Um zu verstehen, wie die Lichtrezeptoren im Auge den Reiz Licht in elektrische Impulse umwandeln, müssen wir uns die Anatomie und Physiologie der Stäbchen oder Zapfen genauer anschauen.
Von den Pflanzen kennen wir Zellen, die mit Licht in Kontakt treten können. Dort gab es spezielle Zellorganelle, die lichtempfindliche Stoffe (Pigmente) enthielten, die Chloroplasten. Die tierischen Zellen (Zapfen, Stäbchen) besitzen ebenfalls spezielle Strukturen die ein Pigment enthalten. Dazu sind sie gegenüber normalen Zellen außergewöhnlich gebaut.
Übrigens sind die meisten Säugetiere dichromatisch, d.h. besitzen Stäbchen und 2 Zapfensorten. Primaten, der Mensch, Vögel, Reptilien und Fische sind tri- tetra- und einige sogar pentachromatisch (Mensch: 3).Betrachten wir stellvertretend ein Stäbchen. (Zapfen sind prinzipiell gleich aufgebaut).
Die Zelle besteht aus einem : Außensegment, Inneren Segment einem Kern- und Synapsenbereich. Im Außensegment findet man viele Membranscheiben aufeinandergestapelt, die man Disks nennt.
Im inneren Segment sind die bekannten Zellorganellen wie Mitochondrien, Golgiapparate usw. zu sehen. Der recht große Kern bildet einen eigenen Bereich und am Ende schließt sich die synaptische Endigung an. Gleich zu Anfang muß bemerkt werden, daß die Lichtsinneszellen keine APs produzieren.
In die Membranscheiben (Disks) sind viele Proteinkomplexe namens Rhodopsin, ein Proteid eingelagert. (In den Disks der Zapfen liegt ein ähnliches Pigment namens Iodopsin.) Rhodopsin ist der Sehfarbstoff.
Das Rhodopsin ist ein Komplex aus dem Protein Opsin und dem Aldehyd Retinal, der aus dem Vitamin A (Retinol) hergestellt wird. (siehe oben) Opsin besteht aus 7 Helices, die durch die Membran ragen, Retinal ist an die siebte Helix gebunden und liegt waagerecht im Zentrum. Rhodopsin gehört zur Gruppe der G-Protein-Rezeptoren. Diese haben wir bei den postsynaptischen Rezeptoren schon kennengelernt.
Alle G-Protein Rezeptoren sind Transmembranproteide mit 7 Helices, die durch einen Reiz aktiviert werden können. Die aktive Form regt ein inaktives G-Protein an, GTP an seine a-Kette zu binden. Das aktivierte G-Protein mit GTP gebunden sendet ein Signal zum zellulären Effektorprotein, welches dann eine physiologische Reaktion in Gang setzt.
Die Umwandlung des Lichts in elektrische Impulsen den Stäbchen und Zapfen kann man in 3 Vorgänge einteilen:
- Lichtanregung des Rhodopsins und Photoisomerisierung (Disks)
- G-Protein gesteuerte Schließung der Kationen (Na+(80%), Ca2+ (15%) )-Kanäle (Hyperpolarisation)
- Drosselung der Neurotransmitterproduktion an der synaptischen Endigung
zu 1. Lichtanregung des Rhodopsins und Photoisomerisierung
Nichtangeregtes Rhodopsin Rh ( im Dunkeln) enthält 11-cis-Retinal. Das Absorptionsspektrum sieht wie folgt aus: Durch Absorption eines Photons geht es in einen angeregten Zustand Rh* (Bathorhodopsin) über, wobei das 11-cis-Retinal in die all-trans Form übergeht (siehe unten), also eine Isomerisierung geschieht. (Photoisomerisierung)
Dadurch ändert das Molekül seine Konformation,
was zur Bleichung (gelb) führt. Über mehrere Zwischenstufen
geht Rh* in Metharhodopsin
II über, das durch Hydrolyse in Opsin und all-trans-Retinal
gespalten wird.
