Щелевые контакты или Нексус — это тип межклеточных контактов, характеризующихся наличием белковых каналов, которые позволяют прохождения ионов и небольших молекул между соседними клетками, таким образом связывая их метаболически и электрически (иногда термином «плотный контакт» обозначают сами каналы). В области контакта этого типа между мембранами остается щель шириной 2-4 нм, откуда и происходит их название. Однако самым принципиальным элементом Нексусу является не сама щель, а каналы из белков конексинив или инексинив, регулярно ее пересекают.

Щелевые контакты были впервые обнаружены в возбудимых тканях, таких как мышечная и нервная, где формируют электрические синапсы, впоследствии выяснилось, что они существуют и в эпителиальной и соединительной тканях многоклеточных животных.

Щелевые контакты по биологическому значению аналогичные плазодесм растений с той разницей, что последние могут пропускать макромолекулы, такие как белки и РНК.

Строение и молекулярный состав

Щелевые контакты имеют форму круглых зон диаметром 0,5-5 мкм, в которых сосредоточено от нескольких до нескольких тысяч межклеточных каналов. Эти каналы состоят в беспозвоночных состоят из белков инексинив (12 генов в Caenorhabditis elegans и 25 в Drosophila melanogaster), а у позвоночных преимущественно из конексинив (21 ген у человека, сказываются Cx) — белков, которые возникли в результате конвергентной эволюции, хотя в геномах позвоночных сохранились и родственные инексинамы гены панексинив. Конексины и инексины хотя и похожи по форме и функциям, но не имеют гомоличних аминокислотных последовательностей.

Конексины — это белки с молекулярной массой 25-50 кДа, пересекающих мембрану четыре раза. Шесть таких молекул формируют гексагональный цилиндр — напивканал или конексон, который имеет диаметр примерно 7-8 нм и просвет шириной в 1,5 нм. Два конексоны в мембранах соседних клеток соединяются между собой конец в конец формуюючы полный канал. Щелевой контакт состоит из большого количества таких каналов. Поскольку конексоны удерживают мембраны на определенном расстоянии друг от друга между ними сохраняется щель постоянной ширины (2-4 нм).

Щелевые контакты различных тканей отличаются свойствами из-за того, что они построены из разных комбинаций конексинив. Большинство клеток экспрессируют более одного гена конексинив, продукты которых могут сообщаться между собой образуя гомомерни, то есть такие состоящие из одинаковых субъединиц, или гетеромерного конексоны, однако разрешена только ограниченное количество комбинаций. Кроме того конексон может контактировать на соседней клетке с идентичным или отличным по белковому составу напивканалом.

Динамика и регуляция

Плотные контакты являются динамическими структурами и могут быстро образовываться, разрушаться и изменяться. Исследования по флуоресцентно мечеными конексинамы показали, что новые конексоны постоянно добавляются на периферии щелевого контакта, а старые убираются с середины и разрушаются. Время полжизни одного конексона составляет несколько часов. Новые конексоны добавляются путем слияния мембранных везикул с плазмалемме, после чего они мигрируют в ее плоскости пока не достигнут периферии нексуса и не сочетаются с конексонамы на соседней клетке. Таким образом в плазматические мембране постоянно существует небольшое количество неспаренных конексонив, которые при нормальных условиях поддерживаются в закрытой конформации.

Проницаемость конексонив может регулироваться, например в возбудимых тканях часто есть потенциал-управляемыми. Каналы плотных контактов быстро закрываются под влиянием увеличения цитозольного pH. К похожим последствиям приводит по повышению концентрации кальция, это объясняется тем, что при нормальных условиях в цитоплазме клетки поддерживается низкий уровень этого иона. При повреждении клетки ее мембрана может «протекать», в результате чего внутрь проникают катионы Na + и Ca 2+, а наружу — ценные метаболиты. Если бы клетка в таких условиях оставалась соединенной с соседними, то они бы также получили негативных изменений.

На проницаемость щелевых контактов в нервной ткани также могут влиять нейромедиаторы, например в сетчатке глаза она снижается при действии дофамина.

Функции

Одни из первых данных о щелевые контакты были получены в электрофизиологических исследованиях, в которых было обнаружено, что электрическое возбуждение может быстро и непосредственно передаваться между нейронами определенного типа. Для определения диаметра пор щелевых контактов в одну из клеток, соединенных таким образом, молекулы разного размера меченые флуоресцентными красителями и наблюдали их проникновения в соседние клетки. Таким образом было установлено, что максимальный диаметр поры составляет около 1,5 нм, а значит он может пропускать неорганические ионы, моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды, витамины и вторичные посредники, такие как цАМФ, инозитолтрифосфат т.д., но не макромолекулы.

Щелевые контакте важны для передачи сигналов между электрически возбудимыми клетками. В нервной системе они формируют электрические синапсы, которые позволяют значительно быстрее распространения потенциала действия чем химические. Такие структуры выгодные в случаях, когда скорость играет ключевую роль, например в некоторых рефлекторных дугах, отвечающих за побег, у рыб и насекомых, а также, когда группа нейронов должна действовать синхронно. У позвоночных животных щелевые контакты соединяют клетки сердечной мышцы, синхронизируя их сокращения, а также клетки гладких мышц кишечника, обеспечивая их ритмично перестальтични сокращения.

В незбудливих тканях щелевые контакты обеспечивают выравнивание концентрации сигнальных молекул и питательных веществ. Например, они необходимы для нормального функционирования печени, в частности ее ответы на сигналы от нервных терминалов, контактирующих только с частью гепатоцитов. Также щелевые контакты необходимы для созревания фолликулов в яичнике: они соединяют ооцит и гранулезного клетки. Они обеспечивают явление так называемой метаболической кооперации (метаболического сопряжения), необходимой для супрессии соматических мутаций. Например, при синдроме Леша-Нихана, который возникает вследствие нарушения функций фермента гипоксантинфосфорибозилтрансферазы, клетки способны образовывать один из нуклеотидов, необходимых для синтеза ДНК — дАТФ. Если такие клетки культивировать вместе со здоровыми, то они будут получать достаточное количество этого метаболита через щелевые контакты. Считается что именно из-за наличия щелевых контактов гетерозиготные по синдрому Леша-Нихана женщины имеют нормальный фенотип. Поскольку ген гипоксантинфосфорибозилтрансферазы расположен в X-хромосоме, случайная инактивация одной из двух копий этих хромосом должна была приводить к возникновению мозаики нормальных и мутантных клеток.

Также щелевые контакты необходимы для нормального развития зародыша. У позвоночных большинство клеток на ранних стадиях эмбриогенеза электрически сопряженные. В процессе дифференциации отдельных групп клеток они отделяются от других, однако остаются соединенными между собой. Таким образом каждая группа может вести синхронно и отлично от других.

Болезни связаны с щелевыми контактами

Учитывая разнообразие функций щелевых контактов в организме человека, очевидно, что мутации в белках, которые входят в их состав, могут стать причиной широкого спектра нарушений от катаракты (мутации в Cx46 или Cx50) к демиелинизации периферических нервов (мутации в Cx32). Например мутации в генах многих конексинив, особенно Cx26, являются наиболее частыми причинами наследственной глухоты возникает вследствие гибели клеток кортиевого органа; мутации в гене конексину, экспрессия которого происходит в фолликулах, приводит к бесплодию.

Изображения по теме

  • Щелевые контакты
  • Щелевые контакты
  • Щелевые контакты