Photo-Elektrische Transduktion
überführt den physikalischen Reiz – hier: das Photon – in elektrische Erregung. Dabei läuft eine Kaskade von Prozessen ab:
- Dunkelstrom: Im Ruhezustand stehen die Natrium-Kanäle der Fotorezeptoren offen.
- Photoisomerisierung: Photon bewirkt Konformationsänderung des Retinals.
- Aktivierung von Transducin und Abbau des second messengers cGMP
- Schließung von Natrium-Kanälen
- Hyperpolarisation, mit verminderter Glutamat-Freisetzung
- elektrische Erregung
Photo-Elektrische Transduktion
Die Transduktion überführt den physikalischen Reiz – in diesem Fall das Photon – in die Sprache des Nervensystems – die elektrische Erregung.
Eine Besonderheit der Fotorezeptoren – Stäbchen und Zapfen – ist, dass sie ohne Lichteinfall aktiv sind – sie sind depolarisiert. Bei Dunkelheit – also ohne einen Reiz – sind die Natriumkanäle geöffnet und Natrium strömt kontinuierlich in die Zelle ein. Dieser sogenannte Dunkelstrom setzt permanent den Botenstoff (Neurotransmitter) Glutamat frei.
Damit ein Fotorezeptor ein Signal an die nachgeschalteten Zellen senden kann, müssen die Natriumkanäle geschlossen werden. Dies erfolgt über eine Kaskade von Prozessen:
Auslöser dafür ist der Einfall von Licht: Ein Photon wird von einem Teil des Sehpigments – dem Retinal – absorbiert. Retinal ändert dadurch seine Form von 11-cis zum all-trans-Retinal. Dies wird als Photoisomerisierung bezeichnet und führt dazu, dass das Sehpigment in ein freies all-trans-Retinal und in ein Opsin zerfällt.
Dadurch wird ein G-Protein – im Fall der Fotorezeptoren ist es Transducin – aktiviert. Transducin wiederum veranlasst den Abbau des second messengers cGMP (cyclisches Guanosin-Monophosphat), welcher die Natriumkanäle offenhält. Durch den Abbau von cGMP werden die Natriumkanäle geschlossen. Die Zelle wird hyperpolarisiert und setzt dadurch weniger Glutamat an der synaptischen Endigung frei.
Durch diese Lichtaktivierung beginnt die Überführung des physikalischen Reizes in die Sprache des Nervensystems. Die elektrische Erregung in Form eines Aktionspotentials wird allerdings erst mit der Erregung der Ganglienzelle ausgelöst.
Wieso so kompliziert? Weil das Signal so verstärkt werden kann! Jedes durch Licht aktivierte Rhodopsin aktiviert mehrere Transducine, welche durch den Abbau dutzender cGMPs letztlich hunderte Natriumkanäle blockieren und somit den Einstrom von tausenden Natrium-Ionen stoppen. Durch diese Signalverstärkung hat selbst ein einzelnes Photon einen Effekt.