Прямой перенос молекул, обеспеченный щелевыми контактами
Щелевые контакты обеспечивают прямой перенос молекул между смежными клетками.
Основные положения:
- Щелевые контакты являются белковыми структурами, обеспечивающими прямой перенос небольших молекул между смежными клетками. Они присутствуют в большинстве клеток животных.
- Щелевые контакты состоят из группы белковых каналов цилиндрической формы, направленных от плазматической мембраны и располагающихся между смежными клетками, в промежутке 2-3 нм.
- Каналы щелевых контактов состоят из двух половин, которые называются коннексонами или полуканалами . Каждый коннексон содержит шесть белковых субъединиц, называемых коннексинами .
- У человека обнаружено более 20 разных коннексиновых генов. Все разнообразие типов коннексонов обеспечивается сочетаниями этих генов.
- Щелевые контакты допускают свободную диффузию молекул массой 1200 дальтон и исключают молекулы, масса которых достигает 2000 дальтон.
- Проницаемость щелевых контактов регулируется открытием и закрытием ворот канала. Этот процесс носит название "гейтинг" (воротный механизм) . Он контролируется изменением внутриклеточного рН, потоком ионов кальция или прямым фосфорилированием субъединиц коннексина.
- Обнаружены еще два семейства белков щелевых контактов, не относящихся к коннексинам. Это позволяет предполагать, что в ходе эволюции животных происходило неоднократное возникновение щелевых контактов.
Щелевые контакты представляют собой специализированные структуры клеточной поверхности, которые обеспечивают прямой перенос ионов и небольших молекул между смежными клетками. Они присутствуют в большинстве типов клеток позвоночных и беспозвоночных и представляют собой единственную из известных структур, обеспечивающую межклеточный транспорт у животных. Щелевые контакты, существующие между клетками миокарда , также обеспечивают проведение электрического импульса, необходимое для сокращения сердечной мышцы.
Существование щелевых контактов было продемонстрировано в 1960-е годы, когда исследователи обнаружили, что электрический импульс проходит между смежными клетками непосредственно, а не через разделяющий их слой жидкой среды. Это позволило предположить, что клетки обмениваются заряженными ионами и другими небольшими молекулами через каналы, которые проходят через плазматическую мембрану и прямо соединяют смежные клетки. Это предположение подтвердилось микрофотографиями, сделанными в электронном микроскопе, на которых были видны узкие "промежутки" в 2-3 нм, разделяющие плазматические мембраны рядом расположенных клеток.
Как видно на рис. 19.57 , через эти промежутки проходят каналы щелевых контактов , которые расположены отдельными кластерами (или бляшками). При исследовании в электронном микроскопе препаратов, полученных методом замораживания-скалывания, видно, что каналы расходятся от плазматических мембран клеток. Щелевые контакты могут содержать от нескольких десятков до многих тысяч каналов, и на клеточной поверхности их диаметр в сумме может достигать нескольких мкм. Каналы состоят из двух половин, которые называются полуканалами, или коннексонами. Эти половины стыкуются в межклеточном промежутке. Каждый коннексон состоит из шести белковых субъединиц, которые называются коннексинами. Коннексон представляет собой гидрофильный канал цилиндрической формы, длиной 17 и диаметром 7 нм в наиболее широкой части и около 3 нм в наиболее узкой. Центральные поры каналов видны в микроскопе при исследовании препаратов, приготовленных методом негативного контрастирования. Субъединицы коннексина содержат четыре трансмембранных альфа-спирали, связанные двумя внеклеточными петлями. Структура позволяет предполагать, что внеклеточные петли противоположных коннексинов связываются между собой посредством антипараллельных бета-слоев, образуя бета-цилиндр (бета-бочонок).
Как следует из рис. 19.57 , щелевые контакты обладают различным составом. Результаты, полученные при секвенировании генома человека, указывают, что в наших клетках существует, по меньшей мере, 20 различных коннексиновых белков. Во многих клетках экспрессируется более одного типа коннексинов. Это приводит к образованию гомоолигомерных (состоящих из субъединиц только одного типа) и гетероолигомерных коннексонов (содержащих субъединицы разных типов). Вместе с тем, коннексоны могут стыковаться с одинаковыми (гомотипичными) или разными по составу (гетеротипичными) каналами. В одной бляшке щелевого контакта могут содержаться коннексоны, различные по составу коннексинов. Как представлено на рис. 19.58 , в бляшке коннексоны или гомогенно расположены, или пространственно разобщены по коннексиновому составу.
