อะไรคือหน้าที่หลักของ Cilia & Flagella?

Cilia และ flagella เป็นอวัยวะสองประเภทที่แตกต่างกันในเซลล์ Cilia พบได้ทั้งในสัตว์และจุลินทรีย์ แต่ไม่พบในพืชส่วนใหญ่ แฟลกเจลลาใช้สำหรับการเคลื่อนไหวในแบคทีเรียและเซลล์สืบพันธุ์ของยูคาริโอต ทั้ง cilia และ flagella ทำหน้าที่ในการเคลื่อนที่ แต่ในลักษณะที่แตกต่างกัน ทั้งสองพึ่งพาไดนินซึ่งเป็นโปรตีนจากมอเตอร์และไมโครทูบูลในการทำงาน

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

Cilia และ flagella เป็นออร์แกเนลล์ในเซลล์ที่ให้แรงขับ อุปกรณ์ประสาทสัมผัส กลไกการกวาดล้าง และหน้าที่ที่สำคัญอื่นๆ มากมายในสิ่งมีชีวิต

Cilia เป็นออร์แกเนลล์แรกที่ค้นพบโดย Antonie van Leeuwenhoek ในช่วงปลายศตวรรษที่ 17 เขาสังเกตเห็นขนที่เคลื่อนไหว (เคลื่อนไหว) "ขาเล็กๆ" ซึ่งเขาอธิบายว่าอาศัยอยู่ใน "สัตว์" (อาจเป็นโปรโตซัว) ตาที่ไม่เคลื่อนที่ถูกสังเกตได้มากในภายหลังด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ดีกว่า ตาส่วนใหญ่มีอยู่ในสัตว์ ในเซลล์แทบทุกประเภท ซึ่งได้รับการอนุรักษ์ไว้เหนือวิวัฒนาการหลายสายพันธุ์ อย่างไรก็ตาม ตาบางชนิดสามารถพบได้ในพืชในรูปแบบของเซลล์สืบพันธุ์ Cilia ทำมาจาก microtubules ในรูปแบบที่เรียกว่า ciliary axoneme ซึ่งปกคลุมด้วยพลาสมาเมมเบรน ร่างกายของเซลล์สร้างโปรตีนปรับเลนส์และเคลื่อนไปยังส่วนปลายของแอกโซนีม กระบวนการนี้เรียกว่าการขนส่งภายในหรือภายใน (IFT) ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์คิดว่าประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ของจีโนมมนุษย์นั้นอุทิศให้กับตาและการกำเนิดของพวกมัน

Cilia มีความยาวตั้งแต่ 1 ถึง 10 ไมโครเมตร ออร์แกเนลล์ที่มีลักษณะคล้ายขนเหล่านี้ทำงานเพื่อเคลื่อนย้ายเซลล์และเคลื่อนย้ายวัสดุ พวกมันสามารถเคลื่อนย้ายของเหลวสำหรับสัตว์น้ำ เช่น หอย เพื่อให้สามารถลำเลียงอาหารและออกซิเจนได้ Cilia ช่วยหายใจในปอดของสัตว์โดยป้องกันเศษซากและเชื้อโรคที่อาจเกิดขึ้นจากการบุกรุกร่างกาย Cilia นั้นสั้นกว่าแฟลเจลลาและมีสมาธิในจำนวนที่มากกว่ามาก พวกมันมักจะเคลื่อนที่เป็นจังหวะเร็วเกือบพร้อมกันในกลุ่ม ทำให้เกิดเอฟเฟกต์คลื่น ตายังสามารถช่วยในการเคลื่อนที่ของโปรโตซัวบางชนิด มี cilia อยู่สองประเภท: cilia (เคลื่อนที่) และ non-motile (หรือ primary) cilia และทั้งสองทำงานผ่านระบบ IFT ขนเคลื่อนไหวอยู่ในทางเดินหายใจและปอดตลอดจนภายในหู ตาที่ไม่เคลื่อนที่นั้นอาศัยอยู่ในอวัยวะต่างๆ

