Bau und Funktion Sinnesorgan
Bau und Funktion eines Sinnesorgans – Das Auge
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 den Lichtsinneszellen
- Erregung dieser Lichtsinneszellen
- Verarbeitung der Erregung im Nervensystem/Gehirn
Augentypen
„sehen ohne Augen": Regenwurm hat Lichtsinneszellen über 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
Die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch das Linsenauge eines Menschen. Augenlinse und Ciliarkörper 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 Fokusierung 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.
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
Laterale Inhibition
Die laterale Inhibition oder laterale Hemmung dient zur Kontrastverstärkung. Mit Hilfe dieser Verschaltungsmöglichkeit z.B. im Auge können Farbkontraste (z.B. schwarz-weiss; Hermannsches Gitter) besser wahrgenommen werden. So werden nebeneinander liegende Sinneszellen miteinander gekoppelt, deren Informationen miteinander bereits in der Netzhaut verrechnet um dann diesen vorinterpretierten Sinneseindruck an das Gehirn weiter zu leiten.
Ein vereinfachtes Verschaltungsmuster der lateralen Inhibition:
Die Erregungsstärke der einen Sinneszelle wird auf die daneben liegende Sinneszelle übertragen, so dass die Bipolaren Zellen eine Interpretation des eigenlichen Seheindrucks erhalten. Der gesehene Reiz unterscheidet sich vom physikalischen Reiz. An den Stellen, wo "hell" auf "dunkel" trifft, kommt es zur Verstärkung des Kontrastes. In der Abbildung ist dies durch die Zahlenwerte 4/8 am Fotorezeptor bzw. 1/5 an den Bipolaren Zellen symbolisiert.
Rezeptives Feld
Als rezeptives Feld wird eine Gruppe von Sinneszellen (z.B. Stäbchen in der Netzhaut des Auges) auf ein ableitendes (sensorisches) Neuron verschaltet.
Farben sehen
In der Netzhaut befinden sich neben den für das Schwarz-Weiss-Sehen verantwortlichen Stäbchen ebenso Zapfen. Es gibt drei verschiedene Zapfentypen, welche maximal bei 455 nm (blau), 535 nm (grün) und 570 nm (rot) ihr Absorptionsmaximum zeigen. Diese Form der Farbwahrnehmung nennt man trichromatisch, da drei Rezeptorentypen (Zapfentypen) den Lichtreiz wahrnehmen.
Wellenlängen des Lichts, die auf der Retina auftreffen werden von den Lichtsinneszellen aufgenommen und verwertet. Das heisst gleichzeitig, nur die Wellenlängen, die tatsächlich im Auge ankommen sorgen für den Farbeindruck.
Beispiel
Beispiel:
Das grüne Blatt erscheint uns deshalb grün, da alle Wellenlängen vom Blatt absorbiert werden (blau, rot ...vergleiche Fotosynthese in Q2!), nur der Anteil welcher für den grünen Farbeindruck verantwortlich ist wird durchgelassen (also nicht absorbiert) und kann daher von unserer Netzhaut aufgenommen werden = subtraktive Farbmischung!
Farbblindheit oder Farbfehlsichtigkeit
Komplette Farbblindheit ist sehr selten. Meist ist einer oder zwei der drei Zapfentypen noch voll funktionsfähig. Daher sind die bekannten Phänomene in der Regel Farbfehlsichtigkeiten.
Rot-Grün-Sehschwäche: X-chromosomal vererbt, ca. 8% der männlichen Bevölkerung und 0,4 % der weiblichen Bevölkerung sind betroffen.
Hell-Dunkel-Adaptation
= Anpassung des Auges an unterschiedliche Lichtstärken oder Lichtverhältnisse.
Dabei kommt zum Tragen, dass Stäbchen und Zapfen unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Während die Zapfen für das Farbsehen zuständig sind und daher eine hohe Lichtintensität benötigen, können die Stäbchen bei geringen Lichtintensitäten immer noch sehr gut arbeiten. Die Sehwahrnehmung erfolgt bei schlechten Lichtverhältnissen durch die Stäbchen, bei guten über die Zapfen.
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Fototransduktion - Molekularen Vorgänge in der Retina
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