Rhodopsin – Fotopigment der Stäbchen

Das menschliche Auge ist ein Anpassungskünstler. Nach einer gewissen Adaptationsphase kann es auch noch bei Dämmerlicht sehen. Dafür sind spezialisierte Lichtsinneszellen in der Netzhaut verantwortlich – und das in ihnen enthaltene Fotopigment Rhodopsin. Im Folgenden erfahren Sie, was genau Rhodopsin ist, wie es wirkt und welche Grenzen es hat.

Inhaltsverzeichnis

Rhodopsin und Fototransduktion

Setzt die Dämmerung ein, verwandelt sich das satte Grün der Bäume in ein fades Grau. Das Rhodopsin im Auge ist der Grund dafür, dass es überhaupt möglich ist, sich in der Dunkelheit zu orientieren. Es befindet sich in der Netzhaut (Retina), genauer gesagt: in dort ansässigen Lichtsinneszellen. Diese werden als Stäbchen bezeichnet und sind gemeinsam mit den ebenfalls in der Retina befindlichen Zapfen an der sogenannten Fototransduktion beteiligt. Im Rahmen dieses Prozesses wandeln beide Zellarten Lichtenergie in elektrische Signale um und übersetzen so visuelle Reize in Nervenimpulse. Stäbchen und Zapfen übernehmen jedoch unterschiedliche Aufgabenbereiche:

Zapfen: Diese Zellen sind für das Farbsehen verantwortlich und benötigen viele starke Lichtimpulse. Sie sind zuständig für das Tagsehen (photopisches Sehen).
Stäbchen: Diese Zellen ermöglichen bei schwachen Lichtimpulsen das Sehen in Graustufen. Sie sind zuständig für das Nachtsehen (skotopisches Sehen).

Das hochsensible Rhodopsin ist der Grund dafür, dass die Stäbchen geringere Lichtmengen benötigen, um mit der Fototransduktion zu beginnen. Die Vorsilbe rhod- geht auf das griechische Wort rhodon zurück. Es bedeutet „Rose“ und bezieht sich auf die pink-violette Färbung der Stäbchen. Deshalb wird Rhodopsin auch als „Sehpurpur“ bezeichnet.

Lage und Struktur des Rhodopsin-Moleküls im Auge

Während die Zapfen ausschließlich in der Mitte der Retina an der Stelle des schärfsten Sehens liegen (Fovea centralis, auch „Sehgrube“ genannt), befinden sich die zylinderförmigen Stäbchen in ihrem Randbereich. Innerhalb der Stäbchen ist das Rhodopsin in den sogenannten Disks untergebracht, scheibenförmigen Membranen im Außensegment der Lichtsinneszellen. Ein einziges Stäbchen enthält bis zu zehn Millionen Rhodopsin-Moleküle, ein Vielfaches des Fotopigment-Gehalts der Zapfen. Durch die hohe Anzahl an Sehpigmenten sind die Stäbchen bis zu tausendmal lichtempfindlicher als die Zapfen. Allerdings sind alle Stäbchen gleichermaßen empfindlich – daher können sie im Gegensatz zu den Zapfen nur Hell-Dunkel-Unterschiede registrieren.

Das Rhodopsin-Molekül selbst besteht aus zwei Teilen: Retinal und Opsin. Die Vitamin-A-Verbindung Retinal stellt den lichtempfindlichen Teil des Moleküls dar. Opsin gehört zu einer Gruppe von Proteinen, die Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren.

Die Funktionskaskade des Rhodopsins

Das Retinal des Rhodopsins reagiert bereits auf die kleinste Lichteinheit (Photon) und nimmt daraufhin eine andere Form an. Durch diese Konformationsänderung trennen sich die beiden Teile des Rhodopsin-Moleküls, das Opsin wird aktiviert. Mit dem Zerfall eines Moleküls setzt sich in der Zelle eine biochemische Kettenreaktion in Gang. Die Lichtsinneszelle drosselt in Folge dessen die Freisetzung des Botenstoffes Glutamat. Zellen, die der Retina nachgeschaltet sind, wandeln das Signal in Nervenimpulse um, die an den Sehnerv weitergeleitet werden.

Verbrauchtes Rhodopsin wird kontinuierlich wieder zusammengesetzt. Dies geschieht jedoch nur in der Menge, die bei der aktuellen Lichtintensität benötigt wird. Bei einsetzender Helligkeit enthalten die Stäbchen also viel zerfallenes Rhodopsin. Wird es schnell dunkel, muss das Rhodopsin zunächst regeneriert werden. Das macht sich dadurch bemerkbar, dass sich die Augen erst langsam an die Dunkelheit gewöhnen. Bis eine für gutes Nachtsehen ausreichende Menge des Sehpigments regeneriert ist, dauert es etwa 20 bis 25 Minuten.