แฟลกเจลลาเป็นอวัยวะที่ช่วยเคลื่อนย้ายแบคทีเรียและเซลล์สืบพันธุ์ของยูคาริโอต รวมทั้งโปรโตซัวบางชนิด แฟลกเจลลามักจะเป็นเอกพจน์เหมือนหาง โดยทั่วไปแล้วจะยาวกว่าตา ในโปรคาริโอต แฟลกเจลลาทำงานเหมือนมอเตอร์ขนาดเล็กที่มีการหมุน ในยูคาริโอต พวกมันเคลื่อนไหวได้นุ่มนวลขึ้น

Cilia มีบทบาทในวัฏจักรเซลล์และพัฒนาการของสัตว์ เช่น ในหัวใจ Cilia คัดเลือกให้โปรตีนบางชนิดทำงานได้อย่างถูกต้อง ซิเลียยังมีบทบาทในการสื่อสารผ่านเซลลูลาร์และการค้ามนุษย์ในระดับโมเลกุลอีกด้วย

ตาเคลื่อนที่มีการจัดเรียง 9+2 ของไมโครทูบูลด้านนอกเก้าคู่ พร้อมกับจุดศูนย์กลางของไมโครทูบูลสองอัน ขนตาเคลื่อนที่ใช้คลื่นเสียงเป็นจังหวะเพื่อกวาดล้างสารต่างๆ เช่น การล้างสิ่งสกปรก ฝุ่น จุลินทรีย์ และเมือก เพื่อป้องกันโรค นี่คือสาเหตุที่พวกมันมีอยู่บนเยื่อบุทางเดินหายใจ ตาเคลื่อนที่สามารถรับรู้และเคลื่อนย้ายของเหลวนอกเซลล์ได้

ตาที่ไม่เคลื่อนที่หรือปฐมภูมิไม่เป็นไปตามโครงสร้างเดียวกับตาเคลื่อนที่ พวกมันถูกจัดเรียงเป็นไมโครทูบูลส่วนต่อแยกแต่ละส่วนโดยไม่มีโครงสร้างไมโครทูบูลตรงกลาง พวกเขาไม่มีแขนไดนีน ดังนั้นจึงไม่เคลื่อนไหวโดยทั่วไป เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้สนใจที่ตาปฐมภูมิเหล่านี้ ดังนั้นจึงรู้หน้าที่ของมันเพียงเล็กน้อย ตาที่ไม่เคลื่อนที่ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ประสาทสัมผัสสำหรับเซลล์ตรวจจับสัญญาณ พวกมันมีบทบาทสำคัญในเซลล์ประสาทรับความรู้สึก ตาที่ไม่เคลื่อนที่สามารถพบได้ในไตเพื่อรับรู้การไหลของปัสสาวะ เช่นเดียวกับในดวงตาที่เซลล์รับแสงของเรตินา ในเซลล์รับแสง พวกมันทำหน้าที่ขนส่งโปรตีนที่สำคัญจากส่วนในของตัวรับแสงไปยังส่วนนอก หากไม่มีฟังก์ชันนี้ ตัวรับแสงก็จะตาย เมื่อ cilia รับรู้ถึงการไหลของของเหลว นั่นนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงการเติบโตของเซลล์

Cilia ให้มากกว่าฟังก์ชั่นการกวาดล้างและประสาทสัมผัสเท่านั้น พวกเขายังจัดหาแหล่งที่อยู่อาศัยหรือพื้นที่จัดหาสำหรับ microbiomes ชีวภาพในสัตว์ ในสัตว์น้ำ เช่น ปลาหมึก เนื้อเยื่อบุผิวเมือกเหล่านี้สามารถสังเกตได้โดยตรงมากกว่า เนื่องจากพบได้ทั่วไปและไม่ใช่พื้นผิวภายใน มีประชากร cilia ที่แตกต่างกันสองชนิดบนเนื้อเยื่อของโฮสต์: หนึ่งมี cilia ยาวที่คลื่น อนุภาคขนาดเล็ก เช่น แบคทีเรีย แต่ไม่รวมอนุภาคขนาดใหญ่ และซีเลียที่ตีสั้นกว่าซึ่งผสมสิ่งแวดล้อม ของเหลว ตาเหล่านี้ทำงานเพื่อคัดเลือก microbiome symbionts พวกเขาทำงานในโซนที่เปลี่ยนแบคทีเรียและอนุภาคขนาดเล็กอื่น ๆ ไปยังโซนกำบังในขณะเดียวกันก็ผสมของเหลวและอำนวยความสะดวกในการส่งสัญญาณทางเคมีเพื่อให้แบคทีเรียสามารถตั้งรกรากในบริเวณที่ต้องการได้ ดังนั้น cilia จึงทำงานเพื่อกรอง ล้าง กำหนดตำแหน่ง เลือกและรวมแบคทีเรีย และควบคุมการยึดเกาะสำหรับพื้นผิว ciliated

