Junção de lacuna - Gap junction

Junção de lacuna
Gap cell junction-en.svg
Junção de lacuna de vertebrados
Identificadores
Malha D017629
º H1.00.01.1.02024
FMA 67423
Terminologia anatômica

As junções gap são conexões intercelulares especializadas entre uma infinidade de tipos de células animais . Eles conectam diretamente o citoplasma de duas células, o que permite que várias moléculas , íons e impulsos elétricos passem diretamente por um portão regulado entre as células.

Um canal de junção de lacuna é composto de dois hexâmeros de proteína (ou hemicanais) chamados conexons em vertebrados e innexons em invertebrados. O par de hemicanais se conecta através do espaço intercelular, fazendo a ponte entre as duas células. As junções gap são análogas aos plasmodos que unem as células vegetais.

As junções gap ocorrem em praticamente todos os tecidos do corpo, com exceção do músculo esquelético adulto totalmente desenvolvido e tipos de células móveis, como espermatozoides ou eritrócitos . As junções de lacuna não são encontradas em organismos mais simples, como esponjas e fungos viscosos .

Uma junção comunicante também pode ser chamada de nexo ou mácula comunicante . Embora um ephapse tenha algumas semelhanças com uma junção de lacuna, pela definição moderna os dois são diferentes.

Estrutura

Em vertebrados , os hemicanais de junções comunicantes são principalmente homo ou hetero - hexâmeros de proteínas de conexina . As junções comunicantes de invertebrados compreendem proteínas da família das innexinas . As inexinas não têm homologia de sequência significativa com as conexinas. Embora diferindo na sequência das conexinas, as inexinas são semelhantes o suficiente às conexinas para afirmar que as inexinas formam junções comunicantes in vivo da mesma forma que as conexinas. A família da panexina recentemente caracterizada , que originalmente se pensava formar canais intercelulares (com uma sequência de aminoácidos semelhante às inexinas), na verdade funciona como um canal de membrana única que se comunica com o ambiente extracelular e demonstrou passar cálcio e ATP .

Nas junções comunicantes, o espaço intercelular está entre 2 e 4 nm e os hemicanais na membrana de cada célula estão alinhados uns com os outros.

Os canais de junção gap formados a partir de dois hemicanais idênticos são chamados de homotípicos, enquanto aqueles com hemicanais diferentes são heterotípicos. Por sua vez, os hemicanais de composição uniforme de proteínas são chamados de homoméricos, enquanto aqueles com proteínas diferentes são heteroméricos . A composição do canal influencia a função dos canais de junção comunicante.

Antes das inexinas e conexinas serem bem caracterizadas, os genes que codificam para os canais de junção gap da conexina foram classificados em um de três grupos, com base no mapeamento gênico e semelhança de sequência : A, B e C (por exemplo, GJA1 , GJC1 ). No entanto, os genes da conexina não codificam diretamente para a expressão dos canais de junções comunicantes; os genes podem produzir apenas as proteínas que constituem os canais de junções comunicantes. Um sistema de nomenclatura alternativo com base no peso molecular desta proteína também é popular (por exemplo: conexina43 = GJA1, conexina30.3 = GJB4).

Níveis de organização

  1. Os genes do hemicanal (DNA) são transcritos em RNA, que é então traduzido para produzir as proteínas do hemicanal.
  2. Uma proteína hemicanal tem quatro domínios transmembrana
  3. 6 proteínas hemicanais criam um hemicanal. Quando diferentes proteínas do hemicanal se unem para formar um hemicanal, ele é denominado hemicanal heteromérico.
  4. Dois hemicanais, unidos através de uma membrana celular, compreendem um canal Gap Junction.
    Quando duas proteínas hemicanais idênticas se unem para formar um canal de junção Gap, ele é chamado de canal GJ homotípico. Quando um hemicanal homomérico e um hemicanal heteromérico se juntam, é denominado canal de junção comunicante heterotípico. Quando dois hemicanais heteroméricos se unem, isso também é chamado de canal heterotípico de junção de lacuna.
  5. Os canais de junção de lacuna (dezenas a milhares) se reúnem dentro de um complexo macromolecular denominado placa de junção de lacuna.

