Empfindlichkeit, Adaptation und Schnelligkeit von Photorezeptoren

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1 Empfindlichkeit, Adaptation und Schnelligkeit von Photorezeptoren Signaltransduktion in Sinneszellen Hendrik-Marten Meyer 4. Mai / 28

2 Gliederung 1 Empfindlichkeit Stäbchen Zapfen Empfindlichkeit Boltzmann und Evolution 2 Adaptation Definition Mechanismen Einheit und Beispiele für Lichtstärke WH: Enzymkaskade Ca 2+ : Botenstoff der Adaptation Erholungsphase Arrestin: Versiegeln des Rhodopsins Calcium beeinfluss den cgmp Abbau Phosducin Negative Rückkopplung an Ca 2+ abhängigen Kanälen Zusammenfassung: Adaptation 3 Schnelligkeit/Empfindlichkeit Reaktion auf Blitze verschiedener Intensitäten Vergleich: Stäbchen und Zapfenantwort zeitlicher Verlauf bei der Dunkeladaptation Vergleich mit Haarzelle 4 Literatur und Quellen 2 / 28

3 Gliederung 1 Empfindlichkeit Stäbchen Zapfen Empfindlichkeit Boltzmann und Evolution 2 Adaptation Definition Mechanismen Einheit und Beispiele für Lichtstärke WH: Enzymkaskade Ca 2+ : Botenstoff der Adaptation Erholungsphase Arrestin: Versiegeln des Rhodopsins Calcium beeinfluss den cgmp Abbau Phosducin Negative Rückkopplung an Ca 2+ abhängigen Kanälen Zusammenfassung: Adaptation 3 Schnelligkeit/Empfindlichkeit Reaktion auf Blitze verschiedener Intensitäten Vergleich: Stäbchen und Zapfenantwort zeitlicher Verlauf bei der Dunkeladaptation Vergleich mit Haarzelle 4 Literatur und Quellen 2 / 28

4 Gliederung 1 Empfindlichkeit Stäbchen Zapfen Empfindlichkeit Boltzmann und Evolution 2 Adaptation Definition Mechanismen Einheit und Beispiele für Lichtstärke WH: Enzymkaskade Ca 2+ : Botenstoff der Adaptation Erholungsphase Arrestin: Versiegeln des Rhodopsins Calcium beeinfluss den cgmp Abbau Phosducin Negative Rückkopplung an Ca 2+ abhängigen Kanälen Zusammenfassung: Adaptation 3 Schnelligkeit/Empfindlichkeit Reaktion auf Blitze verschiedener Intensitäten Vergleich: Stäbchen und Zapfenantwort zeitlicher Verlauf bei der Dunkeladaptation Vergleich mit Haarzelle 4 Literatur und Quellen 2 / 28

5 Gliederung 1 Empfindlichkeit Stäbchen Zapfen Empfindlichkeit Boltzmann und Evolution 2 Adaptation Definition Mechanismen Einheit und Beispiele für Lichtstärke WH: Enzymkaskade Ca 2+ : Botenstoff der Adaptation Erholungsphase Arrestin: Versiegeln des Rhodopsins Calcium beeinfluss den cgmp Abbau Phosducin Negative Rückkopplung an Ca 2+ abhängigen Kanälen Zusammenfassung: Adaptation 3 Schnelligkeit/Empfindlichkeit Reaktion auf Blitze verschiedener Intensitäten Vergleich: Stäbchen und Zapfenantwort zeitlicher Verlauf bei der Dunkeladaptation Vergleich mit Haarzelle 4 Literatur und Quellen 2 / 28

6 Fakten zu Stäbchen Abbildung: Stäbchen.[1] Anzahl ca. 120 Million farbenblind. λ max = 498nm empfindlich: können einzelne Photonen detektieren sind für skotoptisches Sehen (Dämmerungssehen) zuständig lichtempfindliche Membran sind die Disks ca Disks/Außensegment - (beim Menschen 500 Disks/Außensegment) ca Rhodopsin-Moleküle/µm 2 Diskmembran p WW = 1 ca. 50 Millionen Rhodopsin-Moleküle/Stäbchen 3 / 28

7 Rauschminimierung Stäbchen haben einen Dunkelstrom von 40pA. Ein Photon kann in Stäbchen den Dunkelstrom um ca. 1pA reduzieren - SNR γ = 2.5%. Abwesenheit zweiwertiger Ionen Stromfluss von 1pA/Kanal 40 Kanäle offen. Schwankungsbreite: σ = N = 40 6 σ R = 6pA SNR = 15% Anwesenheit zweiwertiger Ionen: Ca 2+ Ca 2+ braucht länger um durch den Kanal zu kommen Blockierung des Kanals Reduzierung des Stroms auf ca. 4fA/Kanal Kanäle müssen offen sein. Schwankungsbreite: σ = N = σ R = 0.4pA SNR = 1% 30 Lichtquanten lösen eine halbmaximale Antwort von 15-20pA aus Lichtquanten sättigen die Rezeptoranwort. 4 / 28

