Gap junctions jsou mezibuněčné kontakty , které zajišťují přímý přenos iontů a malých molekul mezi sousedními buňkami . Gap junctions jsou schopné tvořit téměř všechny živočišné buňky . Gap junction kanály jsou válcového tvaru a skládají se ze dvou polovin - konnexonů nebo polokanálů. Každý konexon se skládá ze šesti proteinových podjednotek - konexinů . Propustnost spárových spojů je řízena otevíráním a zavíráním kanálových bran (gating). Gating je zase řízen změnami buněčného pH , koncentrací vápenatých iontů nebo přímou fosforylací konexinů. Kromě konexinů jsou známy i další rodiny proteinů gap junction , lze tedy předpokládat, že v průběhu evoluce živočichů opakovaně vznikaly gap junction [1] .
Gap junctions mohou obsahovat několik desítek až mnoho tisíc kanálů procházejících plazmatickými membránami sousedních buněk. Každý kanál se skládá ze dvou polovin, které jsou známé jako konexony nebo poloviční kanály. Tyto poloviny jsou spojeny v úzké mezeře 2-3 nm široké oddělující sousední buňky. Každý konexon se skládá ze 6 proteinových podjednotek nazývaných konexiny. Konexon má válcovitý tvar a je to hydrofilní kanál o délce 17 nm a průměru 7 nm v nejširší části a 3 nm v nejužší. Konexinová podjednotka obsahuje 4 transmembránové α-helixy , spojené extracelulárními smyčkami. Zdá se, že extracelulární smyčky opačných konexinů spolu komunikují prostřednictvím antiparalelních β-vrstev , tvořících β-barel [1] .
V lidském genomu je kódováno nejméně 20 různých konexinů a mnoho buněk exprimuje více než jeden typ konexinu. V tomto ohledu se rozlišuje mezi homooligomerními konexony, které se skládají ze stejných konexinů, a heterooligomerními konexony, které obsahují podjednotky různých typů. Jedna plaketa mezerového spoje může obsahovat konexony s různým složením konexinů a v plaku jsou konexony buď umístěny homogenně nebo prostorově oddělené v souladu se složením konexinů. V konexinech byly identifikovány domény, které jsou nutné pro dokování dvou konexonů, pro rozpoznání jiných konexinů, pro tvorbu oligomerů a pro kompatibilitu konexinových podjednotek [2] . Ve většině buněk jsou konexiny rychle degradovány a jejich poločas je asi 15 hodin [3] .
Jsou známy další dvě rodiny proteinů mezerového spojení. Innexiny se nacházejí pouze u bezobratlých , ale nejsou homology konexinů. Tvoří však mezibuněčná spojení, která jsou svou strukturou a funkcí podobná spárovým spojením obratlovců . Další čeleď představují pannexiny , které se vyskytují jak u obratlovců, tak u bezobratlých. Liší se strukturou jak od konexinů, tak od innexinů. Pannexiny se nacházejí téměř výhradně v neuronech a pravděpodobně hrají důležitou roli v jejich funkci a vývoji, dokonce i u zvířat s primitivním nervovým systémem . Doposud byly v lidském a myším genomu identifikovány 3 geny pannexinu [4] . Ostnokožci a některé další skupiny zvířat mají mezerové spoje, ale nemají geny z žádné z výše uvedených rodin. To znamená, že existují dosud neobjevené rodiny proteinů gap junction [5] . Můžeme tedy dojít k závěru, že gap junction se během evoluce živočichů objevily minimálně dvakrát, jsou tedy produktem konvergentní evoluce [3] .
Sestavení nových konexonů z konexinů nastává uvnitř sekrečních váčků . Nové konexony jsou přidány na okraj plaků mezerových spojů a staré konexony jsou odstraněny z jejich centrální části [6] .
