Gap junctions er intercellulære kontakter , der giver direkte overførsel af ioner og små molekyler mellem naboceller . Gap junctions er i stand til at danne næsten alle dyreceller . Gap junction-kanaler er cylindriske i form og består af to halvdele - konnexoner eller halvkanaler. Hvert connexon består af seks proteinunderenheder - connexiner . Permeabiliteten af gap junctions styres ved at åbne og lukke kanalportene (gating). Gating styres til gengæld af ændringer i cellulær pH, calciumionkoncentration eller direkte phosphorylering af connexiner. Ud over connexiner kendes også andre familier af gap junction proteiner , så det kan antages, at gap junctions gentagne gange er opstået i løbet af dyrenes udvikling [1] .
Gap junctions kan indeholde fra flere titusinder til mange tusinde kanaler, der passerer gennem plasmamembranerne i tilstødende celler. Hver kanal består af to halvdele, som er kendt som connexons eller halvkanaler. Disse halvdele er forbundet i et smalt mellemrum 2-3 nm bredt , der adskiller naboceller. Hvert connexon består af 6 proteinunderenheder kaldet connexiner. Konnexonen har en cylindrisk form og er en hydrofil kanal, der er 17 nm lang og 7 nm i diameter i den bredeste del og 3 nm i den smalleste. Connexin-underenheden indeholder 4 transmembrane α-helixer , forbundet med ekstracellulære løkker. Tilsyneladende kommunikerer ekstracellulære løkker af modsatte connexiner med hinanden gennem antiparallelle β-lag og danner en β-tønde [1] .
Der er mindst 20 forskellige connexiner kodet i det menneskelige genom , og mange celler udtrykker mere end én type connexin. I den forbindelse skelnes der mellem homoligomere connexoner, som består af de samme connexiner, og heterooligomere connexoner, som indeholder underenheder af forskellige typer. Én gap junction plaque kan indeholde connexons med forskellige sammensætninger af connexiner, og inden for plaquen er connexons enten placeret homogent eller rumligt adskilt i overensstemmelse med sammensætningen af connexiner. Domæner er blevet identificeret i connexiner, som er nødvendige for at koble to connexons, for genkendelse af andre connexiner, for dannelsen af oligomerer og for kompatibiliteten af connexin-underenheder [2] . I de fleste celler nedbrydes connexiner hurtigt, og deres halveringstid er omkring 15 timer [3] .
Yderligere to familier af gap junction-proteiner er kendt. Innexiner findes kun i hvirvelløse dyr , men de er ikke homologer af connexiner. Imidlertid danner de intercellulære krydsninger, der ligner struktur og funktion til hvirveldyrgab -kryds . En anden familie er repræsenteret af pannexiner , som findes i både hvirveldyr og hvirvelløse dyr. De adskiller sig i struktur fra både connexiner og innexiner. Pannexiner findes næsten udelukkende i neuroner og spiller sandsynligvis en vigtig rolle i deres funktion og udvikling, selv hos dyr med primitive nervesystemer . Indtil videre er 3 pannexingener blevet identificeret i menneske- og musegenomet [4] . Pigghuder og nogle andre grupper af dyr har gap junctions, men har ikke gener fra nogen af de ovennævnte familier. Det betyder, at der endnu er uopdagede familier af gap junction-proteiner [5] . Således kan vi konkludere, at gap junctions optrådte mindst to gange under evolutionen af dyr, så de er et produkt af konvergent evolution [3] .
Samling af nye connexons fra connexiner finder sted i sekretoriske vesikler . Nye connexons tilføjes i periferien af gap junction plaques, og gamle connexons fjernes fra deres centrale del [6] .