Skotopisches Sehen

Im Unterschied zum photopischen Sehen bei Tag werden bei Nacht keine Farben erkannt, nur Graustufen – deshalb sind nachts nicht nur sprichwörtlich, sondern auch wortwörtlich alle Katzen grau. Das liegt daran, dass das Opsin im Rhodopsin der Stäbchen nur auf Licht mit einer maximalen Wellenlänge reagiert. Zudem ist die Sicht oft etwas körnig oder verschwommen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die Stäbchen größtenteils im Randbereich der Retina befinden. Das ermöglicht es dem Auge zwar, auf geringe Lichtquellen zu reagieren, resultiert aber in einer geringeren Bildschärfe.

Mögliche Erkrankungen: Medizinische Bedeutung von Rhodopsin

Das Retinal im Rhodopsin-Molekül ist eine dem Vitamin A verwandte Verbindung. Fehlt es an Vitamin A, wird die Regeneration von Rhodopsin beeinträchtigt. Mögliche Folgen eines solchen Mangels sind:

Nachtblindheit
Trockene Augen (Xerophthalmie)
Hornhautentzündung (Keratitis)

Bei Kindern sind die möglichen Folgen eines Vitamin-A-Mangels schwerwiegender als bei Erwachsenen. Ein längerer Mangel kann bei ihnen sogar zu einer Erblindung führen.

Quellen

Andreas Berke: Biologie des Auges. Mainz: WVAO, 1999 (2. Auflage).

Das könnte dich auch interessieren

Schlupflider

Der Begriff Schlupflid bezeichnet eine Lidform, bei der der bewegliche Teil des Oberlids bei geöffnetem Auge von der darüberliegenden Haut verdeckt wird. In den allermeisten Fällen sind Schlupflider ein rein kosmetisches Problem. Verdeckt die Haut unter den Augenbrauen den beweglichen Teil des Augenlids, wirkt der Blick schnell müde, traurig oder schlecht gelaunt. Informieren Sie sich hier über das Thema Schlupflid und erfahren Sie, wie Sie mit dieser Augenform umgehen.

Iris

Die Iris macht uns unverwechselbar: Sie bestimmt unsere Augenfarbe und ist bei jedem Menschen so einzigartig wie der Fingerabdruck. Hier lesen Sie alles Wichtige über Aufbau, Funktion und Erkrankungen der Regenbogenhaut.

Fovea centralis

Sie ist nicht mal 2 Millimeter groß, doch ohne sie wäre es unmöglich, Gegenstände scharf und farbig zu sehen: die Sehgrube (Fovea centralis). Der kleine Bereich in der Netzhaut vollbringt große Leistung. Wie die Fovea centralis aufgebaut ist, funktioniert und welche Folgen eine Fehlfunktion hat, erfahren Sie im Folgenden.

Bindehaut

Wenn die Hornhaut die Windschutzscheibe des Auges ist, kann die Bindehaut als Scheibenwischer bezeichnet werden. Sie verteilt die Tränenflüssigkeit auf dem Auge und schützt es so vor dem Austrocknen, aber auch vor Bakterien und Fremdkörpern.

Retina

Die Netzhaut (Retina) ist ein komplexes Gebilde aus verschiedenen Zellen und Schichten, doch im Grunde lässt sich ganz einfach erklären, was die Aufgabe der Netzhaut ist: Sie verarbeitet als sensorischer Teil des Auges Licht- und Farbreize und leitet sie an den Sehnerv weiter. Sie fungiert sozusagen als Übersetzer von Signalen. Lesen Sie hier mehr über Funktion und Aufbau der Netzhaut.

Sehnerv

Der Sehnerv ist die Verbindung zwischen Auge und Gehirn: Er sorgt dafür, dass die auf die Netzhaut treffenden Reize weitergeleitet werden und im Gehirn verarbeitet werden können. Lesen Sie hier interessante Fakten zum Nervus opticus, gängigen Erkrankungen und Therapiemöglichkeiten.

Visuelles System

Das visuelle System ist der Teil des zentralen Nervensystems, der die optische Wahrnehmung ermöglicht. Denn das wir sehen können, ist nicht allein nur Verdienst unserer Augen. Erst durch die Weiterleitung von Reizen durch Nervenbahnen und die Informationsverarbeitung im Gehirn erkennen wir, wie unsere Umwelt aussieht.

Uvea

Die Uvea gehört zu den drei Schichten des menschlichen Augapfels. Ihre Bestandteile regulieren den Lichteinfall und den Innendruck des Auges und sorgen dafür, dass wir scharf sehen. Erfahren Sie, wie die mittlere Augenhaut funktioniert, woraus sie besteht und welche möglichen Erkrankungen es gibt.

Brennpunkt

Brillen- und Kontaktlinsenträger interessieren sich zu Recht für die Frage, welche optischen Vorgänge sich im Auge abspielen und was der Brennpunkt damit zu tun hat. Was genau korrigiert eine Brille oder Kontaktlinse, wenn eine Fehlsichtigkeit vorliegt?