Bičík ( angl. Flagellum ) je povrchová struktura přítomná v mnoha prokaryotických ( bakterie a archaea ) a eukaryotických buňkách a sloužící k jejich pohybu v kapalném prostředí nebo na povrchu pevných médií.
Bičíky prokaryot a eukaryot se zásadně liší jak stavbou, tak i zdrojem energie pro pohyb a mechanismem pohybu. Bičíky mohou být přítomny jednotlivě nebo v mnoha na buňkách a jsou přítomny v mnoha protistách , zoosporách a gametách . Eukaryotický bičík je buněčný výrůstek obklopený membránou s prvky cytoskeletu uvnitř, který bije v důsledku energie hydrolýzy ATP. Bakteriální bičík je stejně jako archaální bičík uložen v buněčné membráně a otáčí se díky energii transmembránového gradientu protonů nebo sodných iontů .
Kromě plavání hrají bičíky důležitou roli v dalších procesech v životě bakterií. Podílejí se na tvorbě biofilmů , zajišťují kontakt mezi buňkami a substrátem, usnadňují kolonizaci hostitele symbiotickými bakteriemi , slouží jako jeden z faktorů virulence a spouštějí imunitní odpověď hostitele .
Eukaryotický bičík je tenký výrůstek na buněčném povrchu, pokrytý buněčnou membránou a obsahující axoném , komplexní strukturní prvek, který je systémem mikrotubulů . Bičíky jsou zásobeny gametami v mnoha organismech, zoosporami a buňkami mnoha protistů. Bičík provádí zvlněné nebo trychtýřovité pohyby, které činí 10-40 otáček za sekundu . Energie pro pohyb eukaryotického bičíku se získává z hydrolýzy ATP . Vnější, extracelulární část bičíku se nazývá unulipodia [1] .
Undulipodium má obvykle jednotnou tloušťku po celé své délce, která se pohybuje od 200 do 250 nm . Téměř u všech volně žijících protistů nesou undulipodia šupiny nebo mastigonémy (vláknité struktury vyčnívající z povrchu bičíku) [2] . Strukturální základ unulipodia představuje axoném, který se skládá z 9 párů periferních mikrotubulů (dubletů) a dvou centrálních mikrotubulů. Tento vzorec (9 × 2 + 2) je typický pro všechna eukaryota, i když jsou známy výjimky (nejčastěji je redukován centrální pár mikrotubulů, ale někdy se v axonému objevují další mikrotubuly). Komponenty axonému jsou složité a jsou tvořeny více než 250 proteiny . Dva centrální mikrotubuly mají průměr 25 nm a jsou umístěny ve vzdálenosti 30 nm od sebe [1] , jsou obaleny ve společném plášti z tenkého materiálu. Pomocí radiálních paprsků je plášť spojen s periferními dublety mikrotubulů. Každý dublet je tvořen mikrotubuly A a B, s radiálními paprsky připojenými k A-mikrotubulům. A-mikrotubuly také dávají dyneinovým rukojetím a nexinovým můstkům. Rukojeti dyneinu směřují k sousednímu dubletu a způsobují ohyb axonémy, což zajišťuje klouzání dubletů vůči sobě navzájem. Nexinové můstky jsou potřebné pro pevné vazivo sousedních dubletů v přechodové zóně axonémy, které nepodléhá ohybu. Někdy bičíky eukaryot nesou další strukturální prvky, jako je paraxiální řetězec nalezený u některých protistů ( dinoflagellates , euglenoids a jiní). Paraxiální šňůra se skládá z mikrofilament a probíhá podél axonémy [3] .
Na výstupní úrovni bičíku z buňky je tzv. axonemální přechodová zóna. Axoném je připojen ke kinetosomu neboli bazálnímu tělísku, které se nachází pod buněčnou membránou. Kinetozom je dutý válec, jehož stěnu tvoří 9 tripletů mikrotubulů spojených zpravidla fibrilárními můstky. Triplet kromě axonemických A- a B-mikrotubulů zahrnuje další C-mikrotubuly sousedící s B-mikrotubuly. Ve středu proximální části kinetosomu se nachází osa s paprsky, která se nachází i u centrioly [4] .
Takzvané kořeny , fibrilární nebo mikrotubulové struktury, přímo vycházejí z kinetosomů . Někdy jsou spojeny s kinetosomy krátkými fibrilárními svazky nebo začínají ve vrstvě amorfního materiálu obklopujícího kinetozom. Kořeny obou typů slouží k ukotvení bičíku v těle buňky [5] .
