Phototransduktion Flashcards
Aufbau der Retina
- Äußere Segmente der Stäbchen und Zapfen
- Zapfen/Stäbchen
- Horizontalzellen (Kontrast), Bipolarzellen, Amakrinzellen
- zum Gehirn projizierende Ganglionzellen
- Sehnerv
Warum können Babies nicht so gut sehen? Sie reagieren nur auf visuelle Reize aus nächster Nähe und mit hohem Kontrast
- viel weniger Zapfenzellen (haben dafür größeren Durchmesser)
- auch aüßere Segmente und axonale Fortsätze entstehen erst noch
Wo ist der Blinde Fleck und wie kommt er zustande?
Stelle, wo der Sehnerv liegt
Umwandlung eines Lichtsignals (Photon)
-wird von einem Rhodopsin-Molekül absorbiert und letztendlich in elektrisches Signal umgebandelt (wird von Photorezeptorzelle gebildet) und über Interneurone an Gehirn weitergeleitet
wie fein können Photorezeptoren Licht wahrnehmen?
können einzelne Photonen wahrnehmen
Können Photorezeptoren adaptieren?
ja - bei andauernde Lichtreizung wird die Verstärkung der Signale reduziert
Elektroretinogramm (ERG)
Analyse der Photorezeptorströme im Auge nach Lichtreizung (Rezeptorzellen depolarisieren auf Lichtreize, wodurch Aktionspotenziale ausgelöst werden können) - misst synchrone Antwort vieler Rezeptorzellen (depolarisieren gemeinsam)
-wird extrazellulär mit einer Elektrode direkt unter der Augenoberfläche gemessen
Was ist der entscheidende Schritt bei der Rhodopsin-Phototransduktion?
Rhodopsin wird zu Opsin und Retinal umgewandelt durch Lichtisomerisierung
Signalweg vom Rhodopsin aus (Fliegen und viele Invertebraten)
ein 7-TM-Rezeptor (ninaE) (aktiviert ein G-Protein) -> Phospholipase C (norpA), generiert second messenger Kaskade IP3 und DAG aus PIP2
-> Na und Ca strömen in Photorezeptorzelle - Depolarisation - Aktionspotenzial
Welcher Teil der Signalkaskade des Signalwegs vom Rhodopsin bei Fliegen etc. ist essentiell und was macht er?
Phospholipase C, generiert IP3 (inositol triphosphat)und DAG (diacylgylerol) aus PIP2 (phosphatidylinositol biphosphat)
Was ist noch unklar bei der Signalkaskade des Signalwegs vom Rhodopsin bei Fliegen etc.?
wie die TRP-Kanäle (die Calcium von außen einströmen lassen) geöffnet werden
Wieso kann IP3 nicht der Grund für die Öffnung des TRP-Kanals sein?
IP3-Rezeptor-Mutanten haben keinen Effekt auf die Phototransduktion
Wieso kann DAG -> PKC nicht der Grund für die Öffnung des TRP-Kanals sein?
aktiviert PKC - PKC-Mutanten betreffen nur die Adaptation und Inaktivierung der Kaskade, nicht aber die Anregung durch Licht (bei Mutanten (rdgA -retinal degradation) sind die TRP-Kanäle konstitutiv geöffnet)
Was ist die neueste Hypothese bei den TRP-Kanälen?
dass sie durch mechanische Kräfte (Membrankontraktion) und Protonen (Azidifizierung) geöffent werden
Adaptation (Phototransduktion)
Anpassung des Auges an sich ändernde Lichtintensitäten (Reduzierung der firing Frequenz eines Neurons (insbes. Rezeptorneurons), unter Bedingungen konstanter Stimulierung
Licht-induzierte Translokation in den Rhabdomeren
Trpl und Gqalpha lokalisieren in Rhabdomeren dunkel-adaptierter Fliegen, aber nach 1h Lichtexposition translozieren sie in den Zellkörper, Myosin III Protein (ninaC-Gen) ist dafür essentiell
Wie hat man die Licht-induzierte Translokation in den Rhabdomeren erforscht?
man hat die TRP und TRPL-Kanäle mit GFP markiert und konnte dann die Lokalisation bei Licht- und dunkel-Adaptation beobachten - TRPL aber nicht TRP translozieren in den Zellkörper
SIgnalplex
Proteine bilden mithilfe des INAD-Proteins ein Cluster (schnellste bekannte G-Protein-Signalkaskade überhaupt) - ermöglicht Lichtregulierte Lokalisation
Warum muss die Phototransduktionskaskade wieder inaktiviert werden?
- um die maximale zeitliche Auflösung der Antwort auf Lichtreize zu gewährleisten
- konstitutive Aktivierung führt zu Degeneration der Photorezeptoren
Wie wird meta-Rhodopsin inaktiviert?
durch Bindung an Arrestin (wird entgegengesetzt zu TRPL transportiert (zum Licht, weg vom Zellkörper)
Wie erhört die Phospholipase C die endogene GTPase-Aktivität von Gq alpha?
PLC deaktiviert Gqalpha und dadurch sich selbst: aktiviertes G-Protein bleibt aktiv, bis es sein Target (hier PLC) gefunden und aktiviert hat
Wie hat man gezeigt, dass Calcium aktiv aus der Zelle transportiert wird durch den Na/Ca-Transporter CalX (Inaktivierung der Signaltransduktionskaskade)?
- durch reduzierte TRP-Funktion induzierte Retinale Degeneration kann durch gleichzeitige Reduktion der CalX-Funktion gerettet werden
- durch konstitutive trp-Funktion induzierte Retinale Degeneration kann durch Überexpression von CalX gerettet werden
Welcher Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums kann von unseren Photorezeptoren detektiert werden?
kleiner Ausschnitt (380-740 nm, lila/blau bis rot)
Zapfen (cones)
Farbsehen und helles Licht
Stäbchen (rods)
Schwarz/weiß und Dämmerungslicht
wieviele Zapfen und Stäbchen hat die menschliche Retina?
-6 Mio Zapfen und 125 Mio Stäbchen
Wie genau nimmt eine menschliche Stäbchenzelle Licht war?
kann ein einzelnes Photon wahrnehmen und Gehirn benötigt weniger als 10 Antworten einer Zelle, um sie als Lichtblitz einzuordnen
Was ist im Außensegment von Photorezeptorzellen?
Disks mit Rhodopsin (freischwimmend im cytoplasmatischen Raum)
Was ist im Innensegment von Photorezeptorzellen?
Mitochondrien, Zellkern, ER, Golgi
Was ist am Ende der Photorezeptorzellen?
synaptischer Körper mit synaptischer Endigung
bei Säugern kann man nicht so einfach genetische Experimente machen - wie wurde die Phototransduktionskaskade in Vertebraten entschlüsselt?
biochemisch, z.B. Isolierung von Rinderopsin (7TM-Rezeptor-Familie)
Rhodopsin-Photorezeption (Vertebraten)
11-cis-Retinal wird mit Licht zu all-trans-Retinal umgewandelt (Lichtenergie eines Photons wird in atomare Bewegung umgesetzt)
Wie wird das all-trans-Retinal enzymatisch reisomerisiert?
enzymatischer Prozess im retinalen Pigmentepithelium
Was passiert durch die Konformationsänderung des Rhodopsins (Vertebraten)?
es entsteht aktives Meta-Rhodopsin*, das dem Liganden-gebundenen Zustand anderer 7-TM-Rezeptoren entspricht
Welches G-Protein wird von Meta-Rhodopsin* aktiviert (Vertebraten)?
Transducin
Was macht Transducin (G-Protein) (anders als bei Fliegen)?
es aktiviert eine cGMP Phosphodiesterase (cGMP zu GMP) und nicht PLC
Wozu führt die Umwandlung von cGMP zu GMP?
zur Schließung von cGMP-abhängigen Ionenkanälen und dadurch zur Hyperpolarisation der Photorezeptormembran (fundamentaler Unterschied zur den depolarisierenden Photorezeptoren der Invertebraten)
Wie ist der Ionenfluss bei Dunkelheit (Vertebraten)?
cAMP-gesteuerte Kanäle sind offen (Na-Einstrom Außensegment) und K-selektiver Ausstrom Innensegment, Na strömt über Verbindungsstelle in Innensegment), Na/K-ATPase (Innensegment) pumpt aktiv Na raus und K rein
Wie ist der Ionenfluss bei Helligkeit (Invertebraten)?
Na-Kanäle werden bei niedriger cGMP-Konzentration geschlossen, es kann kein Na einströmen, aber K ausströmen -> Hyperpolarisierung
Wie führt die Hyperpolarisierung der Photorezeptorzelle zur Weiterleitung des elektrischen SIgnals an das Gehirn?
bestimmte Bipolare Zellen werden inaktiviert, wenn weniger inhibierendes Glutamat von Stäbchen und Zapfen ausgeschüttet wird (wenn sie hyperpolarisiert sind)
Wie können Kontraste wahrgenommen werden?
- mGlu6 ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor, der nach Bindung von Glutamat das Neuron hyperpolarisiert (depolarisiert in Licht, da wenig Glu ausgeschüttet wird) - depolarisiert on-center-Ganglionzelle
- AMPA und Kainate sind ionotropische Rezeptoren, die nach Bindung von Glutamat das Neuron depolarisieren (depolarisiert in Dunkelheit, da viel Glu ausgeschüttet wird) -> depolarisiert off-center-Ganglionzelle
Signalverstärkung bei der Phototransduktion der Vertebraten
- ein Rhodopsin-Molekül aktiviert bis zu 800 G-Proteine, eine Phosphodiesterase katalysiert die Hydrolyse von bis zu 6 cGMP-Molekülen
- > ein Rhodopsin-Molekül führt zur Schließung von ca. 200 Ionenkanälen (Potentialänderung von 1 mV)
Rhodopsin-Phosphorylierung und Arrestin (Inaktivierung und Adaptation in Vertebraten)
-jedes Opsin-Molekül hat 3 Serin-Phosphorylierungsstellen, je höher die Phosphorylerungsstufe, desto geringer die G-Protein-Aktivierung (bei stärkerem Licht), wenn alle 3 Serine phosphoryliert sind, bindet Arrestin an Opsin, sodass Opsin nicht mehr an G-Protein binden kann
Translokation von Phototransduktionsmolekülen (Inaktivierung und Adaptation in Vertebraten)
- Retinas dunkeladaptierter Ratten vor und nach kurzer Lichtexposition gefärbt mit anti G-alpha und G-beta-Antikörpern
- nur im outer segment kann das G-Protein mit Rhodopsin interagieren
- wie bei Fliege transloziert Arrestin in die entgegengesetzte Richtung
Wie können Zapfen Farben unterscheiden?
exprimieren 3 Farbopsine (blau, grün und rot) - teilweise nur wenige AS Unterschied verantwortlich
Wie entsteht Farbblindheit?
Gene für rote und grüne Opsine liegen benachbart auf X-Chromosom, homologe Rekombination zwischen den 2 Genen
Circadiane Rhythmen in Menschen
innere Uhr etwas langsamere Periode als normaler Tag
Experimente zur circadianen Rhythmik
- Schlaf-Wach-Rhythmus eines französischen Höhlenforschers
- Bunker-Experimente mit Studenten
- > Organismen besitzen eine innere Uhr, die mit der Umwelt synchronisiert werden kann
Wie fand man heraus, dass circadiane Photorezeptoren von Säugern innerhalb der Augen lokalisiert sein müssen?
Maus: intakte Synchronisation nach Trennung des optischen Trakts, keine Synchronisation nach Trennung des Retinohypothalamischen Trakts
Wie hat man herausgefunden, dass andere Photorezeptoren im Auge als Zapfen/Stächen für die Synchonisation der inneren Uhr verantwortlich sind?
-bei Mutationen bei Zapfen/Stäbchen war trotzdem ein Phase-Shift des Schlaf-Wach-Rhythmus nach Lichtexposition zu beobachten
circadianes Photopigment
Melanopsin: Retinale Ganglionzellen sind intrinsich photosensitiv (unabhängig von Stäbchen und Zapfen) - spektrale Photosensitivität passte auf das Opsin
Welcher Phototransduktion gleicht die Melaopsin Phototransduktion?
der von Invertebraten Rhodopsinen (Melaopsin ist enger verwandt mit Rhodopsinen der Invertebraten als mit visuellen Opsinen der Vertebraten)
Eigenschaften von Melanopsin und Retinalen Ganglienzellen
- 11-cis-Retinal photoreisomerisiert (wie bei Fliegen)
- RGC depolarisieren nach Lichtreizung (wie bei Fliegen)
- Melanopsin wird gleichmäßig verteilt in der RGC verteilt exprimiert
- Ablation der Melanopsin RGCs führt zu totalem Verlust der Synchronisation (die zur Synchronisation beitragenden Stäbchen und Zapfen sind mit diesen RGCs verschaltet)
