Der Sehvorgang

Schematisches Bild der Netzhaut

Bild der Netzhaut

Die Stäbchenzellen sind für das Sehen in der Dämmerung geeignet. Ihre Empfindlichkeitskurve zeigt ein einziges Maximum bei 498 nm. Nach den Gesetzen der Farbenoptik kommt dafür nur eine rot-purpur-farbene Substanz in Frage, der Sehpurpur. Beim Sehpurpur in den Stäbchenzellen der Retina handelt es sich um Rhodopsin, ein "Chromoproteid". Rhodopsin besteht aus dem Chromohor 11 - cis - Retinen und dem Protein Opsin.

11-cis-Retinen

Im Sinne einer Schiffschen Base wird das ll-cis-Retinen an das Protein gebunden. Die Aminogruppe zur Ausbildung der Schiffschen Base wird von der Aminosäure Lysin gestellt. Rhodopsin

Interessant hierbei ist, daß das Rhodopsin bei 498 nm absorbiert, dagegen das reine 11-cis-Retinen der Chromophor als freies Molekül Licht einer Wellenläge von ca. 380 nm absorbiert (also am äußersten Rand des UV-Bereichs).

Bei der Belichtung des Sehpurpurs wird das Rhodopsinmolekül durch die Lichtenergie gespalten. Dabei entsteht zuerst Prae-Lumi-Rhodopsin; hierbei handelt es sich um eine Photoisomerisierung (ll-cis-Retinen all-trans-Retinen). Durch diese Umwandlung wird die Verknüpfungsstelle des Rhodopsins, welche vorher sterisch vor Hydrolyse geschützt war, nun dem Angriff des Wassers preisgegeben. Es kommt zur hydrolytischen Spaltung des Prae-Lumi-Rhodopsins in Opsin und all-trans-Retinen.

Da das freie Retinen bei einer Wellenlänge von 380 nm absorbiert, geht die Farbe des Sehpurpurs nach Gelb über, daher wird die Umwandlumg auch treffend als "Bleichung" bezeichnet.

Über das all-trans-Retinen steht unser Kreisprozeß übrigens mit dem Vitanmin A des Stoffwechsels in Verbindung:

Vitamin A

Da der Sehrvorgang ein fortlaufender Prozeß ist, muß immer wider für die Neubildung von Sehpurpur gesorgt werden. Diese Rückisomerisierung des freien all-trans-Retinens zur 11-cis-Verbindung ist sowohl bei Licht als auch bei Dunkelheit möglich.

Die Dunkelreaktion ist im Gegensatz zur Lichtreaktion sauerstoffabhängig.

Das all-trans-Retinen kann durch das Enzym Isomerase, das als Wasserstoffüberträger wirkt, in das eigentliche Vitamin A überführt werden. Vitamin A kann dauernd aus der Blutbahn abgegeben oder in die Blutbahn zurückgebracht werden. Oxidiertes Vitamin A bzw. all-trans-Retinen kann aber auch durch Licht in Gegenwart von Retinen-Isomerase in 11-cis- Retinen umgewandelt werden und zusammen mit Opsin zum Sehpurpur aufgebaut werden.

Darin liegt die Bedeutung des Vitamens A für die Netzhaut. Sein Fehlen bewirkt u.a. Nachtblindheit, weil die Stäbchen der Netzhaut ohne Retinen bzw. deren Vorstufe Vitamin A nicht arbeiten können.

Isomerisierung

Das Gleichgewicht der Isomerisierung des all-trans-Retinens liegt weit auf der linken Seite, Bei gleichzeitiger Eiwirkung von Licht und Enzym liegt im Gleichtgewicht 35% der 11-cis-Verbindung vor.

Die nun folgende Resynthese des Rodopsins verläuft schnell und vollständig. Das entstandene 11-cis-Retinen wird auf diese Weise rasch aus dem Isomerisierungs-Gleichgewicht entfernt; damit die Gleichgleichgewichtsbedingung erfüllt ist, wird laufend die cis-Verbindung nachgeliefert. Diese Koppelung eines energieverbrauchenden Vorgangs (der Isomerisierung) mit einem energieliefernden Vorgang (der Rhodopsin-Synthese) sorgt für die rasche und vollständige Regeneration des Sehpurpurs.

Kreisprozeß

chem. Ablauf im Auge

An dieser Stelle kann man nun fragen, warum gerade das 11-cis-Isomere gebildet wird und nicht irgendein anderes cis-Produkt! Die Pi-Elektronen einer Kette von konjugierten Doppelbindungen sind nicht streng zwischen je zwei Kohlenstoffatomen lokalisiert, sondern mehr oder weniger über die ganze Kette verteilt, Mit den modernen Näherungsverfahren der Quantenchemie kann man die Elektronenverteilung in einer Polyen-Kette berechnen, und es zeigt sich in der Tat, daß von den Doppelbindungen des Retinens diejenige zwischen C 11 und C 12 die geringste Elektronendichte hat, also am meisten einer Einfachbindung ähnelt. Dadurch ist an dieser Stelle die Drehung aus der trans- in die cis-Stellung erleichtert.

