Eukaryotische Cilien und Geißeln
Eukaryotische Cilien und Geißeln: Aufbau des Axonems, Antrieb durch Dynein und Vorkommen, abgegrenzt von bakteriellen Flagellen.
Das Wichtigste in Kürze
- Cilien und Geißeln sind von der Plasmamembran überzogene, bewegliche Zellausstülpungen eukaryotischer Zellen mit einem Mikrotubuli-Gerüst.
- Das Axonem besteht aus Tubulin: 9 periphere Mikrotubuli-Paare und 2 zentrale Mikrotubuli (9×2+2), der Basalkörper hat dagegen 9×3+0.
- Kinocilien und Geißeln haben dieselbe Ultrastruktur und unterscheiden sich in der Länge.
- Die Bewegung ist ATP-abhängig: Dynein wandert an der Nachbardoublette entlang, Nexin und Basalverankerung machen daraus eine rhythmische Krümmung.
- Anders als bakterielle Flagellen aus Flagellin rotieren eukaryotische Geißeln nicht um einen Basalapparat.
- Geißeln tragen Algen, Protozoen und Spermatozoiden, Kinocilien transportieren z. B. Schleim in den Atemwegen.
Worum es geht
Cilien und Geißeln sind die beweglichen Fortsätze eukaryotischer Zellen. Sie gehören zum Cytoskelett, denn ihr Gerüst besteht aus Mikrotubuli. In der Pharmazie begegnen sie dir beim Flimmerepithel der Atemwege, das Schleim abtransportiert, und bei begeißelten Krankheitserregern wie Trypanosomen.
Axonem und Membranhülle
Bewegliche Cilien und eukaryotische Geißeln sind fadenförmige Zellausstülpungen. Die Plasmamembran überzieht sie vollständig. Im Inneren liegt das Axonem, ein Gerüst aus Mikrotubuli, die aus Tubulin bestehen.
Der Achsenfaden beweglicher Cilien und Geißeln: 9 ringförmig angeordnete Mikrotubuli-Paare (Doubletten) umgeben 2 einzelne zentrale Mikrotubuli. Kurzformel 9×2+2.
Jede Doublette besteht aus einem vollständigen A-Tubulus und einem angesetzten B-Tubulus. Am A-Tubulus sitzen die Dyneinarme. Nexin-Brücken verbinden benachbarte Doubletten, Radialspeichen reichen zum Zentralpaar. An der Basis verankert ein Basalkörper das Axonem. Die 9×2+2-Anordnung solltest du sicher können, samt Unterschied zum Basalkörper mit 9×3+0.
Das Gerüst ist also reines Tubulin. Actin und Myosin, die Proteine der Muskelkontraktion, bauen es nicht auf. Auch die Spermiengeißel enthält kein Flagellin. Dieses Protein bildet nur die bakteriellen Flagellen.
Geißeln und Kinocilien (bewegliche Cilien) haben dieselbe Ultrastruktur. Sie unterscheiden sich in der Länge: Kinocilien sind kurz und stehen oft zu Hunderten auf einer Zelle, Geißeln sind deutlich länger und meist einzeln. Die Cilie schlägt wie ein Ruder, gestreckt im Wirkschlag und gebeugt im Rückholschlag. Über die Geißel läuft dagegen eine Welle.
Bewegungsmechanismus
Den Antrieb liefert das Motorprotein Dynein. Seine Arme sitzen fest an einer Doublette und greifen an die Nachbardoublette. Unter Spaltung von ATP wandert Dynein an diesem Mikrotubulus entlang, so wie Hände, die sich an einem Seil weiterhangeln. Ohne ATP steht die Cilie still.
- Gleiten: Dynein schiebt benachbarte Doubletten längs gegeneinander.
- Begrenzen: Nexin-Brücken und die Verankerung im Basalkörper verhindern, dass die Doubletten frei auseinandergleiten.
- Krümmen: Die Scherkraft biegt deshalb das ganze Axonem.
- Rhythmus: Dyneinarme gegenüberliegender Seiten arbeiten abwechselnd. So entsteht die rhythmische Krümmung.
Die Bewegung beruht also auf Mikrotubuli und Dynein. Actinfilamente sind daran nicht beteiligt.
Die Bewegung eukaryotischer Cilien und Geißeln ist ATP-abhängig und beruht auf Dynein, das an den Mikrotubuli entlangwandert und das Axonem rhythmisch krümmt. Das wird im Examen gerne gefragt: Sie biegen sich und rotieren nicht um einen Basalapparat.
Genau darin unterscheiden sie sich von bakteriellen Flagellen.
- Axonem aus Tubulin, 9×2+2
- von der Plasmamembran umhüllt
- Dynein und ATP erzeugen eine Krümmung
- Faden aus Flagellin
- liegt außerhalb der Cytoplasmamembran
- ein dort verankerter Basalapparat versetzt sie in Rotation
Vorkommen und Funktion
Geißeln tragen viele eukaryotische Einzeller unter den Algen und Protozoen, etwa Chlamydomonas oder Trypanosoma. Auch Spermatozoiden schwimmen mit einer Geißel. Kinocilien sitzen dagegen dicht auf Epithelien. Im Flimmerepithel der Atemwege schieben sie Schleim mit Staub und Keimen rachenwärts.
Geißeln und Kinocilien dienen also der Fortbewegung oder dem Materialtransport. An der Mitose sind Geißeln nicht beteiligt. Die Chromosomen verteilt der Spindelapparat.
Quiz
Aussage 1
Kinocilien und eukaryotische Geißeln unterscheiden sich vor allem in der Anordnung ihrer Mikrotubuli.
Beide haben dieselbe Ultrastruktur (9×2+2). Sie unterscheiden sich in der Länge.
Aussage 2
Die Krümmung einer Cilie entsteht, weil Dynein unter ATP-Verbrauch an der benachbarten Mikrotubuli-Doublette entlangwandert.
Dynein schiebt die Doubletten gegeneinander. Nexin-Brücken und Basalverankerung wandeln das Gleiten in eine Krümmung um.
Aussage 3
Das Axonem einer eukaryotischen Geißel enthält neun ringförmig angeordnete Mikrotubuli-Paare und zwei zentrale Mikrotubuli aus Tubulin.
Das ist die 9×2+2-Anordnung des Axonems, aufgebaut aus Tubulin.
Aussage 4
Eukaryotische Geißeln werden wie bakterielle Flagellen von einem Basalapparat in der Cytoplasmamembran in Rotation versetzt.
Eukaryotische Geißeln rotieren nicht. Dynein krümmt das Axonem rhythmisch, nur bakterielle Flagellen rotieren.
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