Phototransduktion

Question 1

Aufbau der Retina

Answer 1

• Äußere Segmente der Stäbchen und Zapfen
• Zapfen/Stäbchen
• Horizontalzellen (Kontrast), Bipolarzellen, Amakrinzellen
• zum Gehirn projizierende Ganglionzellen
• Sehnerv

Question 2

Warum können Babies nicht so gut sehen? Sie reagieren nur auf visuelle Reize aus nächster Nähe und mit hohem Kontrast

Answer 2

• viel weniger Zapfenzellen (haben dafür größeren Durchmesser)
• auch aüßere Segmente und axonale Fortsätze entstehen erst noch

Question 3

Wo ist der Blinde Fleck und wie kommt er zustande?

Answer 3

Stelle, wo der Sehnerv liegt

Question 4

Umwandlung eines Lichtsignals (Photon)

Answer 4

-wird von einem Rhodopsin-Molekül absorbiert und letztendlich in elektrisches Signal umgebandelt (wird von Photorezeptorzelle gebildet) und über Interneurone an Gehirn weitergeleitet

Question 5

wie fein können Photorezeptoren Licht wahrnehmen?

Answer 5

können einzelne Photonen wahrnehmen

Question 6

Können Photorezeptoren adaptieren?

Answer 6

ja - bei andauernde Lichtreizung wird die Verstärkung der Signale reduziert

Question 7

Elektroretinogramm (ERG)

Answer 7

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

Question 8

Was ist der entscheidende Schritt bei der Rhodopsin-Phototransduktion?

Answer 8

Rhodopsin wird zu Opsin und Retinal umgewandelt durch Lichtisomerisierung

Question 9

Signalweg vom Rhodopsin aus (Fliegen und viele Invertebraten)

Answer 9

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

Question 10

Welcher Teil der Signalkaskade des Signalwegs vom Rhodopsin bei Fliegen etc. ist essentiell und was macht er?

Answer 10

Phospholipase C, generiert IP3 (inositol triphosphat)und DAG (diacylgylerol) aus PIP2 (phosphatidylinositol biphosphat)

Question 11

Was ist noch unklar bei der Signalkaskade des Signalwegs vom Rhodopsin bei Fliegen etc.?

Answer 11

wie die TRP-Kanäle (die Calcium von außen einströmen lassen) geöffnet werden

Question 12

Wieso kann IP3 nicht der Grund für die Öffnung des TRP-Kanals sein?

Answer 12

IP3-Rezeptor-Mutanten haben keinen Effekt auf die Phototransduktion

Question 13

Wieso kann DAG -> PKC nicht der Grund für die Öffnung des TRP-Kanals sein?

Answer 13

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)

Question 14

Was ist die neueste Hypothese bei den TRP-Kanälen?

Answer 14

dass sie durch mechanische Kräfte (Membrankontraktion) und Protonen (Azidifizierung) geöffent werden

Question 15

Adaptation (Phototransduktion)

Answer 15

Anpassung des Auges an sich ändernde Lichtintensitäten (Reduzierung der firing Frequenz eines Neurons (insbes. Rezeptorneurons), unter Bedingungen konstanter Stimulierung

Question 16

Licht-induzierte Translokation in den Rhabdomeren

Answer 16

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

Question 17

Wie hat man die Licht-induzierte Translokation in den Rhabdomeren erforscht?

Answer 17

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

Question 18

SIgnalplex

Answer 18

Proteine bilden mithilfe des INAD-Proteins ein Cluster (schnellste bekannte G-Protein-Signalkaskade überhaupt) - ermöglicht Lichtregulierte Lokalisation

Question 19

Warum muss die Phototransduktionskaskade wieder inaktiviert werden?

Answer 19

• um die maximale zeitliche Auflösung der Antwort auf Lichtreize zu gewährleisten
• konstitutive Aktivierung führt zu Degeneration der Photorezeptoren

Question 20

Wie wird meta-Rhodopsin inaktiviert?

Answer 20

durch Bindung an Arrestin (wird entgegengesetzt zu TRPL transportiert (zum Licht, weg vom Zellkörper)

Question 21

Wie erhört die Phospholipase C die endogene GTPase-Aktivität von Gq alpha?

Answer 21

PLC deaktiviert Gqalpha und dadurch sich selbst: aktiviertes G-Protein bleibt aktiv, bis es sein Target (hier PLC) gefunden und aktiviert hat

Question 22

Wie hat man gezeigt, dass Calcium aktiv aus der Zelle transportiert wird durch den Na/Ca-Transporter CalX (Inaktivierung der Signaltransduktionskaskade)?

Answer 22

• 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

Question 23

Welcher Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums kann von unseren Photorezeptoren detektiert werden?

Answer 23

kleiner Ausschnitt (380-740 nm, lila/blau bis rot)

Question 24

Zapfen (cones)

Answer 24

Farbsehen und helles Licht

Question 25

Stäbchen (rods)

Answer 25

Schwarz/weiß und Dämmerungslicht

Question 26

wieviele Zapfen und Stäbchen hat die menschliche Retina?

Answer 26

-6 Mio Zapfen und 125 Mio Stäbchen

Question 27

Wie genau nimmt eine menschliche Stäbchenzelle Licht war?

Answer 27

kann ein einzelnes Photon wahrnehmen und Gehirn benötigt weniger als 10 Antworten einer Zelle, um sie als Lichtblitz einzuordnen

Question 28

Was ist im Außensegment von Photorezeptorzellen?