Propriedades de pares de hemicanais

As imagens do microscópio de luz não nos permitem ver os próprios conexões, mas permitem que vejamos o corante fluorescente injetado em uma célula movendo-se para as células vizinhas quando as junções comunicantes são conhecidas por estarem presentes

Um par de canais de hemicanal:

  1. Permite a comunicação elétrica direta entre as células, embora diferentes subunidades de hemicanal possam transmitir diferentes condutâncias de canal único , de cerca de 30 pS a 500 pS.
  2. Permite a comunicação química entre as células, por meio da transmissão de pequenos segundos mensageiros , como o trifosfato de inositol ( IP
    3
    ) e cálcio ( Ca2+
    ), embora diferentes subunidades de hemicanal possam conferir seletividade diferente para moléculas pequenas específicas.
  3. Em geral, permite o movimento transmembrana de moléculas menores que 485 Daltons (1.100 Daltons através de junções comunicantes de invertebrados), embora diferentes subunidades de hemicanal possam transmitir diferentes tamanhos de poros e diferentes seletividade de carga. Grandes biomoléculas, por exemplo, ácido nucléico e proteína , são impedidas de transferência citoplasmática entre as células através de pares de hemicanais de junção de lacuna.
  4. Garante que as moléculas e a corrente que passam pela junção de lacuna não vazem para o espaço intercelular.

Até o momento, cinco funções diferentes foram atribuídas à proteína de junção de lacuna :

  1. Acoplamento elétrico e metabólico entre as células
  2. Troca elétrica e metabólica por meio de hemicanais
  3. Genes supressores de tumor ( Cx43 , Cx32 e Cx36 )
  4. Função adesiva independente do canal de junção de lacuna condutiva (migração neural no neocórtex)
  5. Papel do terminal carboxila nas vias citoplasmáticas de sinalização (Cx43)

Ocorrência e distribuição

Gap Junctions foram observados em vários órgãos e tecidos animais onde as células entram em contato umas com as outras. Dos anos 1950 a 1970, eles foram detectados em nervos de lagostim, pâncreas de rato, fígado, córtex adrenal, epidídimo, duodeno, músculo, Daphnia hepática ceco , músculo Hydra , retina de macaco, córnea de coelho, blastoderme de peixe , embriões de rã, ovário de coelho, células agregadoras, cápsulas de hemócitos de barata, pele de coelho, embriões de galinha, ilhota humana de Langerhans, peixinhos vermelhos e receptores acústico-vestibulares com sensor de pressão, lampreia e tunicado coração, túbulos seminíferos de rato, miométrio , cristalino e epitélio digestivo de cefalópodes. Desde a década de 1970, as junções comunicantes continuaram a ser encontradas em quase todas as células animais que se tocam. Na década de 1990, uma nova tecnologia, como a microscopia confocal, permitiu um levantamento mais rápido de grandes áreas de tecido. Desde a década de 1970, mesmo tecidos que tradicionalmente eram considerados como possivelmente tendo células isoladas, como o osso, mostraram que as células ainda estavam conectadas a junções comunicantes, embora de forma tênue. As junções de hiato parecem estar em todos os órgãos e tecidos animais e será interessante encontrar exceções a isso além das células que normalmente não estão em contato com as células vizinhas. O músculo esquelético adulto é uma possível exceção. Pode-se argumentar que, se presentes no músculo esquelético, as junções comunicantes podem propagar as contrações de forma arbitrária entre as células que constituem o músculo. Pelo menos em alguns casos, pode não ser o caso, conforme mostrado em outros tipos de músculos que têm junções comunicantes. Uma indicação do que resulta da redução ou ausência de junções comunicantes pode ser indicada pela análise de cânceres ou do processo de envelhecimento.