Eukaryotické buňky zpravidla nesou 1 až 8 bičíků, i když mezi protisty je známo mnoho polybičíkových forem. Bičíkoví protistové jsou rozděleni do čtyř hlavních skupin: izokonti nesou identické bičíky se stejným vzorem bití; anisokonti mají bičíky různé délky, ale mají také stejný tvar a způsob bití; heterokonti mají dva bičíky, odlišného vzhledu a umístění, s různými způsoby bití; konečně, stephanocont formy mají korunu 30-40 bičíků na předním konci buňky [6] .
Až 80 % známých bakteriálních druhů má bičíky [7] . Počet a uspořádání bičíků se u různých druhů liší. Některé bakterie mají pouze jeden bičík (monotrichous), jiné mají dva bičíky umístěné na dvou protilehlých koncích buňky (amphitrichous), třetí mají svazky bičíků (lophotrichous) na pólech buňky a čtvrtý bičík pokrývá celý povrch buňky (peritrichózní). U spirochet se bičík nachází v periplazmatickém prostoru mezi dvěma membránami . Spirochetové buňky mají charakteristický svinutý tvar, který se mění s pohybem [8] .
Stavba bičíku bakterií se zásadně liší od stavby bičíku eukaryot. Pokud je eukaryotický bičík buněčný výrůstek obklopený membránou s prvky cytoskeletu uvnitř, který se pohybuje v důsledku energie hydrolýzy ATP, pak je bakteriální bičík (jako archaální bičík) zapuštěn do buněčné membrány a rotuje v důsledku energie transmembránového gradientu protonů nebo sodných iontů . Navíc na rozdíl od eukaryotických bičíků, jejichž hlavním typem pohybu je tlukot, bakteriální bičíky rotují [9] . Bičíky bakterií a archeí se skládají ze dvou nezávislých částí – rotoru a statoru [10] .
Bičík se otáčí střídavě ve směru a proti směru hodinových ručiček. Frekvence otáčení je pro konkrétní článek konstantní a pohybuje se od 250 do 1700 Hz (tj . od 1,5⋅10 4 do 10 5 ot./min . ) [10] .
Struktura bičíku je nejlépe studována u E. coli Escherichia coli a Salmonella enterica sérotyp Typhimurium . Geny odpovědné za pohyb v těchto bakteriích jsou rozděleny do tří skupin:
Mezi hlavní strukturální složky bakteriálního bičíku patří:
Pracovní částí bičíku je vlákno nebo nit . Vlákno je spirálovitý válec s vnitřním kanálem o průměru asi 3 nm. Vlákno je tvořeno asi 20 000 identickými podjednotkami proteinu bičíku ( FliC ). Některé bakterie, jako je Helicobacter pylori , Caulobacter crescentus , Sinorhizobium meliloti a Campylobacter coli , mají ve vláknu dva typy podjednotek bičíku. U řady bakterií jsou podjednotky bičíku glykosylovány . Bičíkové podjednotky ve složení vlákna jsou naskládány do spirály, s 11 podjednotkami na otáčku šroubovice, takže tvoří 11 paralelních protofilament procházejících pod mírným úhlem k ose vlákna. Tvar vlákna je určen aminokyselinovou sekvencí jeho bičíků, iontovou silou a pH roztoku, ve kterém se buňka pohybuje. Když se motor otáčí proti směru hodinových ručiček, vlákno má tvar levotočivé šroubovice, a když se otáčí ve směru hodinových ručiček, má tvar pravotočivé šroubovice. Na distálním konci vlákna je čepička (čepice) , která má tvar disku a skládá se z pěti podjednotek proteinu FliD. Kanálem vlákna a pěti „okénky“ v uzávěru vycházejí bičíkové podjednotky a uzávěr zajišťuje jejich skládání [13] .
Vlákno je připojeno k bazálnímu tělísku pomocí háčku , který je tvořen podjednotkami FlgE, doplňkovými proteiny FlgKL a krycím proteinem FlgD, který je odstraněn při sestavování háčku. Háček plní roli pružného spoje, díky kterému může tuhý závit měnit svou polohu vůči povrchu článku [14] .