Retinal wird aus Retinol, dem Vitamin A
gebildet. Vitamin A entsteht aus Provitamin A, dem Blattpigment b-Carotin.
Unten sind die Absorptionsspektren der 3 verschiedenen Zapfentypen und Stäbchen abgebildet.
Die einzelnen Rhodopsinzwischenstufen sind durch unterschiedliche Lichtabsorption gekennzeichnet.(siehe links)
Rhodopsinzyklus (Stäbchen)
Das all- trans-Retinal wird über mehrere Schritte wieder in 11-cis-Retinal umgewandelt und mit Opsin zu Rhodopsin aufgebaut. Die Photoisomerisierung, Spaltung und Resynthese von Rhodopsin läuft cyclisch ab und verbraucht Energie in Form von ATP. Man nennt sie Rhodopsinzyklus. (siehe oben links)
Iodopsinzerfall (Zapfen)
Ein andere Darstellung des Zyklus finden Sie hier. Der Zerfall von Iodopsin in den Zapfen ist links dargestellt und läuft ähnlich wie in den Stäbchen ab.
zu 2. G-Protein gesteuerte Schließung der Na+-Kanäle (Hyperpolarisation)
Die an der G-Protein gesteuerten Reaktion teilhabenden Strukturen sind unten dargestellt. Es sind:
- Rhodopsin-Rezeptor (Rh --> Rh*)
- G-Protein (T --> T*)
- Phosphodiesterase (PDE --> PDE*)
- Kationen (Na+/Ca2+)-Kanäle
Die * versehenen Einheiten sind die jeweils aktiven Formen.
An Metarhodopsin II lagert sich das G-Protein (Transducin), ein GTP-bindendes Protein an, das aus drei Untereinheiten ( a,b,g) besteht. Die [ a]-Untereinheit wandelt GDP in GTP, löst sich vom Rest ab (T*) und aktiviert die Phosphodiesterase (PDE*). Danach wird GTP wieder zu GDP und einem Phosphat umgewandelt, die 3 Untereinheiten des G-Proteins vereinigen sich wieder für eine neue Reaktion.
Die cGMP-Phosphodiesterase, PDE, besteht aus drei Untereinheiten. Das aktivierte G-Protein lagert sich an die [ g]-Untereinheiten der PDE an. Dadurch wird die PDE aktiviert (PDE*) und hydrolysiert cGMP zu GMP. Ein PDE-Enzym eliminiert 50 000 cGMP-Moleküle.
Beim Abfall der cGMP-Konzentration löst dieses sich von der PDE und T* lösen sich vom PDE-Komplex. Die PDE wird somit inaktiv. Das cGMP hält die cGMP-gesteuerten Kationenkanäle der Zellmembran offen, indem es sich an ein spezifisches Kanalprotein bindet.
Durch den Abbau von cGMP schließen sich die Kanäle, es kommt zur Hyperpolarisation.
Die Natrium-Kanäle der Rezeptoren sind im Dunkeln offen, Na+-kann einströmen. Das Membranpotential beträgt ca. -35 mV. Licht kann die Außenmembran bis auf ca. -70mV hyperpolarisieren.
Alle Vorgänge um Rhodopsin (die Sehkaskade)
sind nochmals nachfolgend dargestellt.
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Feinbau eines Stäbchens |
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Außensegment des Stäbchens |
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Außensegment des Zapfens |
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Photoisomerisierung von Retinal |
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Absiorption der 3 Zapfentypen |
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Rhodopsinzyklus |
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Rhodopsin (11-cis-Retinal, 498 nm) ---> Durch Metarhodopsin II wird das G-Protein angeregt.
Metarhodopsin IIPArr spaltet sich in Opsin und all-trans-Retinal.
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Iodopsinzyklus |
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Reaktionskaskade an den Disks |
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Generatorpotential an den Stäbchen |
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Sehkaskade |