Permeabiliteten af gap junctions kan reguleres ved at åbne og lukke kanaler (denne proces er kendt som gating eller portmekanisme). Channel gating er påvirket af faktorer som cellulær pH, membranpotentiale , calciumionkoncentration og connexin-phosphorylering. Det er vist, at med en stigning i koncentrationen af calciumioner fra 10 -7 M til 10 -5 M falder kanalernes permeabilitet, og ved koncentrationer over 10 -5 M er kanalerne helt lukkede. Sandsynligvis tjener lukningen af gap junction kanaler som reaktion på en stigning i koncentrationen af Ca 2+ ioner som en forsvarsmekanisme mod apoptose , da den intracellulære koncentration af calciumioner under apoptose stiger kraftigt, og hvis gap junctions ikke lukkes , vil apoptose også forekomme i naboceller [3] . Gap junction dynamik påvirkes af nogle forbindelser. For eksempel blokerer oleamid ( et fedtsyreamid , der produceres i hjernen ) gap junctions og fremkalder søvn . Organiske alkoholer ( heptanol og octanol ) og generel anæstetika ( halothan ) kan også få gap junctions til at lukke reversibelt, men deres virkninger er ikke begrænset til gap junctions. Connexiner kan phosphoryleres af flere proteinkinaser . For eksempel aktiverer cAMP inden for sekunder proteinkinase A , som phosphorylerer de C-terminale dele af connexiner, hvilket reducerer eller øger andelen af åbne kanaler afhængigt af connexin- isoformen og celletypen. På lang sigt (adskillige timer) fremmer cAMP også gap junction montage [7] .
Gap junctions tjener til at flytte ioner og små molekyler mellem naboceller. Molekyler med en masse på op til 1,2 kDa kan passere gennem gap junction , mens molekyler med en masse på 2 kDa tilbageholdes. Celler kan udveksle molekyler såsom sukkerarter , nukleotider , second messengers (cAMP eller cGMP ), små peptider og RNA . Gap junctions er især vigtige, når et stort antal celler skal producere en hurtig, velkoordineret respons. Således danner gap junctions grundlaget for meget hurtige elektriske synapser , som for eksempel kan findes i hjerneneuroner og i myokardieceller ( kardiomyocytter ) [8] .
Gap junctions findes i næsten alle væv . En undtagelse er tværstribet muskulatur , hvor cellerne ikke kræver elektrisk kommunikation, fordi cellerne er smeltet sammen til en symplast (gab-junctions forekommer dog i muskelfødende kar ) . Desuden findes gap junctions ikke i erytrocytter og modne spermatozoer [9] . Som regel er de fleste af kanalerne i gap junctions lukkede: for eksempel er andelen af åbne kanaler i kardiomyocytter omkring 0,2, og i neuroner - 0,01 [7] .
Punktmutationer i de gener, der koder for connexiner hos mennesker, fører til meget specifikke defekter, hvoraf det kan konkluderes, at de fleste connexiner kun udtrykkes i få væv. Recessive mutationer i connexin-26- genet er den mest almindelige årsag til arvelig døvhed . Connexin -26 er involveret i transporten af kaliumioner i epitelcellerne, der understøtter følsomme hårceller i øret . Mennesker med mutationer i genet, der koder for connexin-32 kan lide af ødelæggelse af myelinskeden af axoner ( X - bundet variant af Charcot-Marie-Tooth sygdom ). Det er muligt, at myelins stabilitet kan afhænge af mellemrumsforbindelserne mellem cellerne i forskellige lag af myelinskeden, og forstyrrelser i kontakternes funktion fører til ødelæggelse af det [7] .
Det første bevis på eksistensen af gap junctions dukkede op i 1960'erne, da det blev vist, at en elektrisk impuls transmitteres direkte mellem tilstødende celler og ikke gennem væsken, der adskiller dem. Derudover er det blevet påvist, at når fluorescerende molekyler indføres i dyrkningsmediet , passerer de mellem naboceller meget hurtigere, end hvis de passerer gennem cellemembraner . Baseret på disse eksperimentelle data blev det foreslået, at celler udveksler ioner og små molekyler gennem kanaler, der trænger ind i plasmamembranen og direkte forbinder naboceller. Senere var det ved hjælp af elektronmikroskopi muligt at opnå billeder af gap junctions, som endelig bekræftede deres eksistens [2] .
| Intercellulære kontakter | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Anker kontakter |
| ||||
| Låsende kontakter |
| ||||
| Kontakter, der danner kanaler |
| ||||