Stäbchen:
- Lichtinduzierte Enzymkaskade
- Inaktivierung der Enzymkaskade
Das Außensegment enthält disks, in deren Lipiddoppelschicht der Sehfarbstoff Rhodopsin eingelagert ist. Sie sind für das Sehen bei Nacht und Dämmerung zuständig.
Zapfen:
Die Plasmamembran des Außensegments ist mehrfach eingestülpt und enthält das Rhodopsin. Zapfen sind weniger lichtempfindlich als Stäbchen und sind für das Sehen bei Tageslicht und die Farbwahrnehmung zuständig. Es gibt drei Zapfentypen mit Absorptionsmaxima bei 420nm(blau), 540nm(grün) und 560nm (rot).
Das Sehpigment Rhodopsin besteht aus dem Protein Opsin und dem lichtempfindlichen 11-cis Retinal. Das gewinkelte 11-cis Retinal, das sein Absorptionsmaximum bei 500 nm hat, wird nach Absorption eines Lichtquants in die gestreckte all-trans Form überführt. Das angeregte Rhodopsin zerfällt über mehrere Zwischenstufen in all-trans Retinal und Opsin. Eine der Zwischenstufen, das Metarhodopsin II, aktiviert das Enzym Transducin. Dieses Enzym besteht aus einer a-, einer b- und einer g-Untereinheit. Die a-Untereinheit hat im inaktiven Zustand GDP gebunden. Nach Aktivierung durch Metarhodopsin II wird dieses GDP gegen GTP ausgetauscht und der Komplex zerfällt in Ta-GTP und Tbg. Ta-GTP aktiviert eine Phosphodiesterase, indem es die zwei inhibitorischen g-Untereinheiten der Phosphodiesterase bindet und damit die Blockierung der katalytischen Aktkvität der a-und b-Untereinheit aufhebt. Die Phosphodiesterase hydrolysiert cGMP zu 5`GMP und bewirkt dadurch, dass die cGMP-gesteuerten Ionenkanäle im Außensegment schließen. Dies bewirkt eine Hyperpolarisation der Membranspannung auf ca. –70mV.
Die Spannungsänderung wird über das Innensegment zur Synapse weitergeleitet und führt dort zu einer verringerten Ausschüttung des Transmitters Glutamat.
Inaktivierung der Enzymkaskade
Je schneller die Enzymkaskade abgeschaltet wird und der Dunkelzustand wieder hergestellt ist, desto schneller kann die Zelle eine neue Anregung detektieren.
Um das Rhodopsin zu inaktivieren, phosphoryliert eine Rhodopsinkinase Serinreste am C-Terminus des Rhodopsins. Die Affinität für die Transducinbindung wird zusätzlich durch die Bindung von Arrestin herabgesetzt. Das all-trans Retinal wird über mehrere Zwischenschritte wieder zu 11-cis Retinal umgewandelt. In Stäbchen geschiet dies in einer angrenzenden Zellschicht, dem „retinalen Pigment Epithel“ (RPE).
Bei der Wiederherstellung des aktivierbaren Transducins wird GTP durch „GTPase-activating proteins“ (GAPs) zu GDP und anorganischem Phosphat hydrolysiert. Wenn Tbg von Phosducin gebunden wird, dann wird die Regeneration von Transducin verhindert.
Durch membrangebundene Guanylyl-Zyklasen, die durch die intrazelluläre Ca2+-Konzentration reguliert werden, wird cGMP synthetisiert, so dass die cGMP-Kanäle in der Plasmamembran der Außensegmente wieder öffnen.
Wenn ein Photorezeptor ständig belichtet wird, verringert sich seine Empfindlichkeit. Diese Lichtadaptation wird durch Veränderungen in der Ca2+-Konzentration moduliert. Das Ca2+-bindende Protein Recoverin inhibiert die Phosphorylierungsreaktion des Rhodopsins im Dunkeln. Bei Licht, wenn die Ca2+-Konzentration niedriger ist, findet keine Inhibition der Phosphorylierung statt.
Ca2+/CaM kontrolliert den Phosphorylierungszustand des Phosducins. Bei hoher Ca2+-Konzentration im Dunkeln stimuliert es eine Adenylylzyklase, die cAMP synthetisiert. Dieses cAMP aktiviert eine Proteinkinase, die das Phosducin phosphoryliert. Bei geringer Ca2+-Konzentration im Licht wird das Phosducin dephosphoryliert, bindet Tbg und verhindert die Regeneration von Transducin.
Quellenangabe
- „Sensory Transduction“, Gordon L.Fain
- „Signaltransduktion in Sehzellen“, Frank Müller & U.Benjamin Kaupp (Naturwissenschaften: Review Articles)
- Lehrbuch der Biochemie, D.Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt
- Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie, B.Alberts, D.Bray, A.Johnson, J.Lewis, M.Raff, K.Roberts, P.Walter