Funções

As junções gap podem funcionar no nível mais simples, como um caminho direto de célula para célula para correntes elétricas, pequenas moléculas e íons. O controle desta comunicação permite efeitos complexos a jusante em organismos multicelulares, conforme descrito abaixo.

Desenvolvimento embrionário, de órgãos e tecidos

Na década de 1980, papéis mais sutis, mas não menos importantes, da comunicação de junção de hiato foram investigados. Foi descoberto que a comunicação da junção de lacuna poderia ser interrompida pela adição de anticorpos anti-conexina em células embrionárias. Os embriões com áreas de junções comunicantes bloqueadas não se desenvolveram normalmente. O mecanismo pelo qual os anticorpos bloquearam as junções comunicantes não era claro, mas estudos sistemáticos foram realizados para elucidar o mecanismo. O refinamento desses estudos mostrou que as junções comunicantes pareciam ser a chave para o desenvolvimento da polaridade celular e da simetria / assimetria esquerda / direita em animais. Embora a sinalização que determina a posição dos órgãos do corpo pareça depender das junções comunicantes, o mesmo ocorre com a diferenciação mais fundamental das células em estágios posteriores do desenvolvimento embrionário. As junções comunicantes também foram consideradas responsáveis ​​pela transmissão dos sinais necessários para que as drogas tivessem efeito e, inversamente, algumas drogas mostraram bloquear os canais das junções comunicantes.

Junções de lacunas e o "efeito espectador"

Morte celular

O "efeito espectador", com suas conotações de espectador inocente sendo morto, também é mediado por junções comunicantes. Quando as células estão comprometidas devido a doenças ou lesões e começam a morrer, as mensagens são transmitidas às células vizinhas conectadas à célula que está morrendo por meio de junções comunicantes. Isso pode fazer com que as células presentes saudáveis, de outra forma não afetadas, também morram. O efeito espectador é, portanto, importante considerar em células doentes, o que abriu uma avenida para mais financiamento e um florescimento de pesquisa. Mais tarde, o efeito espectador também foi pesquisado em relação às células danificadas por radiação ou lesão mecânica e, portanto, na cicatrização de feridas. A doença também parece ter um efeito na capacidade das junções comunicantes de cumprirem seus papéis na cicatrização de feridas.

Reestruturação de tecidos

Embora tenha havido uma tendência de enfocar o efeito espectador na doença devido à possibilidade de vias terapêuticas, há evidências de que há um papel mais central no desenvolvimento normal dos tecidos. A morte de algumas células e de sua matriz circundante pode ser necessária para que um tecido alcance sua configuração final e as junções comunicantes também parecem essenciais para esse processo. Existem também estudos mais complexos que tentam combinar nossa compreensão dos papéis simultâneos das junções comunicantes na cicatrização de feridas e no desenvolvimento do tecido.

Áreas de acoplamento elétrico

As junções gap acoplam eletricamente e quimicamente as células por todo o corpo da maioria dos animais. O acoplamento elétrico pode ter ação relativamente rápida. Os tecidos nesta seção têm funções bem conhecidas observadas como coordenadas por junções de hiato com sinalização intercelular acontecendo em intervalos de tempo de microssegundos ou menos.

Coração

As junções comunicantes são particularmente importantes no músculo cardíaco : o sinal de contração é transmitido de forma eficiente pelas junções comunicantes, permitindo que as células do músculo cardíaco se contraiam em uníssono.

Neurônios

Uma junção comunicante localizada em neurônios costuma ser chamada de sinapse elétrica . A sinapse elétrica foi descoberta usando medições elétricas antes de a estrutura da junção de lacuna ser descrita. Sinapses elétricas estão presentes em todo o sistema nervoso central e foram estudadas especificamente no neocórtex , hipocampo , núcleo vestibular , núcleo reticular talâmico , locus coeruleus , núcleo olivar inferior , núcleo mesencefálico do nervo trigêmeo , área tegmental ventral , bulbo olfatório , retina e medula espinhal de vertebrados .