Идентифицированы специальные домены, участвующие в стыковке коннексон/коннексон, узнавании коннексин/коннексин, образовании олигомеров и в сочетаемости (селективности) коннексиновых субъединиц. Существование этих доменов было продемонстрировано в экспериментах по связыванию рекомбинантных мутантных коннексинов, у которых отсутствовали специфические участки молекулы, или химерных коннексинов, состоящих из участков различных коннексинов. В настоящее время исследуется, каким образом функционируют эти домены.
Вначале, для проверки гипотезы о том, что клетки используют каналы для обмена небольшими молекулами, в клетки, растущие в культуре, вводили флуоресцирующие молекулы. С помощью микроскопа наблюдали диффузию этих молекул во времени. Эти эксперименты показали, что молекулы проходят между соседними клетками гораздо быстрее, чем этого можно было бы ожидать, если бы они проходили через липидные слои плазматической мембраны. Результаты подтвердили существование прямых каналов, связывающих цитозоль соседних клеток. В дальнейшем эти каналы были идентифицированы как щелевые контакты. Используя флуоресцирующие молекулы различного размера, было показано, что через щелевой контакт могут проходить молекулы размером до 1200 дальтон (что соответствует диаметру около 2 нм), а молекулы более 2000 дальтон задерживаются. На рис. 19.59 представлены результаты проведенного эксперимента по обмену флуоресцирующих молекул между клетками, экспрессирующими коннексины.
Подобные эксперименты демонстрируют, что ионы могут свободно обмениваться между цитозольными компартментами клеток, связанных щелевыми контактами. Клетки могут обмениваться и такими малыми молекулами, как сахара, нуклеотиды и вторичные мессенджеры (цАМФ и цГМФ). Межклеточные связи посредством щелевых каналов играют особенно критическую роль в тех случаях, когда большому количеству клеток необходимо генерировать быстрый, хорошо скоординированный ответ. Например, быстрые рефлекторные реакции в головном мозгу осуществляются с участием нейронов , связанных посредством щелевых контактов, которые обеспечивают практически моментальный обмен ионами; быстрый обмен ионов также обусловливает тщательно контролируемое во времени сокращение мышечных волокон миокарда .
Проницаемость щелевых контактов, вероятно, контролируется открытием и закрытием каналов (этот процесс называется гейтинг каналов, или воротный механизм ). Существуют убедительные доказательства в пользу того, что гейтинг каналов находится под контролем протеинкиназ , которые фосфорилируют субъединицы коннексина , а также контролируется внутриклеточным рН и ионами кальция . Например, при увеличении концентрации ионов кальция с десяти в степени минус 7 М до десяти в степени минус 5 М проницаемость этих каналов падает; при концентрациях выше десяти в степени минус 5 М канал полностью закрывается. Это, вероятно, служит механизмом клеточной самозащиты, поскольку при апоптозе происходит резкое возрастание внутриклеточной концентрации кальция , и закрытие щелевых каналов защищает соседние клетки, не позволяя им случайно включать механизм апоптоза. В большинстве клеток коннексины бфстро деградируют: так период полужизни коннексиновых белков составляет около 15 час.
Обнаружены еще два семейства белков щелевых контактов. Иннексины (коннексины беспозвоночных) найдены только у беспозвоночных и, несмотря на название, не являются гомологами коннексинов. Тем не менее они способны образовывать межклеточные контакты, которые внешне и по своим свойствам напоминают щелевые контакты позвоночных. Пользуясь "нексиновой" номенклатурой, следующее семейство называется паннексинами (от лат. pan - весь, все). Паннексины обнаружены у позвоночных и у беспозвоночных и по структуре отличаются от коннексинов и иннексинов. Паннексины почти исключительно находятся в нейронах , что позволяет предполагать, что они могут играть важную роль в развитии и функционировании этих клеток, даже у организмов с примитивной нервной системой. Описанные факты позволяют считать, что щелевые контакты возникли, по меньшей мере, дважды в ходе эволюции животных; это произошло совершенно независимым образом, в результате процесса, известного под названием конвергентной эволюции .
Смотрите также:
