Visuelle Signaltransduktion

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Die visuelle Signaltransduktionskaskade bezeichnet die Umwandlung eines äußeren Lichtreizes in ein physiologisches Signal im Organismus. Diese findet in den Photorezeptorzellen in der Netzhaut des Auges statt. Das hier geschilderte Prinzip bezieht sich auf Wirbeltiere, findet aber in ähnlicher Form auch bei den meisten anderen Tieren statt.

Beteiligt sind hauptsächlich mehrere Proteine im Außensegment der Photorezeptorzellen: Rhodopsin, Transducin, eine cGMP-Phosphodiesterase sowie Na⁺/Ca²⁺-Kanäle in der Photorezeptorzelle.

Das in das Auge einfallende Licht trifft auf das Rhodopsin, welches in den Diskmembranen in hoher Konzentration (ca. 30 000 Moleküle/µm²) enthalten ist. Durch Bindung des belichteten Rhodopsin an den Transmitter Transducin wird das Signal zum Effektor, der cGMP-Phosphodiesterase (PDE), weitergeleitet. Die aktivierte PDE spaltet cGMP zu 5’GMP. Das Absinken der cGMP-Konzentration in der Zelle führt zum Verschluss der cGMP-regulierten Kationenkanäle in der Plasmamembran und somit zu einer Hyperpolarisation an der Membran.

Im Dunkeln erfolgt eine fortwährende Ausschüttung des Neurotransmitters Glutamat in den Photorezeptoren. Dieser wirkt in der Regel inhibierend auf die Postsynapsen von Horizontal- und Bipolarzellen. Durch die Schließung der Kationenkanäle in der Zellmembran, ausgelöst durch die Signaltransduktionskaskade und der folgenden Hyperpolarisation wird der Neurotransmitter nicht weiter ausgeschüttet. In der Folge werden die Ionenkanäle der Horizontal- und Bipolarzellen geöffnet und so der Impuls an diese übertragen. Dies ist das eigentliche elektrische Signal, welches in der Netzhaut moduliert und schließlich weiter geleitet wird in die visuellen Zentren im Gehirn.

Es findet auch eine rückgekoppelter Regelkreislauf über den Ca²⁺-Spiegel in der Zelle statt, welche auch an der Regeneration und der Adaptation dieser Prozesse beteiligt ist. Sind die Ionenkanäle geschlossen, strömt kein Ca²⁺ mehr in die Zelle und der ständig aktive Ca²⁺-Austauscher befördert Ca²⁺ aus der Zelle heraus, so dass die Ca²⁺-Konzentration sinkt. Dies bewirkt eine Steigerung der Aktivität des Guanylylzyklase-aktivierenden-Enzyms (GCAP), welche von Ca²⁺-Ionen inhibiert wird. GCAP aktiviert nun eine cGMP-synthetisierenden Guanylylzyklase und der niedrige cGMP-Spiegel wird wieder auf altes Niveau gebracht. Na⁺-Ca²⁺-Kanäle öffnen sich wieder durch das cGMP und der Ca²⁺-Spiegel steigt wieder, wodurch die Aktivität von GCAP und gleichzeitig auch die Guanylylzyklase wieder nachlässt usw. Es entsteht also ein cGMP-Gleichgewicht aus dem Abbau durch die cGMP-PDE und die Synthese von cGMP durch die Guanylylzyklase.

Der entstehende Impuls kann hierdurch auch über den Ca²⁺-Spiegel reguliert werden und trägt so zur Adaptation an Lichtverhältnisse bei (z.B. durch pH-abhängige Ca²⁺-Kanäle). Ist der Lichtreiz jedoch vorbei, stoppt die Aktivität der PDE relativ schnell durch die Regeneration von Transducin. Die Guanylylzyklase synthetisiert nun cGMP, so dass dessen Konzentration wieder auf das normale Maß steigt und die Na⁺-Ca²⁺-Kanäle wieder geöffnet werden und der Dunkelstrom wieder fließt. Auch der Ca²⁺-Spiegel steigt wieder und stoppt so indirekt die Guanylylzyklase. Das System ist bereit für den nächsten Lichtimpuls.