Flagellum ( eng. Flagellum ) on pintarakenne, jota esiintyy monissa prokaryoottisoluissa ( bakteerit ja arkeat ) ja eukaryoottisoluissa ja joka palvelee niiden liikkumista nestemäisessä väliaineessa tai kiinteän väliaineen pinnalla .
Prokaryoottien ja eukaryoottien flagellat eroavat olennaisesti sekä rakenteeltaan että liikkeen energialähteeltä ja liikemekanismilta. Flagella voi esiintyä yksittäin tai lukuisina soluissa, ja niitä esiintyy monissa protisteissa , zoosporeissa ja sukusoluissa . Eukaryoottinen siima on kalvon ympäröimä solukasvusto, jonka sisällä on sytoskeleton elementtejä , jotka lyövät ATP:n hydrolyysin energian ansiosta. Bakteerisiima, kuten arkeaalinen siima, on upotettu solukalvoon ja pyörii protonien tai natriumionien transmembraanisen gradientin energian vuoksi .
Uimisen lisäksi flagellalla on tärkeä rooli muissa bakteerien elämän prosesseissa. Ne osallistuvat biofilmien muodostumiseen , muodostavat kontaktin solujen ja substraatin välillä, helpottavat symbioottisten bakteerien kolonisaatiota isännässä , toimivat yhtenä virulenssitekijöistä ja laukaisevat isännän immuunivasteen .
Eukaryoottinen siima on ohut kasvusolu solun pinnalla, joka on peitetty solukalvolla ja sisältää aksoneemin , monimutkaisen rakenneosan, joka on mikrotubulusten järjestelmä . Flagellat toimitetaan sukusoluilla monissa organismeissa, eläinporeissa ja monien protistien soluissa. Siima tekee aaltoilevia tai suppilomaisia liikkeitä 10-40 kierrosta sekunnissa . Energiaa eukaryoottisen siiman liikkumiseen saadaan ATP :n hydrolyysistä . Siiman ulompaa, solunulkoista osaa kutsutaan undulipodiaksi [1] .
Undulipodiumilla on yleensä tasainen paksuus koko pituudeltaan, joka vaihtelee välillä 200-250 nm . Lähes kaikissa vapaana elävissä protisteissa undulipodiat kantavat suomuja tai mastigoneemia (siiman pinnasta ulottuvia rihmamaisia rakenteita) [2] . Undulipodiumin rakenteellista perustaa edustaa aksoneemi, joka koostuu 9 parista perifeerisiä mikrotubuluksia (doubleteja) ja kahdesta keskeisestä mikrotubulusta. Tämä kaava (9 × 2 + 2) on tyypillinen kaikille eukaryooteille, vaikka poikkeuksia tunnetaan (useimmiten mikrotubulusten keskuspari vähenee, mutta joskus aksoneemiin ilmestyy lisää mikrotubuluksia). Aksoneemin komponentit ovat monimutkaisia ja koostuvat yli 250 proteiinista . Kaksi keskeistä mikrotubulusta ovat halkaisijaltaan 25 nm ja sijaitsevat 30 nm:n etäisyydellä toisistaan [1] , ne on puettu yhteiseen ohuesta materiaalista valmistettuun vaippaan. Säteittäisten pinnojen avulla vaippa on yhdistetty perifeerisiin mikrotubulusten kaksoiskappaleisiin. Jokainen dubletti muodostuu mikrotubuluksista A ja B, ja säteittäiset pinnat on kiinnitetty A-mikrotubuluksiin. A-mikrotubulukset myös dyneiinikahvoja ja nexin- siltoja. Dineiinikahvat on suunnattu viereistä duplettia kohti ja saavat aksoneemin taipumaan, mikä varmistaa dublettien liukumisen toistensa suhteen. Nexin-siltoja tarvitaan vierekkäisten duplettien vahvaan nivelsiteeseen aksoneemin siirtymävyöhykkeellä, joka ei ole taipuvainen. Joskus eukaryoottien siimat kantavat ylimääräisiä rakenteellisia elementtejä, kuten paraksiaalista säiettä, jota löytyy joistakin protisteista ( dinoflagellaatit , euglenoidit ja muut). Paraksiaalinen naru koostuu mikrofilamenteista ja kulkee pitkin aksoneemia [3] .
Siiman poistumistasolla solusta on ns. aksonemaalinen siirtymävyöhyke. Aksoneemi on kiinnittynyt kinetosomiin tai perusrunkoon, joka sijaitsee solukalvon alla. Kinetosomi on ontto sylinteri, jonka seinämä koostuu 9 mikrotubulusten tripletistä, jotka on yleensä yhdistetty fibrillisillalla. Tripletti sisältää aksoneemisten A- ja B-mikrotubulusten lisäksi ylimääräisen C-mikrotubuluksen B-mikrotubuluksen vieressä. Kinetosomin proksimaalisen osan keskellä on pinnoineen akseli, jota löytyy myös sentrioleista [4] .