นอกจากนี้ยังพบว่า Cilia มีส่วนร่วมในการหลั่ง vesicular ของ ectosomes การวิจัยล่าสุดเผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์ตาและวิถีของเซลล์ที่สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการสื่อสารของเซลล์เช่นเดียวกับโรคต่างๆ

แฟลกเจลลาสามารถพบได้ในโปรคาริโอตและยูคาริโอต พวกมันคือออร์แกเนลล์เส้นใยยาวที่ทำจากโปรตีนหลายชนิด ซึ่งมีความยาวถึง 20 ไมโครเมตรจากพื้นผิวของพวกมันบนแบคทีเรีย โดยทั่วไปแล้ว แฟลกเจลลาจะยาวกว่าตาและให้การเคลื่อนไหวและการขับเคลื่อน มอเตอร์ไส้หลอดแบคทีเรียสามารถหมุนได้เร็วถึง 15,000 รอบต่อนาที (รอบต่อนาที) ความสามารถในการว่ายน้ำของแฟลกเจลลาช่วยในการทำงาน ไม่ว่าจะเป็นการหาอาหารและสารอาหาร การสืบพันธุ์ หรือการบุกรุกโฮสต์

ในโปรคาริโอต เช่น แบคทีเรีย แฟลกเจลลาทำหน้าที่เป็นกลไกขับเคลื่อน เป็นวิธีหลักที่แบคทีเรียจะว่ายผ่านของเหลว แฟลเจลลัมในแบคทีเรียมีมอเตอร์ไอออนสำหรับแรงบิด ตะขอที่ส่งแรงบิดของมอเตอร์ และเส้นใย หรือโครงสร้างคล้ายหางยาวที่ขับเคลื่อนแบคทีเรีย มอเตอร์สามารถหมุนและส่งผลต่อพฤติกรรมของไส้หลอด ทำให้ทิศทางการเดินทางของแบคทีเรียเปลี่ยนไป ถ้าแฟลเจลลัมเคลื่อนที่ตามเข็มนาฬิกาจะเกิดเป็นซุปเปอร์คอยล์ แฟลกเจลลาหลายชนิดสามารถสร้างมัด และสิ่งเหล่านี้ช่วยขับเคลื่อนแบคทีเรียบนเส้นทางตรง เมื่อหมุนไปทางตรงกันข้าม ฟิลาเมนต์จะทำให้ซุปเปอร์คอยล์สั้นลงและมัดแฟลกเจลลาแยกส่วน นำไปสู่การร่วงหล่น เนื่องจากไม่มีความละเอียดสูงในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์จึงใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อทำนายการเคลื่อนที่ของแฟลเจลลาร์

ปริมาณแรงเสียดทานในของเหลวมีผลต่อการที่ไส้หลอดจะซุปเปอร์คอยล์ แบคทีเรียสามารถโฮสต์แฟลกเจลลาได้หลายชนิด เช่น Escherichia coli แฟลกเจลลายอมให้แบคทีเรียว่ายไปในทิศทางเดียวแล้วเลี้ยวตามต้องการ ซึ่งทำงานผ่านแฟลกเจลลาที่หมุนเป็นเกลียวซึ่งใช้วิธีการต่างๆ รวมทั้งวงจรการผลักและดึง วิธีการเคลื่อนไหวอีกวิธีหนึ่งทำได้โดยการพันรอบร่างกายเซลล์เป็นมัด ในลักษณะนี้ แฟลกเจลลายังสามารถช่วยในการย้อนกลับได้ เมื่อแบคทีเรียพบกับพื้นที่ที่ท้าทาย พวกมันสามารถเปลี่ยนตำแหน่งได้โดยทำให้แฟลเจลลาของพวกมันกำหนดค่าใหม่หรือถอดแยกชิ้นส่วนของพวกมัน การเปลี่ยนสถานะ polymorphic นี้ช่วยให้มีความเร็วที่แตกต่างกัน โดยปกติสถานะการผลักและดึงจะเร็วกว่าสถานะที่ห่อหุ้ม สิ่งนี้ช่วยในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น มัดเป็นเกลียวสามารถเคลื่อนย้ายแบคทีเรียผ่านบริเวณที่มีความหนืดด้วยเอฟเฟกต์เกลียว ซึ่งช่วยในการสำรวจแบคทีเรีย

