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Gap Junctions

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Gap Junctions

Dein Herz schlägt ein ganzes Leben lang. Es zieht sich rhythmisch zusammen, wobei die Muskelzellen sich aufeinander abstimmen. Ein solcher Mechanismus ist nur möglich, dank einer ganz speziellen Membranverbindung, den Gap Junctions. Diese sorgen für die Erregungsweiterleitung und für weitere wichtige Abläufe im Körper, die Du im Folgenden besser kennenlernst.

Definition Gap Junctions

Gap Junctions sind spezielle Zell-Zell-Verbindungen. Gap bedeutet so viel wie “Lücke” oder “Spalt”. Junction ist das englische Wort für “Verbindung”. Sie sorgen also für eine Kommunikation und einen Signalaustausch von benachbarten Zellen. Die Gap Junctions durchziehen kanalartig die Membran der Zellen.

Aufbau der Gap Junctions

Gap Junctions sind Kanäle, welche sich durch die Zellmembran ziehen. Somit sorgen sie dafür, dass zwei benachbarte Zellen miteinander verbunden werden.

Die Bausteine der Gap Junctions

Eine solche Verbindung wird durch sogenannte Connexone realisiert. Diese Connexone sind jeweils in beiden Zellen vorhanden und verbinden sich miteinander. Dadurch entsteht eine Zell-Zell-Verbindung, also ein Gap Junction.

Ein Connexon ist aus sechs Connexinen aufgebaut, welche die Zellmembran durchbrechen. Zusammen ergibt dies einen Zusammenschluss aus zwei mal sechs Connexinen, welche die zwei sich verbindenden Connexone aufbauen.

Connexine sind Eiweiße, welche jeweils vier Transmembrandomänen besitzen. Das bedeutet, dass sie schleifenartig viermal die Zellmembran durchdringen.

Von den Connexonen beziehungsweise Gap Junctions kommen viele an einem Abschnitt der Membran der Zelle vor. So ein häufiges Vorkommen wird unter anderem als Plaque oder Cluster bezeichnet.

Zusammenfassend lässt sich der Aufbau der Gap Junctions wie folgt ausdrücken:

Um ein Gap Junction zwischen zwei benachbarten Zellen aufzubauen, benötigt man sechs Connexine pro Zelle. Die sechs Connexine bilden zusammen ein Connexon. Die zwei Connexone benachbarter Zellen bilden zusammen einen Kanal, ein Gap Junction.

Kanalbildung der Gap Junctions

Die Gap Junctions bilden einen Kanal zwischen zwei Zellen. Dies geschieht durch die Membran der Zelle, welche aus Fetten (Phospholipiden) aufgebaut sind. Durch die Membran der Zelle können dadurch nur fettliebende (lipophile) Moleküle dringen. Fettmeidende (lipophobe) beziehungsweise wasserliebende (hydrophile) Moleküle können diese Barriere der Zelle normalerweise nicht durchdringen. Dies wird durch die Gap Junctions ermöglicht.

Wenn Stoffe wassermeidend (hydrophob) sind, dann sind sie gleichzeitig fettliebend (lipophil). Wenn Stoffe wiederum wasserliebend (hydrophil) sind, dann sind sie auch fettmeidend (lipophob). Die Begriffe hydrophob und lipophil, beziehungsweise hydrophil und lipophob können synonym verwendet werden.

Funktion der Gap Junctions

Gap Junctions sind, wie Du am Anfang bereits erfahren hast, Zell-Zell-Verbindungen. Aber wofür benötigt der Körper diese spezielle Art der Verknüpfung von Zellen untereinander?

Die wichtigste Funktion der Gap Junctions ist die Kopplung der Zellen. Dabei können durch den Kanal ohne Umwege Stoffe von der einen auf die andere Zelle übergehen. Ein solcher Vorgang funktioniert nur bei geöffneten Gap Junctions der Zelle.

Im Detail bilden die Gap Junctions eine hydrophile Zone innerhalb der Membran der Zelle. Durch ihren Durchmesser, der rund zwei bis vier Nanometer (nm) groß sein kann, passen dadurch allerlei Moleküle.

