Gap junctions, Zell-Zell-Kanäle, (lat. Nexus) sind porenbildende Proteinkomplexe (Connexone), welche die Plasmamembran zweier benachbarter Zellen eng miteinander verbinden. Sie stellen Kanäle dar, die beide Plasmamembranen der benachbarten Zellen durchqueren, den Spalt zwischen den Zellen überbrücken und damit das Cytoplasma der Zellen miteinander verbinden.
Gap-Junctions sind unspezifische, omnipermeable Poren des passiven Transmembrantransports, die sowohl den Austausch von Ionen als auch von ungeladenen Molekülen wie Wasser, Glucose, Aminosäuren, Nukleotiden, cAMP und ATP erlauben.
Die Gap Junctions wurden von Jean-Paul Revel und Morris Karnovsky 1967 entdeckt.
Aufbau
Sechs Connexine (mit je 4 Transmembran-Regionen) lagern sich zum sogenannten Connexon (oder Hemikanal) zusammen.
Je ein Hemikanal verbindet sich mit einem ihm gegenüberstehenden Hemikanal der Nachbarzelle zu einer durchgehenden Pore (interzellulärer Kanal, gap junction). Ihr Tunnel hat einen Durchmesser von 1,5 bis 2 nm und lässt deshalb Moleküle oder Ionen von maximal 1000 Dalton relativer Molekülmasse passieren. Der Aufbau einer gap junction (früher: Nexus) kann innerhalb weniger Sekunden erfolgen, wenn zwei Zellen miteinander in Kontakt treten.
Eine Connexon-Unterheit hat einen Durchmesser von 2,5 nm und ist 7,5 nm lang. Sie ragt 0,7 nm in das Cytosol und 1,7 nm in den Extrazellular-Raum.
Die Connexone sind in der Biomembran in Feldern in einem regelmäßigen hexagonalen Muster (Abstand der Kanal-Mittelpunkte 8,5 nm) mit einer Dichte von 28000 Kanälen pro Quadratmikrometer angeordnet.
Gap Junctions unterscheiden sich von anderen Kanalsystemen der Zelle:
- Sie durchziehen zwei benachbarte Membranen (statt nur einer)
- Sie verbinden Cytosol mit Cytosol (statt Cytosol mit Extrazellulärraum oder Organellinnenraum).
- Die Connexine werden von zwei verschiedenen Zellen synthetisiert (statt nur von einer).
Wird eine Zelle geschädigt, können die Poren geschlossen werden. Dadurch wird die geschädigte von ihren Nachbarn entkoppelt, Stoffe gehen auf die Weise nicht verloren. Ein tiefer pH-Wert oder eine hohe Ca²⁺-Konzentration bewirken eine Schliessung.
Vorkommen und Funktion
Gap-Junctions treten nur bei den Eumetazoa, also nicht bei den Schwämmen, auf.
- In schwach durchbluteten Geweben (zum Beispiel Augenlinse und Knochen) dienen sie dem Nahtransport von Nährstoffen: Rand-Zellen nehmen die Nährstoffe auf und geben sie über die gap junctions an ihre Nachbarzellen bis ins unterversorgte Zentrum weiter.
- In Drüsen wie Leber und Bauchspeicheldrüse helfen sie bei der Sekretion.
- Im Herzmuskel und im Nervensystem sind sie an der schnellen Weiterleitung von Aktionspotenzialen beteiligt.
- Gap junctions scheinen auch an der Kontrolle des Zellwachstums beteiligt zu sein (zum Beispiel während der Embryonalentwicklung).
- Eines der Connexin-Gene wurde als Tumorsuppressor-Gen identifiziert.
Wird eine Zelle geschädigt, können die Poren durch eine geschlossen werden. Dadurch wird die geschädigte Zelle von ihren Nachbarn abgekoppelt, Stoffe gehen auf die Weise nicht verloren. Das schließen wird durch eine hohe Kalziumionenkonzentration oder einen niedrigen pH-Wert (also bei hoher Protonenkonzentration) ausgelöst. Beides sind Zeichen für baldigen Zelltod der Nachbarzelle.
Gap-Junctions als elektrische Synapsen
Gap-Junctions fungieren im Nervensystem und im Herzen, aber auch bei Invertebraten als spannungsgesteuerte, transmitterfreie Synapsen. Sie werden auch als Elektrische Synapsen bezeichnet. Sie ermöglichen eine schnelle und synchrone Ausbreitung von Aktionspotenzialen. In den Glanzstreifen zwischen den Herzmuskelzellen können sie eine Fläche bis zu einem Quadratmikrometer bedecken. An Neuronen treten sie nicht so zahlreich auf wie chemische Synapsen, sie wurden aber auch bei Gliazellen gefunden, deren Beteiligung am neuronalen Geschehen über die Versorgung der Nervenzellen hinaus gerade erforscht wird. Die Hauptaufgabe der elektrischen Synapsen scheint die Synchronisierung von Nervenzellgruppen zu sein, die als Oszillatoren und Rhythmusgeber dienen. Möglicherweise spielen Sie auch bei epileptischen Anfällen eine Rolle.
Funktionsweise der elektrischen Synapse
Ein Aktionspotenzial löst eine Depolarisation der Membran der präsynaptischen Zelle aus. Dabei strömen Natrium- und Calcium-Ionen nach innen, Kalium-Ionen nach außen. Dadurch wird die Polarisierung der Membran der postsynaptischen Zelle verändert und dort ein Aktionspotenzial ausgelöst.
Vergleich zwischen elektrischer und chemischer Synapse
| elektrische Synapse | chemische Synapse mit direkter Signalübertragung | chemische Synapse mit indirekter Signalübertragung | |
|---|---|---|---|
| Spaltbreite | 3,5 nm | 30 bis 50 nm | 30 bis 50 nm |
| Kanalproteine | Gap-Junction-Kanäle in prä- und postsynaptischer Membran | postsynaptische, transmittergesteuerte Ionenkanäle | Rezeptoren des Second-Messenger-Systems (G-Proteine) |
| Synaptische Verzögerung | keine | 1 bis 5 msec | mehr als 10 msec |
| Transmitter | Acetylcholin Gammaaminobuttersäure (GABA), Glycin, Glutamat, Aspartat | Noradrenalin, Dopamin, Serotonin, Acetylcholin, Neuropeptide | |
| Vorkommen | Herzmuskel, ZNS, auch bei Invertebraten | Motorische Endplatten, ZNS | ZNS |
Beispiel Uterus
Mit Beginn der Geburt wird der Uterus von einem Ruheorgan zu einem kontraktionsfähigen Muskel umgebaut. Zu diesem Zeitpunkt werden Gap Junctions gebildet, die das Gewebe zu einem Syncytium von Muskelzellen verbinden, die sich synchron kontrahieren.