Tem havido alguma observação de neurônio fraco para acoplamento de células gliais no locus coeruleus , e no cerebelo entre neurônios de Purkinje e células gliais de Bergmann . Parece que os astrócitos são acoplados por junções comunicantes, tanto a outros astrócitos quanto a oligodendrócitos . Além disso, as mutações nos genes de junção comunicante Cx43 e Cx56.6 causam degeneração da substância branca semelhante à observada na doença de Pelizaeus-Merzbacher e esclerose múltipla .

As proteínas de conexina expressas em junções comunicantes neuronais incluem:

  1. m CX36
  2. mCX57
  3. m CX45

com mRNAs para pelo menos cinco outras conexinas (m Cx26 , m Cx30.2 , m Cx32 , m Cx43 , m Cx47 ) detectados, mas sem evidência imunocitoquímica para a proteína correspondente dentro de junções de lacuna ultraestruturalmente definidas. Esses mRNAs parecem ser regulados negativamente ou destruídos por micro RNAs interferentes ( miRNAs ) que são específicos do tipo de célula e da linhagem celular.

Retina

Os neurônios dentro da retina mostram um amplo acoplamento, tanto dentro de populações de um tipo de célula, quanto entre diferentes tipos de células.

Descoberta

Nomeação

As junções de lacuna foram assim chamadas por causa da "lacuna" que está presente nessas junções especiais entre duas células. Com o aumento da resolução do microscópio eletrônico de transmissão (TEM), as estruturas de junções comunicantes puderam ser vistas e descritas pela primeira vez por volta de 1953.

Seção transversal de junção de lacuna anular em seção fina TEM. Junções de lacuna são geralmente lineares em vez de anulares em seções finas de TEM. Pensa-se que as junções comunicantes anulares resultam do envolvimento por uma das duas células da placa de membrana para formar uma vesícula dentro da célula. Este exemplo mostra três camadas da estrutura de junção. A membrana de cada célula é a linha escura com a fenda estreita mais branca entre as duas membranas manchadas de escuro. Em tais micrografias eletrônicas, pode parecer haver até 7 camadas. Duas mono-camadas de lipídios em cada membrana podem manchar como 3 camadas mais uma camada da lacuna entre elas, semelhante a dois sanduíches de pão empilhados com espaço entre eles

O termo "junção de lacuna" parece ter sido cunhado cerca de 16 anos depois, por volta de 1969. Uma lacuna regular estreita semelhante não foi demonstrada em outras junções intercelulares fotografadas usando o TEM na época.

Forme um indicador de função

Bem antes da demonstração da "lacuna" nas junções comunicantes, eles foram vistos na junção de células nervosas vizinhas. A proximidade das membranas celulares vizinhas na junção de hiato levou os pesquisadores a especular que elas tinham um papel na comunicação intercelular, em particular na transmissão de sinais elétricos. Também foi comprovado que as junções de lacuna retificam eletricamente e são chamadas de sinapse elétrica . Mais tarde, descobriu-se que os produtos químicos também podiam ser transportados entre as células por meio de junções comunicantes.

Implícito ou explícito na maioria dos primeiros estudos é que a área da junção comunicante era diferente em estrutura das membranas circundantes de uma forma que a fazia parecer diferente. Foi demonstrado que a junção de lacuna cria um microambiente entre as duas células no espaço extracelular ou "lacuna". Esta porção do espaço extracelular estava um tanto isolada do espaço circundante e também ligada pelo que agora chamamos de pares de conexão, que formam pontes ainda mais fortemente seladas que cruzam a lacuna de junção entre duas células. Quando visto no plano da membrana por técnicas de fratura por congelamento, é possível uma distribuição de conexão de alta resolução dentro da placa de junção comunicante.