Beispiele für Moleküle, die durch die Gap Junctions in die benachbarte Zelle gelangen, sind hydrophile Teilchen wie Aminosäuren, Zucker, geladene Teilchen (Ionen) und viele mehr.

Der Unterschied zwischen Gap Junctions und anderen Zellverbindungen ist, dass durch sie größere Moleküle gelangen können. Außerdem haben sie nicht als Hauptaufgabe, die Zellmembranen aneinander zu halten. Dies ist unter anderem eine Aufgabe einer weiteren Zellverbindung, den Tight Junctions.

Mehr zu den Tight Junctions und Zell-Zell-Verbindungen findest Du in den gleichnamigen StudySmarter Artikeln!

Arten der Zellkopplung durch Gap Junctions

Die Gap Junctions haben verschiedenste Aufgaben. Dabei ist das Primärziel stets die Kopplung zweier Zellen. Eine solche Kopplung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Die Gap Junctions realisieren zwei Arten der Zellkopplung besonders: die metabolische Kopplung und die elektrische Kopplung.

Metabolische Kopplung

Metabolische Kopplung bedeutet, dass durch die Gap Junctions verschiedene Metabolite, also Zwischenprodukte verschiedenster Stoffwechselwege, in die benachbarte Zelle dringen.

Wenn zwei Nachbarzellen mithilfe von Gap Junctions gekoppelt sind, können sie verschiedene Produkte durch diese Zell-Zell-Verbindung schleusen. Durch einen solchen Mechanismus können Zellen untereinander Metabolite austauschen.

Elektrische Kopplung

Gap Junctions können auch eine elektrische Kopplung zweier Zellen hervorrufen. Diese steht im Gegensatz zur metabolischen Kopplung.

Bei der elektrischen Kopplung handelt es sich um eine Erregungsweiterleitung an den Zellen. Dies geschieht durch die Übertragung von elektrischen Signalen.

Durch den Kanal der Gap Junctions können auch geladene Teilchen von einer auf die andere Zelle wandern. Dadurch kann ein elektrischer Zustand der einen Zelle den der anderen beeinflussen. Somit kommt eine elektrische Kopplung zustande.

Vorkommen der Gap Junctions

Gap Junctions kommen vermehrt an Zellen vor, die eine metabolische oder elektrische Kopplung benötigen. Durch die Gap Junctions werden Signale schnell verbreitet und weitergeleitet. Diese Funktion benötigen besonders Stoffwechsel aktive Zellen und Zellen der Signalübertragung.

Im Folgenden lernst Du die wichtigsten Einsatzgebiete der Gap Junctions kennen.

Dies soll nicht bedeuten, dass diese wichtigen Zell-Zell-Verbindungen nicht auch in anderen Zellen vorkommen. Die Gap Junctions kommen in fast allen Zellen Deines Körpers vor. In diesen hier vorgestellten sind sie aber am prominentesten.

Gap Junctions in Muskelzellen des Herzens

Das Herz ist eines der wichtigsten Organe des Menschen. Wenn es nicht mehr funktioniert, wird der Organismus und das Gehirn durch Blutstau nicht genügend mit Sauerstoff versorgt. Damit dies nicht passiert, gibt es einige Mechanismen, welche die Pumpkraft des Herzens sicherstellen. Eines davon sind die Gap Junctions. Sie kommen in den Muskelzellen des Herzens in einer großen Vielzahl vor.

Wenn nun ein elektrischer Nervenreiz auf eine Herzmuskelzelle trifft, zieht sich diese zusammen (Kontraktion).

Mehr zum Nervensystem kannst Du im StudySmarter Artikel Nervensystem erfahren.

Eine einzige sich kontrahierende Zelle würde aber dem Herzen wenig nützen. Für einen Herzschlag sollten sich die Zellen kräftig und gleichmäßig zusammenziehen.

Dafür sorgen die Gap Junctions. Durch sie findet eine elektrische Kopplung der Herzmuskelzellen statt. Wenn ein Signal an einer Nervenzelle eintrifft, verteilt sich dieses Signal durch die Gap Junctions in sehr kurzer Zeit auf alle Herzmuskelzellen. Somit kann das Herz durch elektrische Kopplung der Herzmuskelzellen gleichmäßig kontrahieren.