แฟลกเจลลาให้การเคลื่อนไหวสำหรับแบคทีเรีย แต่ยังให้กลไกสำหรับแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรคเพื่อช่วยในการตั้งอาณานิคมโฮสต์และดังนั้นจึงส่งโรค แฟลกเจลลาใช้วิธีบิดและติดเพื่อยึดแบคทีเรียลงบนพื้นผิว แฟลกเจลลายังทำหน้าที่เป็นสะพานหรือโครงสำหรับยึดติดกับเนื้อเยื่อของโฮสต์

ยูคาริโอตแฟลกเจลลาแตกต่างจากโปรคาริโอตในองค์ประกอบ แฟลกเจลลาในยูคาริโอตมีโปรตีนมากกว่ามากและมีความคล้ายคลึงกันกับตาเคลื่อนที่ด้วยการเคลื่อนไหวทั่วไปและรูปแบบการควบคุมเหมือนกัน แฟลกเจลลาไม่เพียงแต่ใช้สำหรับการเคลื่อนไหว แต่ยังช่วยในการป้อนเซลล์และการสืบพันธุ์ของยูคาริโอตอีกด้วย แฟลกเจลลาใช้การขนส่งภายในแฟลกเจลลา ซึ่งเป็นการขนส่งโปรตีนที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นสำหรับโมเลกุลส่งสัญญาณที่ทำให้แฟลเจลลาเคลื่อนที่ได้ แฟลกเจลลามีอยู่ในสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเช่น Mastigophora protozoa หรืออาจมีอยู่ในสัตว์ขนาดใหญ่ ปรสิตขนาดเล็กจำนวนหนึ่งมีแฟลกเจลลาเช่นกัน ช่วยในการเดินทางผ่านสิ่งมีชีวิตที่เป็นโฮสต์ แฟลกเจลลาของปรสิตโปรทิสต์เหล่านี้ยังมีแท่งพาราฟลาเจลลาร์หรือ PFR ซึ่งช่วยในการเกาะติดกับพาหะนำโรค เช่น แมลง ตัวอย่างอื่น ๆ ของแฟลกเจลลาในยูคาริโอต ได้แก่ หางของ gametes เช่นสเปิร์ม แฟลกเจลลาสามารถพบได้ในฟองน้ำและสัตว์น้ำอื่นๆ แฟลกเจลลาในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ช่วยเคลื่อนย้ายน้ำเพื่อการหายใจ ยูคาริโอตแฟลกเจลลายังทำหน้าที่เป็นเสาอากาศขนาดเล็กหรืออวัยวะรับความรู้สึก นักวิทยาศาสตร์เพิ่งเริ่มเข้าใจความกว้างของหน้าที่ของแฟลกเจลลายูคาริโอต

การค้นพบทางวิทยาศาสตร์เมื่อเร็ว ๆ นี้พบว่าการกลายพันธุ์หรือข้อบกพร่องอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับ cilia ทำให้เกิดโรคหลายอย่าง เงื่อนไขเหล่านี้เรียกว่า ciliopathies พวกเขาส่งผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อบุคคลที่ทุกข์ทรมานจากพวกเขา ciliopathies บางอย่างรวมถึงความบกพร่องทางสติปัญญา, ความเสื่อมของจอประสาทตา, การสูญเสียการได้ยิน, ภาวะโลหิตจาง (สูญเสียความรู้สึกของกลิ่น), ความผิดปกติของกะโหลกศีรษะ, ปอดและทางเดินหายใจ ความผิดปกติ, ความไม่สมดุลของซ้าย-ขวา และความผิดปกติของหัวใจที่เกี่ยวข้อง, ซีสต์ตับอ่อน, โรคตับ, ภาวะมีบุตรยาก, ความผิดปกติของ polydactyly และความผิดปกติของไต เช่น ซีสต์ เป็นต้น คนอื่น ๆ นอกจากนี้ มะเร็งบางชนิดมีความเกี่ยวข้องกับโรคลมชัก

ความผิดปกติของไตบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับความผิดปกติของ cilia รวมถึง nephronophthisis และทั้งโรคไต polycystic แบบ autosomal dominant และ autosomal recessive ตาที่ทำหน้าที่ผิดปกติไม่สามารถหยุดการแบ่งตัวของเซลล์ได้ เนื่องจากตรวจไม่พบการไหลของปัสสาวะ นำไปสู่การพัฒนาของซีสต์

ในกลุ่มอาการของ Kartagener ความผิดปกติของแขน dynein นำไปสู่การล้างระบบทางเดินหายใจของแบคทีเรียและสารอื่นๆ อย่างไร้ประสิทธิภาพ นี้สามารถนำไปสู่การติดเชื้อทางเดินหายใจซ้ำ ๆ

ในกลุ่มอาการ Bardet-Biedl ความผิดปกติของ cilia นำไปสู่ปัญหาต่าง ๆ เช่นจอประสาทตาเสื่อม, polydactyly, ความผิดปกติของสมองและโรคอ้วน

โรคที่ไม่ใช่กรรมพันธุ์อาจเป็นผลมาจากความเสียหายต่อตา เช่น จากเศษบุหรี่ นี้สามารถนำไปสู่โรคหลอดลมอักเสบและปัญหาอื่นๆ

เชื้อโรคยังสามารถสั่งการการเลี้ยงแบบพึ่งพาอาศัยกันตามปกติของแบคทีเรียโดย cilia เช่นกับสายพันธุ์ Bordetella ซึ่ง ทำให้ขนตาตีบน้อยลง และทำให้เชื้อโรคเกาะกับสารตั้งต้นและนำไปสู่การติดเชื้อของมนุษย์ สายการบิน

การติดเชื้อแบคทีเรียจำนวนหนึ่งเกี่ยวข้องกับการทำงานของแฟลเจลลา ตัวอย่างของแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรค ได้แก่ Salmonella enterica, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa และ Campylobacter jejuni มีปฏิสัมพันธ์หลายอย่างที่ทำให้แบคทีเรียบุกรุกเนื้อเยื่อของโฮสต์ แฟลกเจลลาทำหน้าที่เป็นตัวตรวจสอบการผูกมัดเพื่อขอซื้อบนพื้นผิวของโฮสต์ phytobacteria บางชนิดใช้แฟลกเจลลาเพื่อยึดติดกับเนื้อเยื่อพืช สิ่งนี้นำไปสู่การผลิตเช่นผักและผลไม้กลายเป็นโฮสต์รองของแบคทีเรียที่ติดเชื้อในมนุษย์และสัตว์ ตัวอย่างหนึ่งคือ Listeria monocytogenes และแน่นอน E. โคไลและซัลโมเนลลาเป็นตัวแทนที่น่าอับอายของการเจ็บป่วยที่เกิดจากอาหาร

Helicobacter pylori ใช้แฟลเจลลัมเพื่อว่ายผ่านเมือกและบุกเข้าไปในเยื่อบุกระเพาะอาหาร เพื่อหลีกเลี่ยงกรดในกระเพาะที่ป้องกัน เยื่อบุเมือกทำงานเป็นเกราะป้องกันภูมิคุ้มกันเพื่อดักจับการบุกรุกดังกล่าวโดยการจับแฟลกเจลลา แต่แบคทีเรียบางชนิดพบวิธีหลายวิธีในการหลบหนีจากการจดจำและการจับ เส้นใยของแฟลกเจลลาสามารถย่อยสลายได้เพื่อให้โฮสต์ไม่สามารถจดจำได้ หรือปิดการแสดงออกและการเคลื่อนไหวของพวกมันได้

อาการของ Kartagener ยังส่งผลต่อแฟลกเจลลา กลุ่มอาการนี้รบกวนแขนไดน์นินระหว่างไมโครทูบูล ผลที่ได้คือภาวะมีบุตรยากเนื่องจากเซลล์อสุจิขาดแรงขับที่จำเป็นจากแฟลกเจลลาในการว่ายน้ำและปฏิสนธิกับไข่

ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ cilia และ flagella และอธิบายบทบาทของพวกมันในสิ่งมีชีวิตเพิ่มเติม แนวทางใหม่ในการรักษาโรคและการผลิตยาควรปฏิบัติตาม