Gap-Junction

Gap Junctions sind Verbindungen zwischen zwei Zellen, die schon bei primitiven Mehrzellern auftreten (siehe Zell-Zell-Kontakte).

Aufbau

Eine Gap Junction zwischen zwei Zellen
Autor: Mariana Ruiz LadyofHats, Lizenz: Public domain.

Eine solche Gap Junction besteht aus vielen flächig nebeneinander liegenden Connexonen. Diese Connexone sind Proteine, die sich aus sechs gleichen Untereinheiten zusammensetzen, es handelt sich also um Hexamere, streng genommen um Homo-Hexamere. Zwei dieser Connexone bilden dann einen durchgehenden engen und verschließbaren mit Wasser gefüllten Kanal von ca. 1,5 nm Durchmesser, durch den Ionen und kleine hydrophile Moleküle bis zu einer Molmasse von ca. 1.000 bis 1.600 Dalton von der einen Zelle in die andere diffundieren können. Das sind beispielsweise Mono- und Disaccharide, Aminosäuren, Nucleotide, second messenger wie cAMP oder IP₃ und andere. Es ist nur ein rein passiver Transport möglich ^[2].

Durch die Verbindung der beiden Halbkanäle ziehen sich die Zellmembranen der beiden benachbarten Zellen eng zusammen, sie haben nur noch 2 bis 4 nm Abstand, was extrem wenig ist.

Ein Zell-Zell-Kanal besteht also aus zwei Connexonen. Den Kanal, der durch die beiden Connexone führt, darf man sich jetzt allerdings nicht wie eine einfache Röhre vorstellen, die überall den gleichen Durchmesser hat. Die Cytoplasma-Seite eines Halbkanals hat noch einen großen Durchmesser von 3,5 nm, dann wird der Kanal aber immer enger. Dort, wo die beiden Halbkanäle zusammenstoßen, beträgt der Durchmesser nur noch 1,4 bis 1,6 nm ^[3].

Eine Gap Junction kann aus wenigen Connexonen bestehen, es gibt aber auch Gap Junctions, die mehrere Hundert solcher Connexone enthalten, wie elektronenmikroskopische Photos zeigen.

Ein Connexon wiederum setzt sich aus sechs Connexin-Molekülen mit einer molaren Masse von ca. 30.000 bis 42.000 Dalton zusammen ^[3]. Ein Connexin-Molekül seinerseits enthält vier alpha-Helices, die in der Membran verankert sind:

Bau eines Connexons
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Funktion

Gap Junctions bilden nicht nur die Grundlage für elektrische Synapsen, sondern kommen generell in fast allen Zellen vor, sie dienen zur Kommunikation zwischen Zellen und erlauben den Austausch von Ionen und kleinen Molekülen. Auch zur Nährstoffversorgung können Gap Junctions dienen. Das ist vor allem für Zellen wichtig, die kaum Zugang zu Blutgefäßen haben, beispielsweise die Augenlinsen oder die Knochen.

Beim Menschen gibt es viele verschiedene Connexine in den verschiedenen Geweben. Es sind mehr als 20 Gene bekannt, die für solche Proteine codieren. Je nach Gewebe und Funktion sind die Connexone unterschiedlich zusammengesetzt, so dass verschiedene Moleküle oder Ionen transportiert werden können und dass unterschiedliche Effektoren den Öffnungszustand eines Connexons beeinflussen können.

Gap Junctions dienen nicht nur dem Stoffaustausch zwischen benachbarten Zellen, sondern auch dem Informationsaustausch. Elektrische Synapsen zwischen zwei Nervenzelle sind zum Beispiel nichts anderes als spezielle Gap Junctions, durch die Ionen von der präsynaptischen Zelle zur postsynaptischen Zelle fließen. Mit Hilfe von Gap Junctions können Zellen auch ihre Arbeit koordinieren bzw. sogar synchronisieren. Herzmuskelzellen beispielsweise sind durch Gap Junctions bzw. elektrische Synapsen miteinander verbunden, um ihren Rhythmus zu synchronisieren.

Nachweis

Nachgewiesen hat man Gap Junctions zum Beispiel mit Hilfe von Fluoreszenz-Farbstoffen. Injiziert man einen solchen Farbstoff in eine Zelle, so tritt die Fluoreszenz nach kurzer Zeit auch in benachbarten Zellen auf, allerdings in geringerer Intensität.

Regulation

Der Öffnungszustand von Gap Junctions kann durch Effektoren beeinflusst werden. Der Neurotransmitter Dopamin beispielsweise kann die Connexone der Gap Junctions in die geschlossene Konformation überführen, so dass die Zell-Zell-Kommunikation eingeschränkt ist. Im Sehprozess des menschlichen Auges spielen elektrische Synapsen (Gap Junctions) bei der Adaption an hohe Lichtintensitäten eine wichtige Rolle. Bei einer hohen Lichtintensität wird nämlich Dopamin ausgeschüttet, und dadurch werden bestimmte elektrische Synapsen geschlossen, vor allem die der lichtempfindlichen Stäbchen. Das Auge schaltet dann auf Zapfensehen um ^[1]. Zapfen sind bekanntlich ca. 1000 mal weniger lichtempfindlich als Stäbchen.

Auch die cytoplasmatische Ca²⁺-Konzentration kann sich auf den Öffnungszustand der Kanäle auswirken. Steigt die Konzentration der Calcium-Ionen in kurzer Zeit stark an, schließen sich die Connexone.

Schließlich ist der Öffnungszustand eines Connexons auch vom pH-Wert des Cytoplasmas abhängig. Ist das Cytoplasma zu sauer, schließen sich die Kanäle.

Die Abhängigkeit des Öffnungszustandes von der cytoplasmatischen Ca²⁺- sowie H⁺-Konzentration ist sinnvoll, denn wenn Zellen verletzt werden, steigen beide Konzentrationen schnell an. Durch das Schließen der Gap Junctions wird verhindert, dass die Schadwirkung bzw. Schadursache auf die Nachbarzellen übertritt ^[3].

21 Connexine im menschlichen Körper

Unser Genom enthält Gene für 21 verschiedene Connexin-Proteine. Welches Connexin-Gen exprimiert wird, hängt vom jeweiligen Gewebe ab. In den Geweben des Ohrs wird beispielsweise Connexin 26 synthetisiert (die Nummerierung der Connexine ist etwas eigenartig, obwohl es nur 21 verschiedene gibt, hat das Connexin im Ohr die Nummer 26...). Eine bestimmte Form der erblichen Taubheit ist auf eine Mutation in diesem Gen zurückzuführen.