8 Reaktion eines Photorezeptors auf ein Photon Abbildung: (a) Außensegment in Pipette ca. 50µm lang und hat einen Durchmesser von ca.6µm. Lichtschlitz (grün) reizt dunkeladaptiertes Stäbchens. (b) Die Wirkung eines einzelnen Photons auf ein Stäbchen eines Makaken. Maximale Reizantwort 1pA. Zeit bis Maximum ca. 0.2s. taken from [4] 5 / 28

9 Fakten zu Zapfen Abbildung: Zapfen.[1] Anzahl ca. 6 Million drei Sorten: Blau (λ max = 420nm), Grün (λ max = 534nm) und Rot (λ max = 564nm) unempfindlich: können keine einzelne Photonen detektieren, da Antwort auf einzelnes Lichtquant 100 mal kleiner als bei Stäbchen lichtempfindliche Membran besteht aus einziger gefalteten Fläche sind für phototoptisches Sehen (Tagessehen) zuständig 6 / 28

10 Empfindlich(λ) für Stäbchen und Zapfen Abbildung: Empfindlichkeitsverlauf. taken from [6] 7 / 28

11 Warum liegt das Absorbtionsmaximum bei ca. 500nm? Abbildung: taken from [6]. Die maximale spektrale Bestrahlungstärke der Sonne liegt bei ca. 500nm Evolution. 8 / 28

12 Vergleich Empfindlich(λ) für Stäbchen und Zapfen Abbildung: Empfindlichkeitsverlauf für Stäbchen (blau) und Zapfen (rot). Empfindlichkeit wird beim Umschalten auf Tagessehen rot verschoben. Da sich beide Kurven schneiden, erscheint rotes Licht bereits an der Sehschwelle farbig. taken from [2] 9 / 28

13 Was ist Adaptation? Definition: Adaptation Unter Adaptation des Auges (lat. adaptare anpassen ) versteht man die Anpassungsvorga nge an die vorwiegenden Leuchtdichten im Gesichtsfeld. Abbildung: Photorezeptoren ko nnen einen Intensita tsbereich von ca. 9 Gro ßenordnungen abdecken. Hier z.b. I (Gletscher ) = 109 I (dunkler Wald) 10 / 28

14 Adaptationsmechanismen des menschlichen Auges Pupillenlichtreflex: schnelle Anpassung der einfallenden Lichtmenge. chromatische Adaptation: Weißabgleich durch Anpassung der Photorezeptoren an im Licht vorherrschende Wellenlängenbereiche. Transiente Adaptation: Umgebungen mit hohen Konstrastunterschieden. 11 / 28

15 Einheiten, Hell-Dunkeladaptation und Beispiele Einheiten Candela (cd) ist Einheit der Leuchtstärke I = Strahlungsleistung spektrale Augenempfindlichkeit. Raumwinkel Leuchtdichte L = I Acos(θ) wird in cd/m2 angegeben. Wir wollen hier verstärkt reden über: Helladaptation: L > 3.4 cd/m 2 Dunkeladaptation: L < cd/m 2 Man unterscheidet: skotopisches Sehen (reines Nachtsehen, L < 30mcd/m 2 ) Stäbchen mesopisches Sehen (30mcd/m 2 < L < 30cd/m 2 ) photopisches Sehen (reines Tagsehen, L > 30cd/m 2 ) Zapfen Einige Beispiele: Mittlerer klarer Himmel: 8000cd/m 2 TFT Weiß: cd/m 2 Sternklarer Nachthimmel: 0.001cd/m 2 12 / 28

16 Enzymkaskade der Signaltransduktion Abbildung: Enzymkaskade - Der Verstärkungsfaktor kann wie angedeutet ca betragen. Andererseits haben wir hier die Möglichkeit regulierend zu intervenieren. 13 / 28

17 Ca 2+ ist der Botenstoff der Adaptation Experimentell: Zellen mit Ca 2+ zeigen keine Adaptation. Ca 2+ -Konzentration: nM in dunkeladaptierten Stäbchen, außerhalb der Zelle jedoch 2-3mM. Ca 2+ Ionen tragen 15% des Dunkelstroms. Stabile Ca 2+ -Konzentration wird durch Gleichwicht zwischen Ein-und Ausstrom garantiert. Bei Lichtreiz fällt die Ca 2+ Konzentration stark ab. Drei wichtige Ca 2+ bindende Proteine: Guanylyl-Cyclase-Activating-Protein: GCAP ( GC) Recoverin ( PDE) Calmodulin (CaM) ( Phosducin) 14 / 28

