som överför motorvridmoment och en glödtråd, eller en lång svansliknande struktur som driver bakterien. Motorn kan vända och påverka glödtrådens beteende och ändra bakteriernas körriktning. Om flagellen rör sig medurs bildar den en superspole; flera flageller kan bilda en bunt, och dessa hjälper till att driva en bakterie på en rak väg. När den roteras på motsatt väg gör filamentet en kortare superspole och flagellbunten demonteras, vilket leder till tumling. På grund av brist på hög upplösning för experiment använder forskare datorsimuleringar för att förutsäga flagellrörelse.

Mängden friktion i en vätska påverkar hur filamentet kommer att superspola. Bakterier kan vara värd för flera flageller, såsom med Escherichia coli. Flagella låter bakterier simma i en riktning och sedan vända efter behov. Detta fungerar via den roterande, spiralformade flagellen, som använder olika metoder inklusive tryck- och dragcykler. En annan rörelsemetod uppnås genom att lindas runt cellkroppen i en bunt. På detta sätt kan flageller också hjälpa till att vända rörelse. När bakterier stöter på utmanande utrymmen kan de ändra sin position genom att göra det möjligt för deras flageller att konfigurera om eller ta isär sina buntar. Denna polymorfa tillståndsövergång tillåter olika hastigheter, varvid tryck- och dra-tillstånden vanligtvis är snabbare än de lindade tillstånden. Detta hjälper till i olika miljöer; till exempel kan spiralbunten flytta en bakterie genom viskösa områden med en korkskruveffekt. Detta hjälper till med bakterieutforskning.

Flagella ger rörelse för bakterier men ger också en mekanism för patogena bakterier som hjälper till att kolonisera värdar och därmed överföra sjukdomar. Flagella använder en twist-and-stick-metod för att förankra bakterier på ytor. Flagella fungerar också som broar eller byggnadsställningar för vidhäftning till värdvävnad.

Eukaryot flagella avviker från prokaryoter i komposition. Flagella i eukaryoter innehåller mycket mer proteiner och har en viss likhet med rörliga cilia, med samma allmänna rörelse- och kontrollmönster. Flagella används inte bara för rörelse utan också för att hjälpa till med cellmatning och eukaryot reproduktion. Flagella använder intraflagellär transport, vilket är transporten av ett proteinkomplex som krävs för signalmolekylerna som ger flagellamobilitet. Flagella finns på mikroskopiska organismer som Mastigophora protozoa, eller de kan finnas i större djur. Ett antal mikroskopiska parasiter har också flageller, vilket hjälper deras resa genom en värdorganism. Flagellen från dessa protistparasiter bär också en paraflagellar stav eller PFR, som hjälper till vid fästning till vektorer som insekter. Några andra exempel på flageller i eukaryoter inkluderar svansar av könsceller som spermier. Flagella finns också i svampar och andra vattenlevande arter; flagellerna i dessa varelser hjälper till att flytta vatten för andning. Eukaryota flageller fungerar också nästan som små antenner eller sensoriska organeller. Forskare börjar först nu förstå bredden på funktionen för eukaryota flageller.

Nyligen vetenskapliga upptäckter har funnit att mutationer eller andra defekter relaterade till cilia orsakar ett antal sjukdomar. Dessa tillstånd kallas ciliopatier. De påverkar djupt personer som lider av dem. Vissa ciliopatier inkluderar kognitiv försämring, retinal degeneration, hörselnedsättning, anosmi (förlust av luktsinne), kraniofaciala abnormiteter, lunga och luftvägar abnormiteter, vänster-höger asymmetri och relaterade hjärtfel, cystor i bukspottkörteln, leversjukdom, infertilitet, polydaktyly och njuravvikelser såsom cystor, bland andra. Dessutom har vissa cancerformer en koppling till ciliopatier.

Vissa njursjukdomar relaterade till dysfunktion hos cilier inkluderar nefronofthisis och både autosomal dominant och autosomal recessiv polycystisk njursjukdom. Funktionsstörande cilia kan inte stoppa celldelning på grund av att det inte upptäcks urinflöde, vilket leder till cystutveckling.

I Kartageners syndrom leder dyneinarmsfunktion till ineffektiv rensning av luftvägarna från bakterier och andra ämnen. Detta kan leda till upprepade luftvägsinfektioner.

I Bardet-Biedl-syndrom leder cilia-missbildning till sådana problem som retinal degeneration, polydaktyly, hjärnsjukdomar och fetma.

Icke-ärftliga sjukdomar kan bero på skador på cilierna, till exempel från cigarettrester. Detta kan leda till bronkit och andra problem.

Patogener kan också beordra den normala symbiotiska främjandet av bakterier av cilier, såsom med Bordetella-arter, som orsakar att ciliaslag minskar och låter därför patogenen fästa vid ett substrat och leda till infektion hos människa luftvägar.

Ett antal bakterieinfektioner avser flagellafunktion. Exempel på patogena bakterier inkluderar Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa och Campylobacter jejuni. Ett antal interaktioner förekommer som leder bakterier till att invadera värdvävnader. Flagella fungerar som bindande sonder och söker köp på värdunderlag. Vissa fytobakterier använder sin flagella för att vidhäfta växtvävnader. Detta leder till att produkter som frukt och grönsaker blir sekundära värdar för bakterier som infekterar människor och djur. Ett exempel är Listeria monocytogenes och naturligtvis E. coli och Salmonella är ökända medel för livsmedelsburna sjukdomar.

Helicobacter pylori använder sin flagellum för att simma genom slem och invadera magens slemhinna och undvika den skyddande magsyran. Slemhinnor fungerar som ett immunförsvar för att fånga en sådan invasion genom att binda flageller, men vissa bakterier hittar flera sätt att undkomma igenkänning och fångst. Flagellfilament kan brytas ned så att värden inte kan känna igen dem, eller så kan deras uttryck och rörlighet stängas av.

Kartageners syndrom påverkar också flagella. Detta syndrom stör dyneinarmarna mellan mikrotubuli. Resultatet är infertilitet på grund av att spermaceller saknar framdrivning från flagella för att simma till och befrukta ägg.

När forskare lär sig mer om cilia och flagella och ytterligare belyser deras roller i organismer, bör nya metoder för att behandla sjukdomar och göra läkemedel följa.