Propustnost mezerových spojů lze regulovat otevíráním a zavíráním kanálů (tento proces je známý jako hradlový nebo hradlový mechanismus). Channel gating je ovlivněn faktory, jako je buněčné pH, membránový potenciál , koncentrace vápenatých iontů a fosforylace konexinu. Ukázalo se, že se zvýšením koncentrace vápenatých iontů z 10-7 M na 10-5 M se propustnost kanálků snižuje a při koncentracích nad 10-5 M jsou kanály zcela uzavřeny. Pravděpodobně uzavření kanálů mezerových spojů v reakci na zvýšení koncentrace iontů Ca2+ slouží jako obranný mechanismus proti apoptóze , protože během apoptózy se intracelulární koncentrace vápenatých iontů prudce zvyšuje, a pokud nejsou mezerové spoje uzavřeny , dojde k apoptóze také v sousedních buňkách [3] . Dynamika mezerových spojů je ovlivněna některými spoji. Například oleamid ( amid mastné kyseliny produkovaný v mozku ) blokuje mezerové spoje a navozuje spánek . Organické alkoholy ( heptanol a oktanol ) a celková anestetika ( halothan ) mohou také způsobit reverzibilní uzavření gap junctions, nicméně jejich účinky nejsou omezeny na gap junctions. Konexiny mohou být fosforylovány několika proteinkinázami . Například během několika sekund cAMP aktivuje proteinkinázu A , která fosforyluje C-terminální části konexinů, čímž se sníží nebo zvýší podíl otevřených kanálů v závislosti na izoformě konexinu a typu buňky. Z dlouhodobého hlediska (několik hodin) podporuje cAMP také montáž mezerového spoje [7] .
Gap junctions slouží k pohybu iontů a malých molekul mezi sousedními buňkami. Molekuly s hmotností až 1,2 kDa mohou procházet mezerovým spojem , zatímco molekuly s hmotností 2 kDa jsou zachovány. Buňky si mohou vyměňovat molekuly, jako jsou cukry , nukleotidy , druhé posly (cAMP nebo cGMP ), malé peptidy a RNA . Gap junctions jsou zvláště důležité, když velký počet buněk potřebuje produkovat rychlou, dobře koordinovanou odpověď. Gap junctions tedy tvoří základ velmi rychlých elektrických synapsí , které najdeme např. v mozkových neuronech a v buňkách myokardu ( kardiomyocyty ) [8] .
Gap junctions se nacházejí téměř ve všech tkáních . Výjimkou je příčně pruhovaná svalovina , kde buňky nevyžadují elektrickou komunikaci, protože buňky jsou srostlé do symplastu (nicméně mezerové spoje se vyskytují ve svalech vyživujících cévy ). V erytrocytech a zralých spermatozoích se také mezerové spoje nenacházejí [9] . Většina kanálů v gap junction je zpravidla uzavřena: například podíl otevřených kanálů v kardiomyocytech je asi 0,2 a v neuronech - 0,01 [7] .
Bodové mutace v genech kódujících konexiny u lidí vedou k velmi specifickým defektům, z nichž lze usoudit, že většina konexinů je exprimována pouze v několika málo tkáních. Recesivní mutace v genu connexin-26 jsou nejčastější příčinou dědičné hluchoty . Connexin-26 se podílí na transportu draselných iontů v epiteliálních buňkách , které podporují citlivé vlasové buňky v uchu . Lidé s mutacemi v genu kódujícím konnexin-32 mohou trpět destrukcí myelinové pochvy axonů ( X - vázaná varianta nemoci Charcot-Marie-Tooth ). Je možné, že stabilita myelinu může záviset na mezerových spojích mezi buňkami různých vrstev myelinové pochvy a poruchy ve fungování kontaktů vedou k jeho destrukci [7] .
První důkazy o existenci mezerových spojů se objevily v 60. letech 20. století, kdy bylo prokázáno, že elektrický impuls je přenášen mezi sousedními buňkami přímo, a nikoli prostřednictvím tekutiny, která je odděluje. Navíc bylo prokázáno, že když jsou fluorescenční molekuly zavedeny do kultivačního média , procházejí mezi sousedními buňkami mnohem rychleji, než když procházejí buněčnými membránami . Na základě těchto experimentálních dat bylo navrženo, že buňky si vyměňují ionty a malé molekuly prostřednictvím kanálků, které pronikají plazmatickou membránou a přímo spojují sousední buňky. Později bylo možné pomocí elektronové mikroskopie získat snímky mezerových spojů, které nakonec potvrdily jejich existenci [2] .
| Mezibuněčné kontakty | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Ukotvení kontaktů |
| ||||
| Blokovací kontakty |
| ||||
| Kontakty, které tvoří kanály |
| ||||