Das Auge als Lichtsensor

Sehzellen einer Rindernetzhaut

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In dichten Reihen sind hier - grün gefärbt - die Sehzellen einer Rindernetzhaut zu erkennen.

Um so erstaunlicher ist die Tatsache, daß wir sowohl in einer sternenklaren Nacht als auch während einer Gletscherwanderung bei grellem Sonnenlicht unsere Umgebung erkennen. Diese enorme Anpassungsfähigkeit gibt der Wissenschaft immer noch Rätsel auf. Im Institut für Biologische Informationsverarbeitung (IBI) ist es einer Gruppe von Wissenschaftlern um Professor Dr. U. Benjamin Kaupp gelungen, Teile des Rätsels zu lösen.

Licht wird im Auge zunächst durch eine Linse gebündelt und auf die Netzhaut projiziert. Die Netzhaut ist eine dünne, mehrlagige Zellschicht, die den Augenhintergrund auskleidet. Ähnlich den eng geknüpften Schlaufen eines Teppichs finden sich hier - dicht an dicht (Bild 1) - unterschiedliche Sinneszellen, die sich die Arbeit teilen: Die sogenannten "Stäbchen" sind für das Sehen in der Nacht und bei Dämmerlicht zuständig, die "Zapfen" - von denen es beim Menschen drei unterschiedliche Typen gibt - werden bei Tageslicht für das Farbensehen benötigt.

Die Enzymkaskade

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Die Enzymkaskade: Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin innerhalb weniger Millisekunden in seine enzymatisch aktive Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Transducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das Enzym Phosphodiesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE* wiederum ist in der Lage, 2000 cGMP-Moleküle zu zerstören. In zwei Stufen erreicht die Kaskade also einen Verstärkungsgrad von 1 Million.

Damit das Gehirn "Licht" überhaupt als Sinneseindruck wahrnehmen kann, ist eine Übersetzung nötig - von der Physik in die biochemisch-elektrische Sprache unseres Nervensystems. Der Übersetzungsprozeß erfolgt in mehreren Stufen: Zunächst wird das einfallende Licht in den Sinneszellen von einem Sehfarbstoff - dem Rhodopsin - eingefangen und in ein biochemisches Signal umgewandelt. Kaupp beschreibt die Leistung der Sinneszellen so: "Eine Sehzelle ist in der Lage, einzelne Lichtquanten zu registrieren; deren Energie ist aber viel zu gering, um eine entsprechende elektrische Antwort zum Gehirn zu schicken. Also registriert und übersetzt die Sehzelle nicht nur das Signal, sondern verstärkt es bis zu einer millionmal."

Diese außerordentliche Verstärkerleistung basiert auf einem trickreichen Mechanismus. Angeregt durch die Lichtenergie wird aus dem Sehfarbstoff Rhodopsin innerhalb weniger Millisekunden ein Enzym mit enormer katalytischer Kraft: Ein angeregtes Rhodopsin-Molekül kann das Signal auf bis zu 3000 weitere Signalproteine übertragen, die nach einem Zwischenschritt 2000 Botenstoff-Moleküle abbauen. Licht setzt also in Sehzellen eine regelrechte Lawine biochemischer Reaktionen in Gang (Bild 2).

Im Dunkeln halten cGMP Moleküle die Ionenkanäle offen

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Im Dunkeln halten cGMP Moleküle die Ionenkanäle offen. Bei Belichtung wird cGMP abgebaut, die Kanäle schließen sich, und die Membranspannung sinkt auf negative Werte ab. Diese Veränderung der Membranspannung stellt die Lichtantwort dar. Sie wird über nachgeschaltete Nervenbahnen weiterverarbeitet und zum Gehirn weitergeleitet.

Das Ziel der Lawine ist der schnelle Abbau eines zelleigenen Botenstoffs - dem sogenannten cyclo Guanosin-Mono-Phosphat (cGMP). Dieses Molekül hat, im übertragenen Sinne, die Aufgaben eines Türstehers: Es hält im Dunkeln Ionenkanäle in der Zellmembran von Sehzellen offen. Durch den Abbau von cGMP schließen sich die Ionenkanäle, und elektrisch geladene Natriumionen können nun nicht mehr in die Zelle einströmen (Bild 3). So wird das Lichtsignal in die Sprache der Nervenzellen, einen Spannungsimpuls, übersetzt. Dieses Nervensignal wird über mehrere Zwischenstufen zum Gehirn weitergeleitet und dort als "Licht" oder "Farbe" empfunden.