Wenn eine Herzmuskelzelle kontrahiert, kontrahieren durch die elektrische Kopplung alle anderen gekoppelten Zellen mit. Dieser Vorgang wird als Alles-oder-Nichts Prinzip bezeichnet. Entweder kontrahieren alle Herzmuskelzellen oder keine.

Gap Junctions in Geweben

Wenn Gewebe schlecht durchblutet sind, dann gibt es oftmals eine Ernährung durch Diffusion.

Diffusion bedeutet, dass die Teilchen entlang ihres Konzentrationsgefälles laufen. Sie wandern also vom Ort der hohen zum Ort der niedrigen Konzentration, um einen Konzentrationsausgleich zu bewirken.

Schlecht durchblutete Gewebe sind etwa die Linse des Auges. Dort wandern nun Nährstoffe von den durchbluteten (vaskularisierten) Geweben zur Linse durch die Gap Junctions. Diese lassen durch ihre Kanalform und ihre Größe wichtige Moleküle wie Zucker oder Proteine passieren.

Gap Junctions - Das Wichtigste

  • Gap Junctions sind spezielle Zell-Zell-Verbindungen. Sie sind Kanäle in der Zellmembran, die zwei benachbarte Zellen verbinden
  • Der Aufbau der Gap Junctions besteht aus jeweils sechs Connexinen, die sich zu einem Connexon zusammenschließen. Die Verbindung der Connexone zweier Zellen stellen die Zell-Zell-Verbindung der Gap Junctions dar
  • Durch die Gap Junctions können große Moleküle, wie Zucker und Proteine gelangen (metabolische Kopplung) - Elektrische Reize können durch die Gap Junctions auf ihre Nachbarzellen übertragen werden (elektrische Kopplung)
  • Um eine gleichmäßige Kontraktion des Herzens zu ermöglichen, sind in den Herzmuskelzellen viele Gap Junctions eingelagert

Nachweise

  1. Werner Buselmaier; Joana Haussig (2018). Biologie Für Mediziner. Springer.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Gap Junctions

Gap Junctions befinden sich in fast allen Körpergeweben, wo Zellen miteinander in Kontakt treten. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen den Zellen und sind unter anderem im Embryonalstadium wichtig für die Gewebeentwicklung.

Gap Junctions ermöglichen die Kommunikation zwischen nebeneinander liegenden Zellen. Das machen sie, indem sie einen interzellulären Kanal bilden. Dieser ist nur für bestimmte Moleküle und Ionen durchlässig und ermöglicht so den Austausch von bestimmten Signalen und Stoffen zwischen den beteiligten Zellen.

Gap Junctions ermöglichen direkten Stoffaustausch zwischen Zellen. Gleichzeitig verhindern Gap Junctions, dass Moleküle oder Ionen in den extrazellulären Raum verloren gehen. Sie fungieren außerdem als elektrische Synapsen in bestimmten Zellen.

Im Herzen sind die Gap Junctions von großer Bedeutung für die Kontraktion des Herzmuskels. Sie ermöglichen eine schnelle Ausbreitung der elektrischen Signale ausgehend vom Sinusknoten über die Zellen der Herzmuskulatur.

Finales Gap Junctions Quiz

Frage

Beschreibe kurz wie Gap Junctions aufgebaut sind.

Antwort anzeigen

Antwort

Gap Junctions sind aus sechs Connexinen aufgebaut, die ein Connexon bilden. Jeweils ein Connexon (Halbkanal) lagert sich mit einem Connexon der Nachbarzelle zusammen und bildet ein Gap Junction (interzellulärer Kanal).

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Frage

Definiere Gewebe.

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Antwort

Als Gewebe werden Zellverbände bezeichnet, die eine gemeinsame Funktion oder Struktur aufweisen. Zum Gewebe gehören neben den vorhandenen Zellen außerdem die vorliegende extrazelluläre Matrix (EZM).

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Frage

Was bedeutet heterotypisch?

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Antwort

Heterotypisch bedeutet, dass es aus verschieden Connexinen, bzw. Connexonen zusammengesetzt ist.

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Frage

Wie groß sind Gap Junctions ungefähr?