Bazální tělo je uloženo v buněčné stěně a u gramnegativních bakterií se skládá z následujících částí:
Protože biosyntéza bičíkových podjednotek vyžaduje velké množství buněčných zdrojů, je regulována speciální kaskádou, která u E. coli a Salmonella enterica Typhimurium sérovar zahrnuje tři třídy genů. Exportní aparát podjednotky bičíku se skládá z podjednotek FlhAB, FliOPQR a FliHIJ, vyčnívá do cytoplazmy, prochází centrálním otvorem rotoru a je částečně ponořen do MS prstence [16] .
Povaha plavání bakteriální buňky závisí na počtu a umístění bičíků. U monotrichů, například Pseudomonas aeruginosa , bičík rotující ve směru hodinových ručiček tlačí buňku dopředu a proti ní ji táhne. U některých bakterií se bičík otáčí pouze ve směru hodinových ručiček. U bakterií s mnoha bičíky (polytrichní) jsou při plavání bičíky vetkány do bičíku, který se otáčí proti směru hodinových ručiček. Při otáčení ve směru hodinových ručiček se svazek odvíjí a díky nezávislé rotaci jednotlivých bičíků se buňka začne „hrotit“ a nepředvídatelně mění směr pohybu [17] .
Kromě plavání hrají bičíky důležitou roli v dalších procesech v životě bakterií. Podílejí se na tvorbě biofilmů , zajišťují kontakt buněk se substrátem, usnadňují kolonizaci hostitele symbiotickými bakteriemi a pro patogenní bakterie slouží bičíky jako jeden z faktorů virulence , neboť usnadňují průnik do hostitele. těla, pohyb ve viskózním mezibuněčném prostředí, průnik do mezer mezi endoteliálními . Bakteriální bičíky jsou vysoce imunogenní a spouštějí imunitní odpověď hostitele , takže složky bičíků se používají k pasivní imunizaci [18] .
Některé bakterie rodu Vibrio (zejména Vibrio parahaemolyticus [19] ) a některé proteobakterie , jako je Aeromonas , mají dva různé bičíkové systémy, jejichž proteinové složky jsou kódovány různými sadami genů a různými iontovými gradienty . se používají k otáčení . Polární bičíky patřící do prvního bičíkového systému jsou trvale přítomny a zajišťují pohyblivost v proudění tekutiny, zatímco postranní bičíky patřící do druhého bičíkového systému jsou vyjádřeny pouze tehdy, když je odpor okolní tekutiny tak velký, že se polární bičík nemůže otáčet. Díky tomu mohou bakterie klouzat po různých površích a ve viskózních kapalinách [20] [21] [22] [23] [24] [25] .
Bičík archaea (archellum) slouží jako u jiných organismů především k pohybu v kapalném prostředí. Strukturálně je archellum podobné pilám typu IV [27] . Většina genů, jejichž proteinové produkty tvoří archellum, tvoří jeden operon fla. Tento operon obsahuje 7 až 13 genů, jejichž produkty se podílejí na sestavování a provozu archellum [28] . Strukturální složky archellum se nazývají archelliny, tyto proteiny jsou kódovány geny flaA a flaB ; motorické komponenty jsou kódovány geny flaI , flaJ a flaH . Tento operon také kóduje doplňkové proteiny FlaG, FlaF a FlaX, stejně jako signální proteiny FlaC, FlaD a FlaE. Genetická analýza různých archaálních druhů ukázala, že všechny uvedené proteiny jsou nutné pro sestavení archellum [29] [30] [31] [32] [33] . Euryarcheoti mají téměř kompletní sadu genů fla , zatímco zástupci typu Crenarchaeota mohou jeden nebo dva z nich postrádat. Zrání archelinů vyžaduje peptidázu prepilin (u euryarcheotů je znám jako PibD, u crenarcheotů je znám jako FlaK), ale není součástí fla-operonu [34] .
Přestože se archellum v mnoha ohledech výrazně liší od bičíku bakteriálního, jeho hlavní funkce je stejná – transport buňky v kapalném médiu [33] [35] [36] nebo na mokrém povrchu [37] [38] . Stejně jako bičík bakteriální [39] [40] , archel se podílí na přichycení buněk k substrátu a mezibuněčné komunikaci [41] [42] , na rozdíl od bakteriálních bičíků se však nepodílí na tvorbě biofilmů [43] .
| organely eukaryotických buněk | |
|---|---|
| endomembránový systém | |
| cytoskelet | |
| Endosymbionti | |
| Jiné vnitřní organely | |
| Vnější organely | |