Overview
Kurzüberblick über die Fototransduktion: Umwandlung von Lichtreizen in elektrische Signale in Stäbchen und Zapfen der Netzhaut.
Aufbau der Netzhaut und Photorezeptoren
- Netzhaut besteht aus mehreren Schichten; letzte Schicht: Stäbchen und Zapfen.
- Stäbchen: Außenglied, Innenglied, synaptische Endigung zu Bipolarzellen.
- Rhodopsin in Discs des Außenglieds zentral für Signalumwandlung.
- Weiterleitung über Bipolar- und Ganglienzellen zum Sehnerv und Gehirn.
Rhodopsin-Struktur und Aktivierung
- Rhodopsin besteht aus Opsin (Protein) und Retinal (prosthetische Gruppe).
- Prosthetische Gruppen: nicht-proteinogene, fest gebundene Molekülteile.
- Lichtabsorption verursacht Konformationsänderung des Rhodopsins.
- Isomerisierung: 11-cis-Retinal wird zu all-trans-Retinal.
- Spannungsänderung der Opsin-Retinal-Bindung aktiviert Opsin funktionell.
Dunkelzustand vs. Lichtzustand der Stäbchen
- Im Dunkeln hält cGMP Natriumkanäle offen; kontinuierlicher Na+-Einstrom.
- Dunkelstrom führt zu Depolarisation auf ca. −35 mV (ungewöhnlich).
- Bei Licht: cGMP-Abbau schließt Na+-Kanäle; Na+-Einstrom stoppt.
- Membranpotential wird negativer; starke Hyperpolarisation bis ca. −55 mV.
Erregungskaskade der Fototransduktion
- Aktiviertes Rhodopsin aktiviert Transduzin (G-Protein).
- Transduzin aktiviert Phosphodiesterase (PDE).
- PDE wandelt cGMP zu GMP um; cGMP-Spiegel sinkt.
- Sinkendes cGMP schließt cGMP-gesteuerte Na+-Kanäle.
Neurotransmission und Signalweiterleitung
- Membranpotential steuert Glutamatfreisetzung an Synapsen.
- Dunkelheit: depolarisiert; konstante Glutamatfreisetzung.
- Licht/Hyperpolarisation: Glutamat stark vermindert oder absent.
- Glutamat wirkt hemmend auf Horizontal- und On-Bipolarzellen.
- Fehlt Glutamat, bleiben erregende Na+-Kanäle postsynaptisch offen.
- Ganglienzellen generieren Aktionspotentiale; Weiterleitung ans Gehirn.
Signalverstärkung
- Ein Rhodopsin kann Hunderte Transduzin-Moleküle aktivieren.
- Eine PDE hydrolysiert Hunderte cGMP-Moleküle pro Sekunde.
- Ein Photon kann zahlreiche Na+-Kanäle schließen; hohe Sensitivität.
Stäbchen vs. Zapfen
- Prozess in beiden Zelltypen vorhanden; gleiche Grundprinzipien.
- Zapfen: schnellere Kaskade, aber geringere Verstärkung.
- Stäbchen: langsamere Kaskade, stärkere Verstärkung und Sensitivität.
Prozessübersicht als Tabelle
| Zustand | cGMP-Niveau | Na+-Kanäle | Membranpotential | Glutamatfreisetzung | Auswirkung auf nachgeschaltete Zellen |
|---|
| Dunkelheit | Hoch | Offen | Ca. −35 mV (depolarisiert) | Hoch/konstant | Hemmung von Horizontal- und On-Bipolarzellen |
| Licht | Niedrig (durch PDE-Abbau) | Geschlossen | Bis ca. −55 mV (hyperpolarisiert) | Niedrig/keine | Hemmung entfällt; Ganglienzellen feuern Aktionspotentiale |
Key Terms & Definitions
- Phototransduktion: Umwandlung von Licht in elektrische Erregung.
- Rhodopsin: Sehfarbstoff aus Opsin und Retinal im Stäbchen.
- Retinal: Lichtempfindliche prosthetische Gruppe; 11-cis → all-trans.
- Transduzin: G-Protein, das PDE nach Rhodopsin-Aktivierung aktiviert.
- Phosphodiesterase (PDE): Enzym, das cGMP zu GMP hydrolysiert.
- cGMP: Öffnet cGMP-gesteuerte Na+-Kanäle im Dunkeln.
- Dunkelstrom: Stetiger Na+-Einstrom im Dunkeln; führt zur Depolarisation.
- Hyperpolarisation: Negativeres Membranpotential durch Na+-Kanalschluss.
Action Items / Next Steps
- Begriffe und Reihenfolge der Kaskade lernen: Rhodopsin → Transduzin → PDE → cGMP↓ → Na+-Kanäle zu.
- Spannungswerte und Zustände (Dunkel vs. Licht) einprägen.
- Wirkung von Glutamat auf On-Bipolar- und Horizontalzellen wiederholen.