Vom Reiz zur Erregung - wie erfolgt sehen?

Sehen wird uns durch Sehfarbstoffe in den Lichtsinneszellen ermöglicht. Diese Lichtsinneszellen befinden sich in der Regel an einem Ort lokalisiert, dem Auge.

Sehen kann in drei Vorgänge aufgeteilt werden:

• Abbildung der Umwelt auf die Lichtsinneszellen
• Erregung der Lichtsinneszellen
• Verarbeitung der Erregung im Nervensystem/Gehirn

Bau und Funktion eines Sinnesorgans – Das Auge

Augentypen

• „sehen ohne Augen": Regenwurm hat Lichtsinneszellen über den ganzen Körper verteilt
• Flachauge (Qualle): einzelne Lichtsinneszellen, können ungefähre Richtung des Lichteinfalls ausmachen
• Grubenauge (Napfschnecke): kleineres Sehfeld, aber besseres Erkennen wo Lichtquelle lokalisiert
• Lochkameraauge (Seeohrschnecke): vom Grubenauge abgeleitet, Bild ist lichtschwach, nicht besonders scharf
• Linsenauge Tintenfisch/Mensch: Linse ermöglicht scharfe Abbildung
• Facettenauge (Insekten)
• Linsenauge (Mensch)

Aufbau Linsenauge

Aufbau des Wirbeltierauges (Linsenauge). Quelle Abbildung: Wikipedia GNU-Freigabe.

Die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch das Linsenauge eines Menschen. Augenlinse und Ziliarkörper trennen das Auge in zwei Kammern.

Die vordere Augenkammer wird zwischen Linse und Hornhaut (Cornea) gebildet und ist mit Kammerwasser gefüllt.

Die wesentlich größere, hintere Augenkammer umspannt den Raum von Linse zur Netzhaut (Retina). Die hintere Augenkammer ist dem sogenannten Glaskörper gefüllt. Dieser Glaskörper ist eine gallertartige Masse aus Proteinen.

Zum Schutz ist die Retina noch von der Choroidea (Aderhaut) und der Sklera (Lederhaut) umhüllt. Die Linse ermöglicht durch Fokussierung eine exakte Abbildung der Umwelt. (Quelle Abbildung: Wikipedia)

Die Stäbchen als Sehzellen liegen in der Retina. Das Außenglied des Stäbchens ist dicht mit Membranstapeln bepackt. Hier werden die Opsin Moleküle gelagert. Der eigentliche Sehfarbstoff ist das 11-cis-Retinal, das durch Lichteinfall in all-trans-Retinal umgewandelt wird und dadurch das Schließen von Na⁺-Kanälen auslöst.

Schema Netzhautaufbau: Das Licht muss die Nervenzellschichten durchdringen, bevor es auf die Sehzellen trifft. Im Linsenauf findet sich ein sogenannter inverser, also "umgekehrter" Aufbau.

Die molekularen Vorgänge des Sehens

Der Sehvorgang im menschlichen Auge ist ein sehr schönes Beispiel für Informationskaskaden und second-messenger-Vorgänge. Diese sensorische Transduktion basiert auf der Aktivierung des Sehfarbstoffs Rhodopsin.

Rhodopsin wird aus dem Proteinteil Opsin und dem Vitamin-A-Derivat Retinal gebildet. Retinal kann in zwei Formen auftreten. Zum einen im „geknickten" 11-cis-Retinal, zum anderen im „gestreckten" all-trans-Retinal. Das „gestreckte" all-trans-Retinal aktiviert den Proteinanteil des Rhodopsins, also das Opsin.

Kommt es zum Lichteintritt, so wird 11-cis- in all-trans-Retinal umgewandelt. Opsin wird aktiviert und gibt diese „Aktivinformation" an das G-Protein Transducin weiter. Das aktivierte Transducin wiederum aktiviert das Enzym Phosphodiesterase (PDE).

PDE spaltet cGMP und bildet dabei GMP. Nur cGMP kann an Rezeptoren der Natriumkanäle der Plasmamembran des Stäbchens binden. Natriumkanäle mit gebundenen cGMP sind offen. Ohne cGMP schließen die Natriumkanäle. Es kommt zu einer Hyperpolarisierung aufgrund des Lichteintritts!

Entstehung des Rezeptorpotentials im Stäbchen.

1. Durch den Eintritt von Licht in das Stäbchen wird das 11-cis zu all-trans-Retinal umgewandelt. Dabei wird das Protein Opsin aktiviert.

2. Die aktivierte Form des Opsins ist für die Aktivierung eines G-Proteins (=Transducin) verantwortlich.

3. Transducin aktiviert das Enzym Phosphodiesterase. Durch die Phosphodiesterase werden cGMP-Moleküle in GMP gespalten.

4. Nur cGMP kann an die Natriumkanäle der Stäbchen-Plasmamembran binden. Das GMP verlässt die Bindestelle. Die Natriumkanäle schließen, sobald kein cGMP mehr gebunden ist!

5. Findet kein Natriumeintrom statt, so kommt es zu einer Hyperpolarisation.

Auswertung der optischen Information im Gehirn