Zellverbindungen

Bei den Verbindungen zwischen Zellen kann man mehrere Typen unterscheiden: Die Tight junctions sind undurchlässige Verbindungen, die eine Seite eines Epithels von der anderen abtrennen. Die Haftverbindungen wie Fokalkontakte, Desmosomen, etc. verbinden die Zelle mit Nachbarzellen oder der extrazellulären Matrix. Die kommunizierenden Verbindungen wie Gap Junctions, Chemische Synapsen und Plasmodesmata erlauben den Zellen miteinander zu kommunizieren.

Tight junctions

Die Tight Junctions verbinden benachbarte Zellen so, dass die eine Seite des Epithels von der anderen abgetrennt ist und wasserlösliche Moleküle nur durch die Zellen das Epithel passieren können. Diese Abdichtung findet man z.B. im Darmlumen oder bei der Harnblase.

Die Tight Junctions unterscheiden sich in ihrerer Durchlässigkeit für bestimmte Stoffe von Gewebe zu Gewebe und können ihre Durchlässigkeit auch vorübergehend verändern, was dann zu einem parazellulären Transport führt, der im Darm z.B. für die Aufnahme von Monosacchariden und Aminosäuren genutzt wird.

Die Tight Junctions werden sehr wahrscheinlich von Transmembranmolekülen gebildet; die genaue Struktur ist jedoch noch nicht geklärt.

Haftverbindungen

Die Haftverbindungen verbinden die Zelle mit den umliegenden Zellen und der extrazellulären Matrix. Dabei unterscheidet man Adhärenz-Verbindungen, an denen das Aktin angreift, sowie Desmosomen und Hemidesmosomen, an denen die Intermediärfilamente binden. Alle diese Verbindungen sind aus einem intrazellulären Anheftungsprotein, das mit dem Cytoskelett verbunden ist und einem Transmembranprotein, das mit extrazellulären Komponenten Kontakt aufnimmt, aufgebaut.

Die Adhärenz-Verbindungen treten in den meisten Zellen in Form von punktförmigen Bereichen auf, die das Aktinskelett benachbarter Zellen miteinander verbindet. Einen besonderen Fall der Adhärenz-Verbindungen, den Adhäsionsgürtel findet man in Epithelzellen. Er verläuft direkt unterhalb der Membran, an der sich auch die Tight Junctions befinden und wird von einem Strang eng zusammen liegender Aktinfilamente gebildet. Diese sind an der Plasmamembran durch Catenine, Vinculin, $\alpha$ -Aktinin und Plakoglobin verankert und über calciumabhängige Cadherine verbunden.

Über die ebenfalls zu den Adhärenz-Verbindungen zählenden Fokalkontakten wird das Aktinskelett mit der extrazellulären Matrix verbunden. Diese Verbindung wird durch Talin, $\alpha$ -Aktinin und Vinculin an der Membraninnenseite über das Transmembranprotein Integrin gebildet.

Die Desmosomen ähneln den Adhärenzverbindungen. Sie sind ebenfalls durch Cadherine als Transmembranmoleküle verbunden und diese werden durch Adhäsionsplaques im Cytoplasma an dem Cytoskelett befestigt, nur haftet dort nicht Aktin, sondern die Intermediärfilamente - vor allem die Keratin-Filamente. Die Desmosomen dienen dafür, Scherkräfte und Zug gleichmässig über das Epithel zu verteilen.

Die Hemidesmosomen verbinden nicht - wie die Desmosomen - die Epithelzellen untereinandern, sonder knüpfen diese an die Basalmembran, die Epithel und Bindegewebe trennt. Die Verankerung geschieht nicht über Cadherine, sonder über Integrine.

Integrine

Die Integrine sind Transmembranproteine, die die Zelle mit der extrazellulären Matrix verbinden. Sie binden relativ schwach an ihr Substrat, liegen dafür aber in einer etwa 100 mal höheren Konzentration als andere Moleküle vor.

Es gibt unterschiedliche Integrine, die teilweise an nur eine und teilweise an mehrere Substanzen der Matrix binden. Ihr Bindungverhalten hängt von der Konzentration zweiwertiger Ionen im Umfeld ab.

Wenn das Integrin extrazellulär seinen Liganden gebunden hat, bindet die cytoplasmatische Domäne an Talin und $\alpha$ -Actinin und formt so einen Fokalkontakt zur Matrix aus.

Durch die Integrin-vermittelte Interaktion zwischen extrazellulärer Matrix und Cytoskelett kann die Ausrichtung der beiden Elemente aufeinander abgestimmt werden.

Die Zelle kann die Bindung der Integrine über intrazelluläre Signalkaskaden oder Phosphorylierung steuern und so eine Bindung vermitteln oder verhindern. Dieser Mechanismus ist z.B. bei den Thrombocyten von grosser Bedeutung.

Gap Junctions

Man fand die Gap Junctions zuerst bei elektrophysiologischen Ableitungen am Rückenmark des Flusskrebsesl als man feststellte, dass dort anorganische Ionen die Membranen scheinbar ungehindert durchdringen konnten. Weitere Nachweise erfolgten durch Injektion von Farbstoffen.

Die Gap Junctions bestehen aus zwei Connexonen, die in die beiden Membranen eingelassen sind. Wenn diese sich gegenüber liegen, bilden sie einen wässrigen Kanal durch die Membran. Dessen Durchmesser beträgt ca. 1,5 nm. Die Membranen haben einen Abstand von 2-4 nm - im Gegensatz zu den Tight Junctions, wo die Membranen eng aneinander liegen. Die Connexone sind aus sechs Connexinen aufgebaut, die jeweils aus vier $\alpha$ -Helices bestehen.

Ein grosser Vorteil der Gap Junctions liegt in der praktisch verzögerungsfreinen Weiterleitung elektrischer Signale. Dies ist wichtig bei der Fluchtreaktion vieler Fische und Insekten und bei der Erregungsweiterleitung der glatten und der Herzmuskeln. Ausserdem koppeln die Gap Junctions Zellen, die für einen synchronen Cilienschlag verantworlich sind und verteilen second messenger über mehrere Zellen. In den frühen Embryonalstadien sind die Zellen häufig über Gap Junctions verbunden und können so auf Signale synchron reagieren.

Der Öffnungszustand der Gap Junctions wird durch ein verdrehen der Connexine reguliert. Diese schliessen sich bei einem zu niedrigen pH ode einer zu hohen Calciumkonzentration im Cytoplasma. Das Schliessen auf eine hohe Caliciumkonzentration hin bewirkt, dass sich eine beschädigte Zelle, in die Ca²⁺ einströmt von den anderen isoliert und sich der Schaden nicht auf andere Zellen ausdehnt.

Bei den Pflanzen sind die benachbarten Zellen nicht durch Gap Junctions, sondern durch Plasmodesmata verbunden. Diese sind von der Funktion her den Gap Junctions bemerkenswert ähnlich, allerdings bilden sie einen etwas längeren Desmotubulus aus, um so durch die 0,1 $\mu$ m dicke Zellwand zu gelangen.