Die Sehkaskade
Veranstaltung: Seminar: Visuelle Wahrnehmung
Seminarleiter: Dipl. Psych. Kai Hamburger
Referent: Morten Kaletsch
Datum: 03.05.2005
THEMA: Photorezeptoren und Sehpigmente - Die
Sehkaskade
Retinale Verarbeitung
Wie wird aus Licht ein elektrisches Signal, dass
ans Gehirn weitergeleitet wird?
Die Sehkaskade
• Absorbtion schon eines einzelnen
Lichtteilchens durch einen Photorezeptor
im Auge löst eine Kaskade von Prozessen
aus, die in einem elektrischen Signal
endet
• In den Photorezeptoren fängt der Prozess
an
Was sind Photorezeptoren und
wo befinden sie sich?
Die Sehkaskade
• 2 Arten von Photorezeptoren in der
Netzhaut: Zapfen (6 Millionen) und
Stäbchen (100 – 120 Millionen)
• Zapfen für Farbensehen bei hellem Licht
• Stäbchen für Hell-Dunkel-, od.
Dämmerungssehen
• Stäbchen sind ca. 20-mal
lichtempfindlicher als Zapfen
Das Stäbchen
Außensegment
- enthält etwa 800
Membranscheiben, sog.
Disks
Innensegment
-beherbergt Organellen,
welche, die bei der
Photorezeption
benötigten Moleküle
bereitstellen
Außensegment
mit Disks die
Sehpigmente
enthalten
Die Sehkaskade
• Photorezeptoren bestehen aus 2
Segmenten
• Außensegmente enthalten gestapelte
Disks (ca. 800 pro Stäbchen)
• Sehpigmente (Rhodopsin) in den Disks
absorbieren das Licht
• Rhodopsin besteht aus dem Protein Opsin
und dem lichtempfindlichen Molekül
Retinal
Wie wird das Signal entlang der
Netzhautzellen und schließlich
zum Gehirn weitergeleitet?
Zellen der Netzhaut
Ganglionzell-Schicht
Übertragung der visuellen Information
zum Gehirn
Bipolarzell-Schicht
Informationen von Fotorezeptoren zu
Ganglionzellen
Fotorezeptor-Schicht
Zapfen und Stäbchen
Außensegmente enthalten Sehpigmente
In der Dunkelheit
Geöffnete Natrium (Na+ u. Ca2+)
Ionen-Kanäle in der
Plasmamembran sorgen für eine
elektrische Potentialdifferenz.
Glutamat wird an den Synapsen
freigesetzt
In der Dunkelheit
Glutamat hyperpolarisiert (hemmt)
die Bipolarzelle, die somit kein
Signal weiterleitet
Geöffnete Natrium (Na+ u. Ca2+)
Ionen-Kanäle in der
Plasmamembran sorgen für eine
elektrische Potentialdifferenz.
Glutamat wird an den Synapsen
freigesetzt
In der Dunkelheit
Niedrige Feuerrate der
Ganglionzelle
Glutamat hyperpolarisiert (hemmt)
die Bipolarzelle, die somit kein
Signal weiterleitet
Geöffnete Natrium (Na+ u. Ca2+)
Ionen-Kanäle in der
Plasmamembran sorgen für eine
elektrische Potentialdifferenz.
Glutamat wird an den Synapsen
freigesetzt
Die Erregung bei Lichteinfall
Licht
Lichteinfall schließt Ionenkanäle;
Na+ u. Ca2+ können nicht mehr
eindringen  Hyperpolarisation 
Freisetzung von Glutamat
unterbunden
Die Erregung bei Lichteinfall
Licht
Hemmung der Bipolarzelle ist
aufgehoben. Neurotransmitter
werden freigesetzt
Lichteinfall schließt Ionenkanäle;
Na+ u. Ca2+ können nicht mehr
eindringen  Hyperpolarisation 
Freisetzung von Glutamat
unterbunden
Die Erregung bei Lichteinfall
Licht
Membran der Ganglionzelle wird
depolarisiert, was
Aktionspotentiale der
Ganglionzelle auslöst
Hemmung der Bipolarzelle ist
aufgehoben. Neurotransmitter
werden freigesetzt
Lichteinfall schließt Ionenkanäle;
Na+ u. Ca2+ können nicht mehr
eindringen  Hyperpolarisation 
Freisetzung von Glutamat
unterbunden
Die Erregung bei Lichteinfall
Registrierung von
Aktionspotentialen
zum Gehirn
depolarisiertes
Membranpotential
hyperpolarisiertes
Membranpotential
Reiz
Wie werden die Ionenkanäle im
Außensegment durch
Lichteinfall geschlossen?
Das Stäbchen
Außensegment
- enthält etwa 2000
Membranscheiben, sog.
Disks
Innensegment
-beherbergt Organellen,
welche, die bei der
Photorezeption
benötigten Molekühle
bereitstellen
Außensegment
mit Disks
Ionenkanäle in der
Segmentmembran
• Im Dunkeln werden die
Ionenkanäle von
cyclischem Guanosin3´,5´-monophosphat
(cGMP) offen gehalten
• GMP gehört zur Sorte der
Nucleotiden, die als
Untereinheiten der
Ribonucleinsäure (RNA)
auftreten
Cyclisches Guanosin-3´,5´-monophosphat
Phosphor
Wasserstoff
Sauerstoff
Kohlenstoff
Stickstoff
• Der namesgebende Ring des
cyclischen GMP enthält ein
Phosphoratom in einer sog.