Ilhas livres de conexina são observadas em algumas junções. A observação foi em grande parte sem explicação até que as vesículas foram mostradas por Peracchia usando seções finas de TEM para serem sistematicamente associadas com placas de junção de lacuna. O estudo de Peracchia foi provavelmente também o primeiro estudo a descrever estruturas de conexão emparelhadas, que ele chamou um pouco simplesmente de "glóbulo". Estudos mostrando vesículas associadas a junções comunicantes e propondo que o conteúdo das vesículas pode se mover através das placas de junção entre duas células foram raros, já que a maioria dos estudos focou nos conectores ao invés das vesículas. Um estudo posterior usando uma combinação de técnicas de microscopia confirmou a evidência inicial de uma provável função das junções comunicantes na transferência de vesículas intercelulares. Áreas de transferência de vesículas foram associadas a ilhas livres de conexina dentro de placas de junção comunicante.

Sinapses nervosas elétricas e químicas

Devido à ampla ocorrência de junções comunicantes em tipos de células diferentes das células nervosas, o termo junção comunicante tornou-se mais comumente usado do que termos como sinapse elétrica ou nexo. Outra dimensão na relação entre as células nervosas e as junções comunicantes foi revelada ao estudar a formação de sinapses químicas e a presença das junções comunicantes. Ao rastrear o desenvolvimento do nervo em sanguessugas com expressão de junção de lacuna suprimida, foi mostrado que a junção de lacuna bidirecional (sinapse elétrica do nervo) precisa se formar entre duas células antes que elas possam crescer para formar uma "sinapse química do nervo" unidirecional. A sinapse química do nervo é a sinapse mais frequentemente truncada para o termo mais ambíguo "sinapse do nervo".

Composição

Connexins

A purificação das placas de junções comunicantes intercelulares enriquecidas na proteína formadora de canal ( conexina ) mostrou uma proteína formando arranjos hexagonais em difração de raios-x . Agora, o estudo sistemático e a identificação da proteína de junção comunicante predominante tornaram-se possíveis. Estudos ultraestruturais refinados por TEM mostraram que a proteína ocorreu de forma complementar em ambas as células que participam de uma placa de junção comunicante. A placa de junção de lacuna é uma área relativamente grande de membrana observada em seção fina de TEM e fratura por congelamento (FF) vista preenchida com proteínas transmembranares em ambos os tecidos e preparações de junção de lacuna tratadas com mais cuidado. Com a aparente capacidade de uma proteína sozinha para permitir a comunicação intercelular observada em junções comunicantes, o termo junção comunicante tendeu a se tornar sinônimo de um grupo de conexinas reunidas, embora isso não tenha sido mostrado in vivo. A análise bioquímica de isolados ricos em junções comunicantes de vários tecidos demonstrou uma família de conexinas.

A ultraestrutura e a bioquímica das junções comunicantes isoladas já referenciadas indicaram que as conexinas se agrupam preferencialmente em placas ou domínios das junções comunicantes e as conexinas foram os constituintes mais bem caracterizados. Foi notado que a organização de proteínas em matrizes com uma placa de junção de lacuna pode ser significativa. É provável que este trabalho inicial já estivesse refletindo a presença de mais do que apenas conexinas nas junções comunicantes. Combinando os campos emergentes de fratura por congelamento para ver dentro das membranas e imunocitoquímica para rotular componentes celulares (imunomarcação de réplica de fratura por congelamento ou FRIL e imunomarcação de seção fina) mostrou placas de junção de lacuna in vivo contendo a proteína conexina. Estudos posteriores usando microscopia de imunofluorescência de áreas maiores de tecido esclareceram a diversidade em resultados anteriores. As placas de junção de lacuna foram confirmadas como tendo composição variável sendo o lar de proteínas de conexão e não conexina, bem como tornando o uso moderno dos termos "junção de lacuna" e "placa de junção de lacuna" não intercambiáveis. Em outras palavras, o termo comumente usado "junção de lacuna" sempre se refere a uma estrutura que contém conexinas, enquanto uma placa de junção de lacuna também pode conter outras características estruturais que irão defini-la.

