Der Sehprozess - Überblick

Transkript

1 Der Sehprozess - Überblick? optischer Reiz?? el. Signal (Nerven)

2 Thema und Inhalt Biophysik des Sehens vom Reiz zum Signal Fragen: Wie funktioniert die Signalwandlung? Wie wird das Signal verstärkt (> 1Mio)? Wie wird das Signal angepaßt (hell, dunkel)? Wie selektiv ist das Signal (Farben)? Stichworte: Rhodopsin, molekulare Maschine, Enzymkaskade, Signaltransduktion PDF-File der Folien:

3 Die Netzhaut (Retina) Opt. Nervenbahnen Nervenzellen Licht Stäbchen empfindlich, sehen im Dunkeln Photorezeptorzellen Zapfen Farbsehen

4 Stäbchen und Zäpfchen Dunkel- und Farbsehen Zahl (pro Auge) Reaktionszeit Empfindlich -keit Stäbchen (Rods) 100 Mio 100 ms extrem hoch Dunkelsehen Zäpfchen (Cones) 5 Mio 1-10 ms Farb- und Hellsehen

5 Aufbau der Sehzelle (Stäbchen) äusseres Segment Diskstapel mikroskopische Aufnahme eines Diskstapels inneres Segment Disk (Scheibchen, ca pro Zelle) Zytoplasma intradiscal 100 nm Diskmembran C 1 mm 4 nm Sehpigment (Rhodopsin)

6 Rhodopsin = integrales Membranprotein wird durch hydrophobe WW in der Membran verankert 7 transmembrane Helizes verbunden durch Schleifen (Loops) Lipidmolekül hydrophil (wasserliebend) hydrophob (wasserabstossend) C Lipiddoppelschicht hydrophob Loop

7 Rhodopsin, das Sehpigment Opsin = Protein (348 Aminosäurereste) Diskmembran Retinal = Sehpigment (Chromophor) wird durch NH-C Bindung, elektrostatische Kräfte und Wasserstoff-Brücken im Opsin fixiert

8 Fixierung des Retinals im Opsin 1 2 E113 G Blick von oben Bindung des Chromophors ist relativ labil K296 7 Chromophorbindende Gruppen im Opsin: 6 Glutamat113 H 3 C Lysin296 H C 3 5 Glyzin CH 3 H 3 C CH 3 O O CH 3 H C NH 2 Schiffsche Base

9 Photoisomerisation 17 H 3 C CH CH cis-Retinal Licht-Absorption Isomerisation 19 CH 3 All-trans-Retinal 17 H 3 C CH CH CH H 3 C 70% O Licht E=245 kj/mol (l=500 nm, E=hc/l) H 30% thermische Deaktivierung 20 CH Rotation um Doppelbindung (180 ) O H Energie (kj/mol) Absorption (Anregung) cis angeregter Zustand trans thermische Energie Rotation um Bindung ca. 70% aller absorbierten Photonen bewirken Isomerisation (Quantenausbeute > 0.7)...höchst effizient!!! Grundzustand

10 Rhodopsin - molekularer Energiewandler Licht 1 2 Photonenenergie 3 4 Photoisomerisation chem. Energie (trans-retinal) aktiviertes Rhodopsin Änderung der WW im Protein Dunkel reaktionen 2 Batho-Meta I-Meta II mech. Energie des Proteins Aufbrechen von Bindungen Änderung der Struktur Spannungen im Protein

11 Transducin - Signalempfang Rhodopsin (aktiviert, R*) WW mit R* Transducin a b g zytoplasmatisches Protein bestehend aus 3 Untereinheiten bindet an aktiviertes Rhodopsin über Membrananker (Fettsäureketten)

12 Transducin: Signaltransduktion (-weiterleitung) Chemischer Energiespeicher (Phosphatbindungen) = GTP-bindendes Protein (G-Protein) 4. Dephosphorylierung 3. aktiviert PDE PDE* GDP P GTP a a 5. Assembly der Untereinheiten GDP GTP bg a GTP bg a GDP 1. wird durch R* aktiviert 2. a-einheit spaltet ab und bindet GTP koppelt mit Phosphodiesterase

13 Phosphodiesterase - der Effektor PDE Effekt: Konzentration von cgmp sinkt im Zytoplasma 5 -GMP cgmp PDE* GTP durch Transducin* aktivierte Phosphodiesterase hydrolysiert cgmp zu 5 -GMP a

14 vor Lichtreiz: cgmp aktiviert Ionenkanäle Zellmembran außen innen - Konzentrationsdifferenz innen-außen cgmp Zeit Spannungsdifferenz innen-außen 1. Ionenkanal wird durch cgmp geöffnet (aktiviert) und pumpt in die Zelle 2. Es entstehen Konzentrationsgradient/ Spannungsdifferenz +30 mv Zeit

15 danach: Mangel an cgmp deaktiviert Ionenkanäle Zellmembran außen innen 5 -GMP PDE* - Konzentrationsdifferenz innen-außen GTP a 1. PDE* verbraucht cgmp in der Zelle 2. Ionenkanäle schließen cgmp 3. Konzentration gleicht sich durch passiven Transport aus 4. Konzentrationsgradient/Spannungsdifferenz verschwinden Zeit Spannungsdifferenz innen-außen +30 mv Zeit 0 mv