1985 belegte eine russische Forschergruppe die zentrale Rolle des cGMP für den Sehvorgang. Zeitgleich bewiesen auch die Jülicher Forscher die Funktion dieses Moleküls. Die Ergebnisse warfen aber gleichzeitig eine wichtige Frage auf: Wie ist der Ionenkanal aufgebaut, der durch cGMP gesteuert wird? Das Wettrennen war eröffnet. Weltweit versuchten Biologen und Chemiker, den Bauplan dieses Ionenkanals aufzuklären.

1989 gelang Kaupp der Durchbruch: Er entschlüsselte die Struktur des gesuchten Ionenkanals. Mit Hilfe dieser Information war es den Wissenschaftlern erstmals möglich, die Arbeitsweise des Kanals bis ins Detail zu verstehen.

Physikerin Dr. Claudia Dzeja

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In einem Faradayschen Käfig untersucht die Physikerin Dr. Claudia Dzeja die Rolle von Ionenkanälen bei der Signalverarbeitung in Sinneszellen.

In der Zellbiologie brach durch die Veröffentlichungen über den Mechanismus des Sehvorgangs hektische Betriebsamkeit aus: Einige der Bausteine, die in Sehzellen die Lichtantwort erzeugen, fand man in den darauf folgenden Jahren auch in so unterschiedlichen Geweben wie Riechzellen der Nase, Geschmacksknospen der Zunge, im Gehirn und sogar in Spermien.

Aber nicht nur Fachkollegen schätzen den Wert der wissenschaftlichen Detektivarbeit. Auch Patienten mit schwerwiegenden Augenleiden könnten von dieser Grundlagenforschung profitieren. So leiden allein in Deutschland 30000 - 40000 Menschen an Retinitis Pigmentosa, einer Erbkrankheit, die in den meisten Fällen zur völligen Erblindung führt. Deshalb möchte Dr. Karl-Wilhelm Koch, Leiter der Arbeitsgruppe Biochemie im IBI, die Grundlagenforschung auch nicht von der Anwendung trennen: "Da es sich um eine Erbkrankheit handelt, konnten die Genetiker mittlerweile viele Veränderungen im Erbmaterial aufspüren. Weil aber über die Biochemie der Sehzellen noch vieles unbekannt ist, gibt es bis heute keine Möglichkeit, den Prozeß des Absterbens der Sehzellen zum Stillstand zu bringen." Die Wissenschaftler sind sich dabei durchaus bewußt, daß ihre Arbeit ein Teil eines großen Puzzles darstellt.

Ein weiteres Puzzlestück ist die außerordentliche Anpassungsfähigkeit des gesunden Auges an verschiedene Helligkeitsstufen. Daß Stäbchen und Zapfen auf Licht unterschiedlich reagieren, scheint nicht an der biochemischen Grundausstattung beider Zelltypen zu liegen: Untersuchungen einer amerikanisch-britischen Forschergruppe lassen den Schluß zu, daß die Sehkaskaden in beiden Zelltypen auf den gleichen Verstärker-Prinzipien beruhen.

Dr. Heinz G. Körschen, Nachwuchswissenschaftler im IBI, glaubt der Lösung näher gekommen zu sein: "Wir haben bei Stäbchen eine bestimmte Klasse von Proteinen gefunden, die in Zapfen nicht vorhanden sind. Dieses Protein scheint die am Sehvorgang beteiligten Moleküle zu organisieren und in die richtigen Bahnen zu lenken." Kaupp drückt die neuen Ergebnisse noch plastischer aus: "Bisher haben wir angenommen, die Moleküle schwimmen in der Zelle einfach herum und reagieren 'irgendwie' miteinander. Das nun entdeckte Protein mit seinen organisatorischen Eigenschaften ist für das detaillierte Verständnis des Sehvorgangs ein neuer Durchbruch."