Gap Junction

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 2. November 2016
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Als Gap Junctions bezeichnet man Anhäufungen von Zell-Zell-Kanälen. Diese durchqueren die Zellmembranen von zwei Nachbarzellen und stellen eine Verbindung zwischen dem Cytoplasma her.

Inhaltsverzeichnis

Was ist eine Gap Junction?

Gap Junctions sind so genannte Connexone (Proteinkomplexe), die die Plasmamembran von zwei Zellen miteinander verbinden. Die Membranen werden fixiert, unter dem Elektronenmikroskop ist aber noch eine Lücke (gap) erkennbar.

Die Kanäle einer Gap Junction bestehen aus zwei Halbkanälen (Connexon). Ein Connexon ist aus Proteinkomplexen aufgebaut, die sich in Form eines Sechsecks zusammenlagern. In der Mitte bleibt eine Pore frei. Aus zwei solcher Proteinkomplexe wird ein Kanal gebildet. Mit Hilfe der Gap Junctions ist der Austausch von Signalen zwischen den Zellen möglich. Moleküle oder Ionen können mit Hilfe von Diffusion übertragen werden, wobei dies Stoffwechselprodukte, sekundäre Botenstoffe oder Calcium-Ionen sein können.

Anatomie & Aufbau

Der Terminus Gap Junction wurde von Morris Karnovsky und Jean-Paul Revel geprägt. Sie fanden heraus, dass sich im Bereich einer Gap Junction der Abstand zwischen zwei Nachbarmembranen verengt.

Eine Gap Junction besteht aus sechs Connexinen, die zusammen ein so genanntes Connexon bilden. Ein Connexon kann entweder aus unterschiedlichen Connexinen oder aus einer gleichen Art von Connexinen aufgebaut sein. Ein Connexin besteht aus einer Polypeptidkette, die aus zwei extrazellulären Schleifen, vier transmembranären Domänen bzw. einem N- und C-Terminus gebildet wird. Durch die Länge des C-Terminus wird das Molekulargewicht bestimmt. Beim Menschen gibt es mindestens 20 Connexin-Gene, wobei sich die Bezeichnung der unterschiedlichen Connexin-Isoformen nach dem Molekulargewicht richtet. S

o besitzt beispielsweise Connexin 43 ein Gewicht von 43kDa. Eine Gap Junction ist sehr häufig aus mehreren Isoformen aufgebaut. Welche funktionelle Bedeutung diese Vielfalt hat, ist nicht gänzlich geklärt, wahrscheinlich kann die Durchgängigkeit der Kanäle dadurch unterschiedlich reguliert werden. Ein Halbkanal wird dann mit dem Halbkanal einer Nachbarzelle verbunden. Dieser interzelluläre Kanal ist entweder aus verschiedenen Connexonen oder aus zwei identischen Connexonen aufgebaut. Der Durchmesser der Pore beträgt 1,5 bis 2nm, sodass Ionen oder Moleküle passieren können.

Eine Gap Junction kann dabei innerhalb von wenigen Sekunden aufgebaut werden, wenn es zum Kontakt zweier Zellen kommt. Die Anordnung der Connexone erfolgt in einem hexagonalen Muster, wobei etwa 28.000 Kanäle pro Quadratmikrometer so genannte Plaques bilden.

Funktion & Aufgaben

Gap Junctions sind vor allem im Embryonalstadium sehr weit verbreitet. Beim Erwachsenen können sie in der Retina, in Glia- und Epithelzellen sowie im Herzmuskel gefunden werden. Gap Junctions erfüllen dabei folgende Aufgaben:

  • Herstellung von direkter elektrischer Kommunikation zwischen den Zellen
  • Herstellung von direkter chemischer Kommunikation über so genannte second messenger
  • Molekülaustausch zwischen den Zellen
  • Verhindern, dass Ladungen oder Moleküle im Rahmen des Austausches verloren gehen

Gap Junctions dienen beispielsweise in den Knochen oder der Augenlinse zum Transport von Nährstoffen. Die Nährstoffe werden von den Rand-Zellen aufgenommen und über die Gap Junctions dann an die benachbarten Zellen weitergegeben. In der Bauchspeicheldrüse und der Leber unterstützen sie die Sekretion, während sie im Nervensystem oder im Herzmuskel Aktionspotentiale weiterleiten. Durch eine Gap Junction können Poren äußerst schnell verschlossen werden. Dies tritt beispielsweise dann ein, wenn eine benachbarte Zelle geschädigt wird.

Die benachbarte Zelle wird in weiterer Folge abgekoppelt, sodass die gesunden Zellen unbeschädigt bleiben. Im Herzen, in der Retina oder in Neuronen fungieren Gap Junctions als transmitterfreie, spannungsgesteuerte Synapsen, die auch "Elektrische Synapsen" genannt werden. Dadurch können sich Aktionspotentiale sehr schnell und synchron ausbreiten. Die Leitfähigkeit hängt dabei von der Zusammensetzung der Connexine ab.

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Krankheiten

Kommt es im Bau von Gap Junctions zu Veränderungen, so kann dies zu verschiedenen Erkrankungen führen. So tritt zum Beispiel beim so genannten Charcot-Marie-Tooth-Syndrom eine Blockade zwischen periaxonalem Zytoplasma und Schwannscher Zelle auf, wodurch es zu einer Degeneration der Schwannschen Zelle kommt.

Durch die Produktion von Onkogenen und Tumorpromotoren verlieren Tumorzellen ihre Fähigkeit zur Kommunikation. Die Gap-Junction-Kanäle schließen sich und es werden inkompatible Connexine gebildet, wodurch die Tumorzellen wachsen. Eine veränderte Connexin-Expression tritt auch bei Entzündungsprozessen auf. Wenn sich kardiale Gap Junctions verändern, so führt dies zu Herzrhythmusstörungen, die lebensbedrohlich sein können. Beeinträchtigungen der Funktion von Gap Junctions am Herzen haben oft sehr unterschiedliche Ursachen. Bei der so genannten Chagas-Krankheit tritt eine Infektion mit Trypanosoma cruzii auf, wodurch die Gap-Junction-Kanäle nur mehr vermindert in die Membran eingebaut werden. Bei einem akuten Herzinfarkt schließen sich die Gap Junctions, wodurch die Aktionspotentialdauer abnimmt.

In der Postinfarktperiode werden die Gap Junctions umverteilt und auch bei einer chronischen Herzinsuffizienz treten Veränderungen in der Verteilung der Gap Junctions auf, wobei hier vor allem die Gap-Junction-Oberfläche reduziert wird. Eine Störung der Gap-Junction-Proteine kann darüber hinaus auch zu angeborener Taubheit, angeborener Unfruchtbarkeit oder zu Hautkrankheiten führen. Eine wesentliche Rolle spielen die Gap-Junction-Kanäle außerdem beim Grauen Star. Die Augenlinse kann sich nicht selbst mit Blut versorgen, da durch Blutgefäße der Linsenkörper undurchsichtig gemacht wird. Dadurch sind die Zellen in der Linse von den benachbarten Zellen abhängig, wobei die Versorgung über die Gap-Junction-Kanäle erfolgt. Tritt eine Störung in der Kommunikation auf, so kommt es zum Absterben der Zellen und zum Ausbilden von Grauem Star.

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