A "placa" ou "placa de formação"

Vídeo de microscopia de imunofluorescência de conexinas sendo movidas ao longo de microtúbulos para a superfície de uma célula a 2,7 vezes a velocidade normal.

As primeiras descrições de "junções comunicantes" e "conexões" não se referiam a eles como tais e muitos outros termos foram usados. É provável que os "discos sinápticos" fossem uma referência precisa às placas de junção comunicante. Enquanto a estrutura detalhada e a função do conexão foram descritas de uma maneira limitada na época, a estrutura bruta do "disco" era relativamente grande e facilmente vista por várias técnicas TEM. Os discos permitiram que os pesquisadores usando TEM para localizar facilmente os conexons contidos no disco como patches in vivo e in vitro. O disco ou "placa" parecia ter propriedades estruturais diferentes daquelas transmitidas apenas pelos conexões. Pensou-se que se a área da membrana na placa transmitisse sinais, a área da membrana teria de ser vedada de alguma forma para evitar vazamentos. Estudos posteriores mostraram que as placas de junção comunicante são o lar de proteínas não conexinas, tornando o uso moderno dos termos "junção comunicante" e "placa de junção comunicante" não intercambiáveis, pois a área da placa de junção comunicante pode conter outras proteínas além das conexinas. Assim como as conexinas nem sempre ocupam toda a área da placa, os demais componentes descritos na literatura podem ser apenas residentes de longa ou curta duração.

Estudos que permitem vistas dentro do plano da membrana das junções de hiato durante a formação indicaram que uma "placa de formação" formada entre duas células antes das conexinas se moverem. Elas eram áreas livres de partículas quando observadas por TEM FF, indicando que proteínas transmembrana muito pequenas ou não eram provável presente. Pouco se sabe sobre quais estruturas constituem a placa de formação ou como a estrutura da placa de formação muda quando as conexinas e outros componentes se movem para dentro ou para fora. Um dos estudos anteriores sobre a formação de pequenas junções comunicantes descreve fileiras de partículas e halos livres de partículas. Com junções comunicantes maiores, elas foram descritas como placas de formação com conexinas movendo-se para dentro delas. As junções comunicantes particuladas foram pensadas para se formar 4-6 horas após o aparecimento das placas de formação. Está ficando mais claro como as conexinas podem ser transportadas para as placas usando a tubulina .

A placa de formação e a parte não conexina da placa de junção comunicante clássica têm sido difíceis para os primeiros pesquisadores analisarem. Parece no TEM FF e na seção delgada ser um domínio de membrana lipídica que pode de alguma forma formar uma barreira comparativamente rígida para outros lipídeos e proteínas. Houve evidências indiretas de que certos lipídios estão preferencialmente envolvidos com a placa de formação, mas isso não pode ser considerado definitivo. É difícil imaginar a quebra da membrana para analisar as placas da membrana sem afetar sua composição. Por estudo de conexinas ainda em membranas lipídicas associadas às conexinas foram estudados. Verificou-se que conexinas específicas tendiam a se associar preferencialmente a fosfolipídios específicos. Como as placas de formação precedem as conexinas, esses resultados ainda não dão nenhuma certeza quanto ao que é único na composição das próprias placas. Outros achados mostram conexinas associadas a estruturas protéicas usadas em outra junção, a zônula ocludente ZO1 . Embora isso nos ajude a entender como as conexinas podem ser movidas para uma placa de formação de junções comunicantes, a composição da placa em si ainda é um tanto superficial. Algum progresso na composição in vivo da placa de junção comunicante está sendo feito usando o TEM FRIL.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos