Fototransduktion

Fototransduktion — einfach erklärt

Die Fototransduktion ist ein Prozess im Auge, bei dem Licht in elektrische Signale umgewandelt wird. Diese Signale werden dann an das Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet. Für die Fototransduktion sind die Lichtsinneszellen der Netzhaut verantwortlich: die Stäbchen und Zapfen.

Beide Zelltypen haben spezielle Funktionen und reagieren bei der Fototransduktion unterschiedlich, je nachdem, ob sie Licht oder Dunkelheit ausgesetzt sind. Die Stäbchen sind dabei für das Sehen in der Dämmerung zuständig, wohingegen die Zapfen das Farbsehen ermöglichen.

Fototransduktion in Stäbchen bei Dunkelheit

Ist es dunkel, laufen in den Stäbchen des Auges folgende Prozesse ab:

1. cGMP
   Das Molekül cGMP bleibt unverändert in hoher Konzentration in den Stäbchenzellen der Netzhaut vorhanden. Das cGMP bindet dabei an spezielle Natriumkanäle in der Zellmembran und hält sie offen.
    
2. Dunkelstrom
   Durch die offenen Kanäle können kontinuierlich positiv geladene Natrium-Ionen in die Zelle einströmen. Diesen Einstrom nennst du auch Dunkelstrom.
    
3. Depolarisation
   Der Dunkelstrom erhält eine konstante Spannung von etwa -30 bis -40 mV aufrecht. Das entspricht im Dunkeln dem Ruhepotenzial. Durch den ständigen Einfluss von Ionen bleibt die Zelle in einem Zustand der Dauerdepolarisation.
     
4. Glutamat-Ausschüttung
   Während der Dauerdepolarisation schüttet die Zelle kontinuierlich den Neurotransmitter Glutamat aus.
    
5. keine Aktionspotentiale
   Glutamat wirkt hemmend auf die nachgeschalteten Nervenzellen, sodass keine Aktionspotenziale gebildet werden. Glutamat signalisiert so, dass gerade kein Licht auf die Netzhaut trifft. Das Gehirn „sieht“ also Dunkelheit.

Fototransduktion in Stäbchen unter Belichtung

Ist es hell, laufen in den Stäbchen im Auge folgende Vorgänge ab:

1. Rhodopsin-Umwandlung
   Ohne Belichtung liegt im Stäbchen das „Sehpigment“ Rhodopsin im Zustand 11-cis-Retinal vor. Wenn Licht auf die Netzhaut trifft, wird dieses 11-cis-Retinal in all-trans-Retinal umgewandelt. Diese Umwandlung bringt Rhodopsin in die Form Metarhodopsin II.
    
2. cGMP-Abbau
   Metarhodopsin II wiederum aktiviert mehrere Hundert Moleküle des Proteins Transducin. Dieser Verstärkungseffekt löst eine Reaktionskette aus, bei der das Molekül cGMP abgebaut wird.
    
3. Dunkelstrom unterbrochen
   Durch den Abbau von cGMP schließen sich die Natriumkanäle in der Zellmembran. Der Einstrom der positiv geladenen Natrium-Ionen wird somit gestoppt und auch der Dunkelstrom wird unterbrochen.
    
4. Hyperpolarisation
   Ohne Dunkelstrom sinkt das Membranpotenzial der Zelle auf etwa -60 mV. Diesen Zustand nennst du Hyperpolarisation.
    
5. Aktionspotentiale
   Durch die Hyperpolarisation wird deutlich weniger Glutamat ausgeschüttet, was die hemmende Wirkung auf die nachgeschalteten Nervenzellen reduziert. Dadurch können Aktionspotenziale entstehen, die als Lichtsignal an das Gehirn weitergeleitet werden.

Fototransduktion bei Zapfen

Die Fototransduktion bei Zapfen funktioniert grundsätzlich wie bei den Stäbchen: Auch hier wird bei Belichtung das Molekül cGMP abgebaut, die Natriumkanäle schließen sich, und die Zelle geht in einen Zustand der Hyperpolarisation über.

Der wichtigste Unterschied zu den Stäbchen ist jedoch, dass Zapfen für das Farbsehen verantwortlich sind. Sie reagieren nämlich auf verschiedene Lichtwellenlängen.

Es gibt drei Arten von Zapfen, die jeweils auf eine bestimmte Wellenlänge spezialisiert sind:

Synapsengifte

Wie die Reizumwandlung und Reizweiterleitung in den Nervenzellen im Auge abläuft, weißt du jetzt. Synapsengifte stören diese Weiterleitung allerdings. Wie Synapsengifte wirken, zeigen wir dir hier!