18 Erholungsphase (WH) - Der Ca 2+ cgmp-regelkreis Abbildung: Erholungsphase (Rückkehr in Dunkelzustand): Bei Belichtung sinkt die Ca 2+ Konzentration in der Zelle. Bei keiner weiteren Reizung kehrt Rezeptor durch cgmp Synthese wieder in den Dunkelzustand zurück - er erholt sich. 15 / 28

19 Stäbchen adaptieren via Opsin Phosphorylierung und Versigelung durch Arrestin Bindung Abbildung: Stäbchen Adaptation: (a) dunkel adaptiert. (b) Aktiviertes Opsin O Aktivierung von G αt. (c) Phosphoryliertes Opsin führt zur reduzierten G αt Aktivität. (d) stark reduzierte G αt Aktivität. (e) Keine G αt Aktivität O ist Substrat der Rhodopsin Kinase. Opsin Phosphorylierung t O Fähigkeit von O G αt zu aktivieren 1 Anzahl phosphorylierter Reste 16 / 28

20 Recoverin - Regulation des cgmp-abbaus Abbildung: Recoverin: Ein neuronales Calcium bindendes Protein. 17 / 28

21 Phosducin Phosducin ist das häufigste Phosphoprotein in Sehzellen: Abbildung: Die Rolle von Phosducin bei der Adaptation. Nichtphosphoryliertes Phosducin kann die T γβ Untereinheit des Transducin binden. Dadurch wird das Recycling von Transducin verhindert. 18 / 28

22 CaM kontrolliert den Phosphorylierungzustand des Phosducins Abbildung: CaM greift kontrollierend in den Phosphorylierungszustand des Phosducins ein. 19 / 28

23 negative Rückkopplung an Zyklisch-Nukleotid gesteuerten Kanälen Abbildung: CaM/Ca 2+ inaktiviert den Calciumkanal negative Rückkopplung 20 / 28

24 Übersicht der Auswirkung der Änderung der Ca 2+ Konzentration auf die Zelle Abbildung: Überblick der molekularen Adaptationmechanismen 21 / 28

25 Anwort auf Intensitäten verschiedener Intensität bei Bufo Marinus (1) oben: Antwort von Stäbchen (Bufo Marinus = Aga-Kröte) auf steigende Lichtintensitäten. Blitz 20ms bei λ = 500nm. unten: Maximale Anwortamplitude vs. Intensität. taken from [3]. 22 / 28

26 Anwort auf Intensitäten verschiedener Intensität bei Bufo Marinus (2) Maximale Anwortamplitude vs. Intensität für 13 Zellen. taken from [3]. Fit-Funktion: r r max = i i + i 0 Abbildung: für i = i 0 r/r max = 1/2 (Michaelis Gleichung) 23 / 28

27 Vergleich: Stäbchen und Zapfenantwort Abbildung: taken from [4]. Stäbchen kann Photonenabsorbtion erst nach ca. 300ms weiterleiten oben: Stäbchen, unten: Zapfen. Lichtintensität wurde fortschreitend verdoppelt. Bei Stäbchen erfolgt maximale Antwort wenn 30 Rhodpsin Moleküle aktiviert wurden. Bei Zapfen bei 1200 Pigmentmoleküle. Unterschied zwischen Stäbchen und Zapfen in Ca 2+ Konzentration begründet [5]. 24 / 28

28 Dunkeladaptation in Stäbchen und Zapfen Abbildung: Dunkeladaptation: Rod-Cone-Break bei ca cd/m 2. Nach einer Zeit von ca Minuten kann ist das System vollständig dunkeladaptiert. Die Stäbchen können hier Leuchtdichten von 10 5 cd/m 2 detektieren / 28

29 Vergleich zwischen Haarzelle und Photorezeptor Abbildung: Vergleich zwischen Haarzelle (mechanische Transduktion) und Photorezeptor (chemische Transduktion). taken from [1] 26 / 28

30 Literatur Speckmann Deetjen. Physiologie. Urban & Fisher, 3rd edition, D.A. Baylor et al. The membrane current of single rod outer segments. Journal of Physiology, pages , D.A. Baylor J.L.Schnapf. Physiologie der Sinne, chapter Die Reaktion von Photorezeptoren auf Licht, pages H.P. Zenner & E. Zrenner Spektrum der Wissenschaften, B. Müller, F. und Kaupp. Signaltransduktion in Sehzellen. Naturwissenschaften, 85:49 61, Wikipedia / 28

31 weitere Literatur D. Hubel,Auge und Gehirn Lodish et al, Molekulare Zellbiologie 28 / 28