16 Die elektrische Antwort der Zelle Ruhezustand: nach Lichtreiz: +30mV +0mV K + -70mV K + -70mV 100mV 70mV ständige Ausschüttung des Neurotransmitters beruhigt die nachgeschaltete Nervenzelle Spannungsänderung stoppt Ausschüttung des Neurotransmitters, nachgeschaltete Nerven werden gereizt Aktionspotential elektrisches Signal, Verarbeitung in Nervenzellen und Weiterleitung zum Gehirn Neurotransmitter (Glutamat) Nervenzelle Reiz

17 P Die Enzymkaskade - Überblick Licht Reiz Signal Diskmembran Zytoplasma Zellmembran Cis-Retinal GTP GDP Trans-Retinal GMP R R* T at* PDE PDE* cgmp auf zu Transducin: Interaktion mit R* an der Membran Zerfall und Bindung von GTP (chem. Energie) Rhodopsin: Isomerisation von Retinal; Strukturänderung Phosphodiesterase: Verbrauch von cgmp Schließen der cgmpaktivierten Ionenkanäle

18 Die Enzymkaskade - maximale Verstärkung Keine Reaktionskette, sondern ineinandergreifende Reaktionszyklen Steuerung: Reaktionszeit, Empfindlichkeit Licht chem. Energie Aktivierung GMP Rhodopsinzyklus Transducinzyklus PDEzyklus cgmp Deaktivierung 1 : 3000 ein Photon 1 : 1 1 : 2000 R : T T : PDE PDE : cgmp ein Rhodopsin aktiviert bis zu 3000 Transducin ein PDE hydrolysiert bis zu 2000 cgmp pro Sek. Gesamtverstärkung bis zu > 10 6

19 Rhodopsin - Deaktivierung und Regeneration teures Protein bleibt erhalten (Maschine) billiges Chromophor wird recycelt bzw- ersetzt (Ersatzteil) Einbau 11-cis-Retinal Vitamin A, Karotin (Möhren!) biochemische Regeneration außerhalb der Sehzelle All-Trans Retinal Abspaltung des Chromophors Licht R*-Kinase (Enzym) ATP ADP Arrestin C C P P C P P C C regeneriertes Rhodopsin aktiviertes Rhodopsin durch Phosphor deaktiviert durch Arrestin versiegelt Opsin (ohne Retinal)

20 Rhodopsinzyklus - Dynamik Absorption cis trans Isomerisation Deaktivierung Strukt. Änderungen (Dunkelreaktionen) Zerfall Vitamin A biochemische Regeneration 11-cis Retinal Licht All-trans Retinal R R* 6 Batho-MetaI-MetaII Enzymkaskade Opsin el. Antwort der Zelle femto piko milli Stunden Zeitskale in Sekunden R

21 Die Morphologie der Sehzellen (Stäbchen) äusseres Segment mit Diskstapel Zytoplasma mit PDE und cgmp R PDE* R R* R R R R PDE* extrem hohe Rhodopsindichte: ca Moleküle pro µm 2 Diskmembran, 50 Mio pro Stäbchen Absoptionswahrscheinlichkeit für ein Photon liegt nahe 1 schmale Zwischenräume zwischen den Disks: ein Rhodopsin kann alle PDE im Zwischenraum (ca. 500) aktivieren, welches schlagartig alles cgmp hydrolisiert Stapelstruktur wirkt als Diffusionsbarriere Eingrenzung des Reaktionsraumes Schutz vor Übersättigung Zellmembran mit Ionenkanälen Photon

22 Farb(fern)sehen: Das Absorptionsspektrum vom Retinal Extinktion ( Absorptionsstärke ) Lage des Absorptionsmaximums wird bestimmt 1. durch Wechselwirkung mit der Umgebung (z.b. zwischen Retinal und Opsin) blaue, grüne und gelbgrüne Zäpfchen ermöglichen Farbsehen beim Menschen, besitzen leicht unterschiedliche Opsine Wellenlänge (nm) 380 cis frei 17 H 3 C trans im Opsin 16 CH CH CH H 3 C cis im Opsin H O 2. durch Konfiguration (cis, trans) Dunkelreaktion kann spektral verfolgt werden 3. durch chemische Struktur je größer die Elektronenwolke (pi-systeme konjugierter Doppelbindungen) desto langwelliger verschiedene Tiere haben verschiedene Chromophore Wellenlänge (nm)

23 Zusammenfassung Photon aktiviert Sehpigment (Rhodopsin) durch Photoisomerisation Enzymkaskade (Phototransduktion) verstärkt und regelt Signal Wirkung auf Ionenkanäle erzeugt elektrisches Signal Kombination aus physikalischen und chemischen Prozessen bewirkt hohe Spezifität und Effektivität chemische Rezeptoren (Schmecken, Riechen) arbeiten ähnlich (G-Protein-gekoppelte-Rezeptoren) Physik, Chemie oder Biologie?