Phosphordiesterbindung
• In seiner intakten Form hält es die
Ionen-Kanäle offen
Aktivierung der Phosphodiesterase
• Lichteinfall setzt Prozesse in Gang die den
cyclischen GMP Ring sprengen
• Die Ionenkanäle schließen sich
• Welche Prozesse gehen voraus?
Fangen wir bei der Absorbtion
eines einzelnen Lichtquants an!
Stäbchen-Rhodopsin - Sehfarbstoff
Opsin
Lipid-Doppelschicht
11-cis-Retinal
Retinal
• 11-cis-Retinal ändert
mit Absorbtion eines
Photons seine Gestalt
• Absorbtion bewirkt
Drehung der Kette
zwischen
Kohlenstoffatomen
• Kette richtet sich
gerade aus, sie
streckt sich  alltrans-Retinal
• Durch die Streckung ist nicht mehr genug Platz
innerhalb des Opsins und es muss seine
räumliche Struktur verändern
• Aus inaktivem Rhodopsin (R) wird aktives (R*)
• Das aktive Rhodopsin aktiviert nun ein Protein
namens Transducin
• Transducin besteht aus drei
Proteinuntereinheiten, Alpha, Beta und
Gamma
• Transducin bindet Guanosindiphosphat (GDP)
und Guanosintriphosphat (GTP)
• Durch R* wird GDP an der αUntereinheit gegen GTP
ausgetauscht
• Transducin zerfällt in die TαGTP- und Tβγ-Untereinheit
• Ein einziges Rhodopsin
Molekül produziert Hunderte
aktive Tα-GTP-Komplexe (T*)
• Aktiviertes Transducin wandert zum nächsten Enzym der
Kaskade, zur PDE (cGMP-Phosphodiesterase)
• PDE besteht aus drei – wieder mit Alpha, Beta und
Gamma bezeichneten – Einheiten
• Die Gamma-Untereinheit fungiert als Inhibitor der PDE,
im Ruhezustand hemmt sie die enzymatische Aktivität
der PDE
α
γ
β
• Aktiviertes Transducin bindet die Gamma-Untereinheit
der Phosphodiesterase und hebt somit diese Blockade
auf
• Ein aktiviertes Transducin aktiviert eine
Phosphodiesterase (1:1)
α
γ
β
• Aktiviertes Transducin bindet die Gamma-Untereinheit
der Phosphodiesterase und hebt somit diese Blockade
auf
• Ein aktiviertes Transducin aktiviert eine
Phosphodiesterase (1:1)
• Aktivierte PDE spaltet bis zu 2000 cGMP-Moleküle pro
Sekunde
α
γ
β
Aktivierung der Phosphodiesterase
• Phosphodiesterase sprengt den Ring des cyclischen GMP (es baut
ein Wassermolekühl in ihn ein, hydrolysiert ihn also). Aus
cyclischem Guanosin-3´,5´-monophosphat wird Guanosin-5´monophosphat
• Die Ionenkanäle schließen sich. Die elektrischen Eigenschaften
der Membran ändern sich, so dass ein Nervenimpuls entsteht.
Aber wir wollen ja nicht nur
einmal sehen!
Abschalten der Enzymkaskade
und Regeneration
• Chemische Schaltuhr in
der α-Einheit inaktiviert
Transducin durch
Umwandlung des GTP in
GDP
• Transducin gibt die
hemmende GammaEinheit der
Phosphodiesterase frei
• Die Gamma-Einheit heftet
sich an die
Phosphodiesterase und
stellt den Ruhezustand
wieder her
• Die Alpha-Untereinheit des
Transducins vereinigt sich
ihrerseits mit dem BetaGamma-Komplex
• Somit liegt Transducin
wieder in seiner GDPForm vor
• Rhodopsin wird durch ein
Enzym, eine spezifische
Kinase inaktiviert.
• Die Bindung von
Transducin wird blockiert
und das System in den
Dunkelzustand versetzt
Zusammenfassung
• Stäbchen haben ein Höchstmaß an
Empfindlichkeit erreicht, es kann von einem
einzigen Photon – der kleinstmöglichen
Lichtmenge – erregt werden
• 1 Rhodopsin-Molekül aktiviert bis zu 3000
Transducin-Moleküle, jedes davon eine
Phosphodiesterase
• Jede PDE kann bis zu 2000 cGMP-Moleküle pro
Sekunde sprengen
Zusammenfassung
• Theoretisch können durch ein Photon 6 000 000
cGMP-Moleküle inaktiviert werden.
• Na+ und Ca2+-Ionen-Einstrom in die Zelle wird
verhindert.
• Die Zelle hyperpolarisiert
• Dies führt zum Verschluss der
spannungsgesteuerten Ca2+-Ionenkanäle in der
Synapse
• Es wird kein Transmitter (Glutamat) freigesetzt
Zusammenfassung
• Die nachfolgende Zelle Bipolarzelle ist
nicht mehr gehemmt und setzt ihrerseits
Transmitter frei
• Ganglionzelle wird depolarisiert
• Ein Aktionspotential entsteht
• Es erfolgt ein Signal ans Gehirn
• Das war‘s!
Fragen über Fragen
1. Wo werden die Aktionspotentiale ausgelöst?
•
Ganglienzelle
2. In welchem Teil der Photorezeptoren wird das
Licht absorbiert?
•
Außensegment  Rhodopsin  11-cis-Retinal
3. Durch welche zwei Prozesse wird die Wirkung
des Lichteinfalls verstärkt?
•
•
Rhodopsin aktiviert bis zu 3000 Transducin-Moleküle
Phosphodiesterase sprengt bis zu 2000 cGMP-Moleküle

Die Sehkaskade