Gap Junctions: Definition, Funktion, Bedeutung

Unter den Zell-Zell-Kontakten nehmen die Gap Junctions, auch Nexus genannt, eine Sonderstellung ein. Sie ermöglichen eine schnelle Kommunikation ohne Verzögerungen, was insbesondere am Herzen von hoher Bedeutung ist. Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Fragestellungen wo sie im Körper zu finden sind, wie sie aufgebaut sind und welche Funktionen sie übernehmen. Außerdem wirft er einen Blick auf die Pathologien.

Gap Junctions – Definition

Definitionsgemäß sind Gap Junctions (dt. Nexus) Proteinkomplexe, die zusammengelagert Poren bilden. Sie verbinden die Zellmembran zweier Zellen miteinander sehr eng und gehören damit zu den Zell-Zell-Kontakten. Ihre Aufgabe liegt im Bereich der Zelladhäsion und vor allem der Zellkommunikation, da durch die Poren die Zytoplasmata der beiden Zellen in Kontakt stehen und sich austauschen können. Somit ist sowohl eine metabolische als auch elektrische Kommunikation möglich.

Gap Junctions – Vorkommen und Aufbau

Gap Junctions finden sich vorwiegend in Epithelgeweben, wie etwa dem Dünndarm, als auch in der Herzmuskulatur und den Astrozyten im Nervengewebe. Astrozyten sind Sternzellen und zählen zu den Gliazellen des zentralen Nervensystems. Sie bilden mit ihren Fortsätzen einen Teil der Blut-Hirn-Schranke und stellen damit den Kontakt zu Blutkapillaren her. In der Retina befinden sich ebenfalls Nexus.

Besonders in der Embryonalentwicklung erhalten die Gap Junctions eine hohe Bedeutung, da sie maßgeblich die Entwicklung des Gewebes und die Ausbildung der Zellpolarität beeinflussen.

Mikroskopischer Aufbau

Viele einzelne Gap-Junction-Kanäle bilden ein Cluster. Diese einzelnen Poren weisen einen ganz spezifischen Aufbau auf. In der Zellmembran einer Zelle befindet sich für einen Kanal ein Connexon (Hemiconnexon). Das wiederum besteht aus sechs Connexinen, Transmembranproteine, die die Zellmembran durchbrechen und so den Kontakt zum Extrazellulärraum ermöglichen. Vier Transmembrandomänen bilden ein Connexin. Von homomeren Connexonen spricht man, wenn sie aus gleichen Connexinen gebaut sind, ist das nicht der Fall, werden sie als heteromer bezeichnet.

Lagern sich zwei gegenüberliegende Connexone zusammen, bilden sie einen Kanal, der den nur 2,5 Nanometer großen Spalt zwischen den Zellen überbrückt. Durch diesen Kanal können dann Ionen und kleine Moleküle fließen und somit zwischen den Zellen ausgetauscht werden.

Die Connexone liegen meistens hexagonal in der Zellmembran verteilt, wobei sich ihre Anzahl sehr nach dem Ort und der Aufgabe richtet. Dabei gilt eine Spanne von einigen wenigen Kanälen bis mehrere Tausende pro einem Mikroquadratmeter.

Zu beachten ist, dass die Connexone einem ständigen Auf- und Abbau unterliegen und keinesfalls dauerhaft in der Zellmembran vorliegen. Neu synthetisierte Connexone gelangen durch Vesikel an ihren angedachten Ort und diffundieren innerhalb der Zellmembran in geschlossenem Zustand zum nächstgelegenen Gap Junction Komplex.

Feinbau der Connexine

Circa 380 Aminosäuren bilden ein Connexin, die sich in verschiedene Anteile aufteilen:

• vier Transmembransegmente, M1 bis M4.
• zytoplasmatischer C-Terminus
• zytoplasmatischer N-Terminus
• zytoplasmatische Schleife
• zwei Schleifen im Extrazellulärraum

Sechs Connexine lagern sich als Hexamer zusammen und bilden ein Hemiconnexon. Elektrisch gesehen sind sie polar, da der Teil im Zytoplasma positiv geladen und der transmembranäre Anteil negativ geladen ist.

Genetisch herrscht hohe Varietät, da etwa zwanzig unterschiedliche Gene für Connexine codieren. Dadurch sind unterschiedliche Funktionen und Affinitäten für Moleküle möglich, wodurch sich der Energiestatus maßgeblich nach dem Connexintyp richtet.

Gap Junctions – Funktion

Grundlegend liegt die Funktion der Gap Junctions im Stoffaustausch und der Signalübertragung zwischen benachbarten Zellen. Kleinere Moleküle können die Kanäle passieren, wozu unter anderem Glucose, Aminosäuren, Nukleotide, wie cAMP oder cGMP, und kleinere anorganische Ionen, wie etwa Calcium oder Kalium, zählen.

Funktion als elektrische Synapse

Bezogen auf die Signalübertragung wirken Gap Junctions im Herzen, in Neuronen und in Retinazellen als elektrische Synapse. Sie unterscheiden sich von chemischen Synapsen vor allem durch eine sehr viel schnellere Übertragung in beide Richtungen. Die Zeitverzögerung beträgt nur 10^-5. Dafür ist die Erregungsübertragung auf weiter entfernte Zellen und eine Hemmung durch Erregung nicht möglich. Sie können also nicht so fein reguliert werden wie chemische Synapsen.

Als Synapse wirken Gap Junctions folgendermaßen: Depolarisiert die präsynaptische Zelle etwa durch ein ankommendes Aktionspotential, führt das zu einem Potentialgefälle der durch die Poren verknüpften Zellen. Kationen fließen damit von der prä- zur postsynaptischen Zelle, um das Potential wieder auszugleichen. Auch umgekehrt ist ein Fluss von Anionen von post- zu präsynaptischer Zelle möglich. Ist der Strom ausreichend, um ein Aktionspotential auszulösen, wird das Signal ohne Zeitverzögerung weitergeleitet.

Sonderrolle im Herzmuskelgewebe

Das Muskelgewebe des Herzens stellt ein besonderes funktionelles Synzytium dar. Es ist eine Ansammlung von Zellen, die eine gemeinsame Funktion ausüben. Einige Zellen lösen Impulse aus, auf die die anderen mit einer koordinierten Kontraktion reagieren. Dafür müssen die Signale aber schnell und ohne Zeitverzögerung weitergeleitet werden. Das ist durch die Vernetzung mit tausenden Gap Junctions möglich.

Gap Junctions – Shut-Off und Pathologien

Gap Junctions können auch geschlossen werden. Eine Schädigung oder Apoptose der Nachbarzellen kann diesen Zustand triggern, genauso wie ein Erhöhung des Calciums im Zytoplasma und ein Abfall des pH-Werts. Die Schließung dient der Abkopplung und dem Schutz der gesunden Zelle. Dieser Vorgang ist als Shut-Off bekannt. Auch Spannungsänderungen oder die Phosphorylierung kann die Kanäle hemmen.

Pathologien

Mutationen in den Genen der Connexine können zu schwerwiegenden genetischen Erkrankungen führen:

• Connexin 26: Ursache für ein Fünftel der Fälle autosomal-rezessiver vererbter Schwerhörigkeit.
• Connexin 30: Mögliche Auslösung von Taubheit und des Mendes-da-Costa-Syndroms sowie des Clouston-Syndroms.
• Connexin 32: Verursacht die Degeneration von peripheren Nerven.
• Connexin 43: Ursache von angeborenen Herzfehlern.