Answer 28

Disks mit Rhodopsin (freischwimmend im cytoplasmatischen Raum)

Question 29

Was ist im Innensegment von Photorezeptorzellen?

Answer 29

Mitochondrien, Zellkern, ER, Golgi

Question 30

Was ist am Ende der Photorezeptorzellen?

Answer 30

synaptischer Körper mit synaptischer Endigung

Question 31

bei Säugern kann man nicht so einfach genetische Experimente machen - wie wurde die Phototransduktionskaskade in Vertebraten entschlüsselt?

Answer 31

biochemisch, z.B. Isolierung von Rinderopsin (7TM-Rezeptor-Familie)

Question 32

Rhodopsin-Photorezeption (Vertebraten)

Answer 32

11-cis-Retinal wird mit Licht zu all-trans-Retinal umgewandelt (Lichtenergie eines Photons wird in atomare Bewegung umgesetzt)

Question 33

Wie wird das all-trans-Retinal enzymatisch reisomerisiert?

Answer 33

enzymatischer Prozess im retinalen Pigmentepithelium

Question 34

Was passiert durch die Konformationsänderung des Rhodopsins (Vertebraten)?

Answer 34

es entsteht aktives Meta-Rhodopsin*, das dem Liganden-gebundenen Zustand anderer 7-TM-Rezeptoren entspricht

Question 35

Welches G-Protein wird von Meta-Rhodopsin* aktiviert (Vertebraten)?

Answer 35

Transducin

Question 36

Was macht Transducin (G-Protein) (anders als bei Fliegen)?

Answer 36

es aktiviert eine cGMP Phosphodiesterase (cGMP zu GMP) und nicht PLC

Question 37

Wozu führt die Umwandlung von cGMP zu GMP?

Answer 37

zur Schließung von cGMP-abhängigen Ionenkanälen und dadurch zur Hyperpolarisation der Photorezeptormembran (fundamentaler Unterschied zur den depolarisierenden Photorezeptoren der Invertebraten)

Question 38

Wie ist der Ionenfluss bei Dunkelheit (Vertebraten)?

Answer 38

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

Question 39

Wie ist der Ionenfluss bei Helligkeit (Invertebraten)?

Answer 39

Na-Kanäle werden bei niedriger cGMP-Konzentration geschlossen, es kann kein Na einströmen, aber K ausströmen -> Hyperpolarisierung

Question 40

Wie führt die Hyperpolarisierung der Photorezeptorzelle zur Weiterleitung des elektrischen SIgnals an das Gehirn?

Answer 40

bestimmte Bipolare Zellen werden inaktiviert, wenn weniger inhibierendes Glutamat von Stäbchen und Zapfen ausgeschüttet wird (wenn sie hyperpolarisiert sind)

Question 41

Wie können Kontraste wahrgenommen werden?

Answer 41

• 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

Question 42

Signalverstärkung bei der Phototransduktion der Vertebraten

Answer 42

• 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)

Question 43

Rhodopsin-Phosphorylierung und Arrestin (Inaktivierung und Adaptation in Vertebraten)

Answer 43

-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

Question 44

Translokation von Phototransduktionsmolekülen (Inaktivierung und Adaptation in Vertebraten)

Answer 44

• 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

Question 45

Wie können Zapfen Farben unterscheiden?

Answer 45

exprimieren 3 Farbopsine (blau, grün und rot) - teilweise nur wenige AS Unterschied verantwortlich

Question 46

Wie entsteht Farbblindheit?

Answer 46

Gene für rote und grüne Opsine liegen benachbart auf X-Chromosom, homologe Rekombination zwischen den 2 Genen

Question 47

Circadiane Rhythmen in Menschen

Answer 47

innere Uhr etwas langsamere Periode als normaler Tag

Question 48

Experimente zur circadianen Rhythmik

Answer 48

• Schlaf-Wach-Rhythmus eines französischen Höhlenforschers
• Bunker-Experimente mit Studenten
• > Organismen besitzen eine innere Uhr, die mit der Umwelt synchronisiert werden kann

Question 49

Wie fand man heraus, dass circadiane Photorezeptoren von Säugern innerhalb der Augen lokalisiert sein müssen?

Answer 49

Maus: intakte Synchronisation nach Trennung des optischen Trakts, keine Synchronisation nach Trennung des Retinohypothalamischen Trakts

Question 50

Wie hat man herausgefunden, dass andere Photorezeptoren im Auge als Zapfen/Stächen für die Synchonisation der inneren Uhr verantwortlich sind?

Answer 50

-bei Mutationen bei Zapfen/Stäbchen war trotzdem ein Phase-Shift des Schlaf-Wach-Rhythmus nach Lichtexposition zu beobachten

Question 51

circadianes Photopigment

Answer 51

Melanopsin: Retinale Ganglionzellen sind intrinsich photosensitiv (unabhängig von Stäbchen und Zapfen) - spektrale Photosensitivität passte auf das Opsin

Question 52

Welcher Phototransduktion gleicht die Melaopsin Phototransduktion?

Answer 52

der von Invertebraten Rhodopsinen (Melaopsin ist enger verwandt mit Rhodopsinen der Invertebraten als mit visuellen Opsinen der Vertebraten)

Question 53

Eigenschaften von Melanopsin und Retinalen Ganglienzellen

Answer 53

• 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)