Cilien, auch als Flimmerhärchen bezeichnet, sind feine, haarähnliche Zellfortsätze, die auf der Oberfläche vieler eukaryotischer Zellen zu finden sind. Sie erfüllen eine Vielzahl von Funktionen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Fortbewegung von Zellen, beim Transport von Partikeln sowie bei sensorischen Aufgaben. Cilien bestehen aus Mikrotubuli, die in einer charakteristischen „9+2“-Struktur angeordnet sind, und sind von einer Membran umhüllt, die mit der Zellmembran verbunden ist. Diese Struktur und ihre Bewegungsfähigkeit machen sie zu hochspezialisierten Organellen, die in verschiedenen Organismen und Zelltypen vorkommen.

Cilien lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: bewegliche (motile) und unbewegliche (primäre) Cilien. Motile Cilien sind in der Lage, rhythmische Bewegungen auszuführen, die zum Beispiel dazu dienen, Flüssigkeiten oder Schleim über die Zelloberfläche zu transportieren. Ein bekanntes Beispiel hierfür sind die Cilien im Atemtrakt des Menschen, die in einer koordinierten Bewegung arbeiten, um Schleim und eingeschlossene Fremdpartikel wie Staub oder Krankheitserreger aus den Atemwegen in Richtung des Rachens zu bewegen, wo sie abgehustet oder verschluckt werden können. Auch in den Eileitern bei Frauen sorgen die Cilien für den Transport der Eizelle in Richtung Gebärmutter. Diese rhythmische Schlagbewegung der Cilien wird durch die Interaktion von Dynein-Proteinen mit den Mikrotubuli ermöglicht, die in den Cilien als Gerüststruktur fungieren. Das Dynein bewirkt eine Verschiebung der Mikrotubuli gegeneinander, was eine wellenförmige Bewegung erzeugt und die Cilien in Schwung bringt.

Unbewegliche, primäre Cilien hingegen sind in vielen Zelltypen als sensorische Organelle zu finden und dienen der Wahrnehmung von äußeren Signalen. Diese Cilien sind für die Zelle vergleichbar mit Antennen, da sie auf chemische oder mechanische Reize aus der Umgebung reagieren und dadurch wichtige Informationen an die Zelle weitergeben. Primäre Cilien spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Signalwegen, wie dem Hedgehog-Signalweg, der für die Entwicklung und Differenzierung von Zellen essenziell ist. Störungen in der Funktion oder Struktur der primären Cilien sind mit einer Vielzahl von genetischen Erkrankungen verbunden, die als Ziliopathien bezeichnet werden. Beispiele für solche Krankheiten sind das Bardet-Biedl-Syndrom und die polyzystische Nierenerkrankung, die durch fehlerhafte Signalübertragung in den primären Cilien entstehen.

Die Struktur von Cilien ist hochkomplex und gut organisiert. Die „9+2“-Struktur der Mikrotubuli, die typisch für bewegliche Cilien ist, besteht aus neun äußeren Mikrotubuli-Dupletts, die ringförmig angeordnet sind, und zwei zentralen Mikrotubuli in der Mitte. Diese Anordnung verleiht den Cilien Stabilität und Flexibilität und ermöglicht die wellenförmige Bewegung. Primäre Cilien besitzen hingegen eine „9+0“-Struktur, das heißt, sie haben die neun äußeren Dupletts, aber keine zentralen Mikrotubuli. Diese strukturellen Unterschiede hängen direkt mit den jeweiligen Funktionen der Cilien zusammen, da die „9+2“-Struktur die Bewegung ermöglicht, während die „9+0“-Struktur der Wahrnehmung dient.

Cilien sind zudem bei vielen Einzellern für die Fortbewegung unerlässlich. Ein Beispiel dafür sind die Wimpertierchen (Ciliaten), wie das Pantoffeltierchen (Paramecium), das sich mithilfe von Tausenden von Cilien auf seiner Zelloberfläche im Wasser fortbewegt. Die koordinierte Bewegung dieser Cilien ermöglicht es dem Pantoffeltierchen, sich schnell und zielgerichtet in seiner Umgebung zu bewegen, um Nahrungspartikel aufzuspüren und zu verdauen. Auch bei Spermien sind cilienähnliche Strukturen in Form von Geißeln vorhanden, die ebenfalls auf einem Mikrotubuli-Gerüst beruhen und für die Fortbewegung der Spermienzellen essenziell sind.

Zusammenfassend sind Cilien vielseitige Zellstrukturen, die durch ihre spezielle Anordnung von Mikrotubuli für Bewegungs- und Wahrnehmungsaufgaben optimiert sind. Sie erfüllen essenzielle Funktionen im Transport und in der Sensorik und tragen zur Fortbewegung bei Einzellern bei. Sowohl in der Medizin als auch in der Zellbiologie ist das Verständnis der Cilien von großer Bedeutung, da Fehlfunktionen in diesen Organellen schwerwiegende gesundheitliche Konsequenzen haben können und mit einer Vielzahl von genetischen Krankheiten assoziiert sind.