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Antwort

Gap Junctions haben einen Durchmesser von bis zu 2 Nanometern. Deshalb können auch nur sehr kleine Moleküle oder Ionen passieren.

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Frage

Was unterscheidet Gap Junctions von anderen Kanalsystemen?

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Antwort

Gap Junctions durchziehen zwei benachbarte Membranen, sie verbinden dabei das Cytoplasma der einen mit dem Cytoplasma der anderen Zelle. 

Frage anzeigen

Frage

Wo kommen Gap Junctions vor?

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Antwort

Sie kommen in fast allen Körpergeweben vor, wo Zellen miteinander in Kontakt treten. Beim Erwachsenen kommen sie besonders im Herzmuskelgewebe und in der Retina vor.


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Frage

Welche Aufgaben haben Gap Junctions?

Antwort anzeigen

Antwort

Gap Junctions sorgen für Signal- und Stoffaustausch zwischen Zellen. Sie ermöglichen die chemische Kommunikation zwischen zwei Zellen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Aufgaben haben Gap Junctions?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gap Junctions verhindern, dass Moleküle oder Ionen in den extrazellulären Raum verloren gehen. Gap Junctions sind nur für bestimmte Stoffe durchlässig.

Frage anzeigen

Frage

Welche Aufgaben haben Gap Junctions?

Antwort anzeigen

Antwort

Gap Junctions fungieren im Herzen, in Neuronen und in der Retina als elektrische Synapsen. 

Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei einer Depolarisation an einer präsynaptischen Zelle?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Depolarisation führt zu einem Potentialgefälle zwischen den Zellen, die durch Gap Junctions verbunden sind. Dadurch fließen anschließend Kationen von der präsynaptischen Zelle in Richtung postsynaptische Zelle. Anionen fließen andersherum von der post- zur präsynaptischen Zelle

Frage anzeigen

Frage

Was passiert wenn der Schwellenwert an der postsynaptischen Membran überschritten wird?


Antwort anzeigen

Antwort

Es kommt zu einem Aktionspotential. Das Signal kann dann ohne Verzögerung weitergegeben werden und macht die Synchronisierung vieler Zellen möglich. Viele dieser Zellen spielen als Rhythmusgeber eine wichtige Rolle, wie im Herzmuskel.

Frage anzeigen

Frage

Auf wie vielen Connexinen besteht ein Connexon?

Antwort anzeigen

Antwort

Sechs Connexine bilden ein Connexon.

Frage anzeigen

Frage

Aus wie vielen Connexonen ist ein Gap Junction aufgebaut?

Antwort anzeigen

Antwort

Eines ist aus zwei Connexonen aufgebaut.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet 'gap'?

Antwort anzeigen

Antwort

'Gap' bedeutet so viel wie Lücke.

Frage anzeigen

Frage

Welche Art der Kopplung können Gap Junctions realisieren?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie können Zellen sowohl metabolisch als auch elektrisch koppeln.

Frage anzeigen

Frage

Wo kommt eine elektrische Kopplung durch Gap Junctions vor?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine solche elektrische Kopplung gibt es an den Herzmuskelzellen.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Connexine?

Antwort anzeigen

Antwort

Connexine sind Eiweiße, welche jeweils vier Transmembrandomänen besitzen. Das bedeutet, dass sie schleifenartig vier mal die Zellmembran durchdringen. 

Frage anzeigen

Frage

Wie nennt man das häufige Vorkommen der Gap Junctions an einem Membranabschnitt?

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Antwort

Dies wird als Plaque oder Cluster bezeichnet.

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Frage

Was bedeutet lipophil?

Antwort anzeigen

Antwort

Lipophil bedeutet fettliebend.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet hydrophil?

Antwort anzeigen

Antwort

Hydrophil bedeutet wasserliebend.

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Frage

Was ist die metabolische Kopplung?

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Antwort

Metabolische Kopplung bedeutet, dass durch die Gap Junctions verschiedene Metabolite, also Zwischenprodukte verschiedenster Stoffwechselwege, in die benachbarte Zelle dringen.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die elektrische Kopplung?

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Antwort

Bei der elektrischen Kopplung handelt es sich um eine Erregungsweiterleitung an den Zellen. Dies geschieht durch die Übertragung von elektrischen Signalen.

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