Niin kutsutut juuret , fibrillaariset tai mikrotubulusrakenteet, lähtevät suoraan kinetosomeista . Joskus ne ovat yhteydessä kinetosomeihin lyhyillä fibrillaarisilla nipuilla tai alkavat kinetosomia ympäröivästä amorfisen materiaalin kerroksesta. Molempien tyyppien juuret ankkuroivat siimasolun solurunkoon [5] .
Yleensä eukaryoottisoluissa on 1 - 8 siimat, vaikka protistien keskuudessa tunnetaan monia polyflagellar-muotoja. Lippuprotistit on jaettu neljään pääryhmään: isokontit kantavat identtisiä siimoja, joilla on sama lyöntikuvio; anisokonteilla on eripituisia lippuja, mutta niillä on myös sama muoto ja lyöntitapa; heterokonteilla on kaksi lippua, jotka ovat ulkonäöltään ja sijainniltaan erilaisia, ja joilla on erilaisia lyöntitapoja; lopuksi stephanocont -muodoissa on 30-40 siiman teriima solun etupäässä [6] .
Jopa 80 prosentilla tunnetuista bakteerilajeista on flagella [7] . Siipien lukumäärä ja järjestys vaihtelee eri lajeissa. Joillakin bakteereilla on vain yksi siima (monotrichous), toisilla on kaksi siimoa, jotka sijaitsevat solun kahdessa vastakkaisessa päässä (amphitrichous), kolmannessa on siimokimppuja (lophotrichous) solun navoissa ja neljäs siima peittää koko pinnan. solun (peritrichous). Spirokeetoissa siima sijaitsee periplasmisessa tilassa kahden kalvon välissä . Spirokeettisoluilla on tyypillinen mutkainen muoto, joka muuttuu liikkeen myötä [8] .
Bakteerien siiman rakenne eroaa olennaisesti eukaryoottien siiman rakenteesta. Jos eukaryoottinen siima on kalvon ympäröimä solukasvusto, jonka sisällä on sytoskeleton elementtejä , jotka liikkuvat ATP:n hydrolyysin energian vaikutuksesta, niin bakteerisiima (kuten arkeaalinen siima) on upotettu solukalvoon ja pyörii. protonien tai natriumionien transmembraanigradientin energia . _ Lisäksi, toisin kuin eukaryoottiset siimat, joiden pääliiketyyppi on hakkaaminen, bakteerisiimot pyörivät [9] . Bakteerien ja arkkien lippu koostuu kahdesta itsenäisestä osasta - roottorista ja staattorista [10] .
Siima pyörii vuorotellen myötä- ja vastapäivään. Pyörimistaajuus on vakio tietylle solulle ja vaihtelee välillä 250 - 1700 Hz ( eli 1,5⋅104 - 105 rpm ) [ 10 ] .
Siiman rakennetta tutkitaan parhaiten E. coli Escherichia colissa ja Salmonella enterica -serotyypissä Typhimurium . Näiden bakteerien liikkumisesta vastaavat geenit on jaettu kolmeen ryhmään:
Bakteerisiimon tärkeimpiä rakenneosia ovat:
Siiman työosa on filamenttia tai lankaa . Filamentti on spiraalimainen sylinteri, jonka sisäinen kanava on halkaisijaltaan noin 3 nm. Filamentti koostuu noin 20 000 identtisestä flagelliiniproteiinin (FliC) alayksiköstä. Joillakin bakteereilla, kuten Helicobacter pylori , Caulobacter crescentus , Sinorhizobium meliloti ja Campylobacter coli , filamentissa on kahden tyyppisiä flagelliinialayksiköitä. Useissa bakteereissa flagelliinialayksiköt ovat glykosyloituneita . Flagellin-alayksiköt filamentin koostumuksessa on pinottu spiraaliin, 11 alayksikköä kierteen kierrosta kohti; siksi ne muodostavat 11 yhdensuuntaista protofilamenttia, jotka kulkevat pienessä kulmassa filamentin akseliin nähden. Filamentin muodon määräävät sen muodostavien flagelliinien aminohapposekvenssi , ionivahvuus ja liuoksen pH , jossa solu liikkuu. Kun moottori pyörii vastapäivään, hehkulanka saa vasenkätisen kierteen muodon ja myötäpäivään kääntyessään oikeakätisen muodon. Filamentin distaalipäässä on korkki (cap) , joka on kiekon muotoinen ja koostuu viidestä FliD-proteiinin alayksiköstä. Filamenttikanavan ja korkin viiden ”ikkunan” kautta flagelliinialayksiköt tulevat ulos, ja kansi varmistaa niiden taittumisen [13] .
Filamentti on kytketty perusrunkoon koukun kautta , jonka muodostavat FlgE-alayksiköt, FlgKL-lisäproteiinit ja FlgD-suojaproteiini, joka poistetaan, kun koukku kootaan. Koukku toimii joustavana liitoksena, jonka ansiosta jäykkä lanka voi muuttaa asemaansa kennon pintaan nähden [14] .
Perusrunko on upotettu soluseinään , ja gramnegatiivisissa bakteereissa se koostuu seuraavista osista:
Koska flagellum-alayksiköiden biosynteesi vaatii paljon soluresursseja, sitä säätelee erityinen kaskadi, joka E. colissa ja Salmonella enterica Typhimurium -serovarissa sisältää kolme geeniluokkaa. flagellum-alayksikön vientilaite koostuu FlhAB-, FliOPQR- ja FliHIJ-alayksiköistä, työntyy sytoplasmaan, kulkee roottorin keskiaukon läpi ja on osittain upotettu MS-renkaaseen [16] .
Bakteerisolun uinnin luonne riippuu siipien lukumäärästä ja sijainnista. Esimerkiksi monotrichissa Pseudomonas aeruginosa , myötäpäivään pyörivä siima työntää solua eteenpäin ja sitä vasten vetää sitä mukaansa. Joissakin bakteereissa siima pyörii vain myötäpäivään. Bakteereissa, joissa on monia siimoja (polytrichous), uimisen aikana siimot kudostuvat vastapäivään pyöriväksi siimaksi. Myötäpäivään kierrettynä nippu kelautuu, ja yksittäisten siipien itsenäisen pyörimisen vuoksi solu alkaa "pyörtyä" ja muuttaa liikesuuntaa arvaamattomasti [17] .
Uimisen lisäksi flagellalla on tärkeä rooli muissa bakteerien elämän prosesseissa. Ne osallistuvat biofilmien muodostukseen , muodostavat solujen kontaktin substraatin kanssa, helpottavat symbioottisten bakteerien kolonisaatiota isännässä , ja patogeenisten bakteerien kohdalla flagella toimii yhtenä virulenssitekijöistä , koska ne helpottavat tunkeutumista isäntään. keho, liike viskoosissa solujenvälisessä väliaineessa, tunkeutuminen endoteelisolujen . Bakteerisiimot ovat erittäin immunogeenisiä ja laukaisevat isännän immuunivasteen , joten siimakomponentteja käytetään passiiviseen immunisaatioon [18] .
Joillakin Vibrio -suvun bakteereilla (erityisesti Vibrio parahaemolyticus [19] ) ja joillakin proteobakteereilla , kuten Aeromonasilla , on kaksi erilaista flagellaarista järjestelmää, joiden proteiinikomponentteja koodaavat erilaiset geenisarjat ja erilaiset ionigradientit . käytetään kiertoon . Ensimmäiseen siimojärjestelmään kuuluvat polaarisiimot ovat pysyvästi läsnä ja tarjoavat liikkuvuutta nestevirtauksessa, kun taas toiseen siimojärjestelmään kuuluvat lateraaliset siimot ilmenevät vain silloin, kun ympäröivän nesteen vastus on niin suuri, että polaarisiima ei pysty pyörimään. Tämän ansiosta bakteerit voivat liukua eri pinnoilla ja viskooseissa nesteissä [20] [21] [22] [23] [24] [25] .
Archellum (archellum) palvelee, kuten muissakin organismeissa, pääasiassa liikkumiseen nestemäisessä väliaineessa. Rakenteellisesti archellum on samanlainen kuin tyypin IV sahat [27] . Suurin osa geeneistä, joiden proteiinituotteet muodostavat archellumin, muodostavat yhden operonin fla. Tämä operoni sisältää 7-13 geeniä, joiden tuotteet osallistuvat archellumin kokoamiseen ja toimintaan [28] . Archellumin rakenteellisia komponentteja kutsutaan arhelliineiksi, näitä proteiineja koodaavat flaA- ja flaB-geenit ; flaI- , flaJ- ja flaH-geenit koodaavat moottorikomponentteja . Tämä operoni koodaa myös apuproteiineja FlaG, FlaF ja FlaX sekä signalointiproteiineja FlaC, FlaD ja FlaE. Erilaisten arkeisten lajien geneettinen analyysi on osoittanut, että kaikkia lueteltuja proteiineja tarvitaan archellumin kokoamiseen [29] [30] [31] [32] [33] . Euryarkeooteilla on lähes täydellinen joukko fla -geenejä , kun taas Crenarchaeota-tyypin edustajilta saattaa puuttua yksi tai kaksi niistä. Arhelliinien kypsyminen vaatii peptidaasiprepiliiniä (euryarkeooteissa se tunnetaan nimellä PibD, crenarkeooteissa FlaK), mutta se ei ole osa fla-operonia [34] .
Vaikka archellum eroaa merkittävästi bakteerisiimosta monessa suhteessa, sen päätehtävä on sama – solun kuljettaminen nestemäisessä väliaineessa [33] [35] [36] tai märällä pinnalla [37] [38] . Kuten bakteerisiima [39] [40] , archellum osallistuu solujen kiinnittymiseen substraattiin ja solujen väliseen kommunikaatioon [41] [42] , mutta toisin kuin bakteerisiima, se ei osallistu biofilmien muodostumiseen [43] .
| eukaryoottisten solujen organellit | |
|---|---|
| endomembraanijärjestelmä | |
| sytoskeleton | |
| Endosymbiontit | |
| Muut sisäiset organellit | |
| Ulkoiset organellit | |