Offen ist für uns jetzt nur noch die Frage, wie der Sehreiz entsteht. Wir haben uns bisher hauptsächlich mit den biochemischen Vorgängen innerhalb der Stäbchen beschäftigt. Der Sehvorgang selbst ist dagegen ein psychischer Effekt, der im Gehirn stattfindet.

Zunächst greifen wir auf die Befunde der Physiologen zurück, Sie konnten mit Hilfe von Mikroelektroden in den Sehnerven Änderungen elektrischer Potential-Differenzen messen, die sie mit dem Sehreiz in einen direkten Zusammenhang brachten. Es liegt nun nahe anzunehmen, daß das Auftreten dieser Spannungsänderungen eine direkte Folge irgendeines Schrittes in unserem Kreisprozeß ist.

George Wald aus Cambridge USA hat hierzu die folgende wahr- scheinlichste Hypothese aufgestellt:

Die Photoisomerisierung des Rhodopsins legt ein Stück der vorher vom Retinen-Teil des Moleküls bedeckten Oberfläche des Opsins frei. Es ist bekannt, daß sich gerade an dieser Stelle der Proteinoberfläche freie SH-Gruppen befinden, die zur Bindung von Metallionen sehr geeignet sind. Der Lichteinfall könnte daher zu einer plötzlichen Verringerung der Konzentration freier Kationen, etwa in einer Stäbchenzelle, führen. Diese Konzentrationsänderung würde nun auf rein elektrochemischen Wege eine Spannungsänderung erzeugen, die von den Nervenzellen weitergeleitet würde.

George Wald entdeckte 1933 im Auge das Vitamin A, 1953 synthetisierte er zum erstenmal das Rhodopsin und 1964 erkannte er die drei Chromoproteide der Zapfen. Ragnar Granit aus Stockholm und Haldan Hartline New York haben die elektrischen Vorgänge in den Nervenzellen der Netzhaut untersucht. Alle drei zusammen erhielten den Nobelpreis des Jahres 1967 für Medizin. Für all diese Erfolge war es entscheidend, Kenntnisse und Methoden so verschiedenartiger Fachrichtungen, wie Physik, Chemie und Biologie miteinander in Verbindung zu bringen.

 

Theorie über das Farbensehen

Nach neuesten Erkenntnissen gibt es nun auch eine Theorie über das Farbensehen. Die Zäpfchen des Auges sind für die Farbdiskriminierung zuständig. Als Rezeptor-Molekül für alle drei Grundfarben dient ein einziges Sehpigment, das 11-cis-Retinal. Das freie 11-cis-Retinal absorbiert bei 380 nm. In den Photorezeptorzellen ist das 11-cis-Retinal an das Protein Opsin im Sinne einer Schiffschen Base gebunden, das Rinderrhodopsin absorbiert bei 500 nm. Wir haben in den Zäpfchen also ähnliche Verhältnisse wie bei den Stäbchenzellen.

Rhodopsin

Die Absorptionsmaxima der drei verschiedenen Farbrezeptoren des menschlichen Auges aber liegen bei 440,535 und 575 nm. Wie kommt diese Verschiebung des Absorptionsmaximuns ein und derselben Verbindung zustande?

Um herauszubekommen, welche Teile des chromophoren, delokalisierten pi-Elektronensystems für die Verschiebung der Absorption hauptsächlich zuständig sind, wurde an verschiedenen Stellen die Konjugation durch Hydrierung unterbrochen. Hierbei stieß man auf das empfindliche 11,12 - Dihydroretinal (s. ll-cis-Retinen bei der Photoisomerisierung), welches im Dunkeln bei -60°C unter Argon maximal 48 Stundcn aufbewahrt werden konnte. Dafür aber als 11,12 - Dihydrorhodopsin besitzt es die stärkste Verschiebung des Absorptionsmaximums. auf Grund dieser Tatsache muß in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesem Chromophor, der von C - 13 des 11,12 - Dihydroretinals bis zum Stickstoff der Schiffschen Base reicht, am Protein Opsin irgendeine Gruppe sitzen, die mit den Pi - Elektronen des Chromophors in Wechselwirkung tritt. Aus diesen "Überlegungen entwickelten K. Nakanishi und B. Honig, beide USA, ein "Punktladungs-Modell zur Wellenlängenregelung bei Sehpigmenten".

Aus theoretischen Modellrechnungen folgt, daß auch in 300 pm Abstand vom positiv geladenen Stickstoff eine negative Ladung des Opsins sein muß; damit das Absorptionsmaximum von 500 nm beim Rinderrhodopsin erhalten werden kann. Aus elektronenmikroskopischen Messungen wurde für die Aminosäurekette des Opsins eine dreidimensionale Faltung abgeleitet, und es scheint, daß tatsächlich in unmittelbarer Nähe des Retinals die negative geladene Carboxylat-Gruppe einer Asparaginsäure liegt.

Somit wird die Wellenlänge des Absorptionsmaximums von Retinal-Chromophoren durch externe Ladungen, die von Seitengruppen des Proteins zur Verfügung gestellt werden, reguliert.

Modell der Punktladung

 

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Zusammengefaßt von Bradtke, Köln

verwendet bei der schriftlichen Hausarbeit zur Zweiten Staatsprüfung, Gesamtseminar Detmold,

Oktober 1980

Literatur: Chemie in unserer Zeit Nr. 1 von 1980 (Chronik)