Wie funktioniert das Auge und was passiert bei BCM?

Die Netzhaut ist der Teil des menschlichen Auges, der lichtempfindlich ist.

Durch eine Schicht von Fotorezeptoren ist sie in der Lage, das absorbierte Licht in Signale für das Gehirn umzuwandeln.
Es gibt zwei Arten von Fotorezeptoren: Stäbchen und Zapfen.

Die Stäbchen sind für das periphere Sehen verantwortlich und befinden sich außerhalb des zentralen Bereiches der Netzhaut. Sie sind in großer Zahl vorhanden (ca. 120 Millionen) und dienen zum Sehen in der Dämmerung und Dunkelheit, da sie auch gegenüber schwachem Licht sehr empfindlich sind. Sie werden hingegen vollkommen blind bei hohen Leuchtintensitäten und sind daher unbedeutend für das Sehen am Tage sowie für die Sehschärfe. Da sie nicht in der Lage sind, Farben zu unterscheiden, erzeugen sie eine achromatische (farblose) Sicht.

Die in einer Anzahl zwischen 6 und 7 Millionen vorkommenden Zapfen sind für die Sehschärfe (das Auflösungsvermögen und die Wahrnehmung von Details eines Objekts) sowie die Farbunterscheidung zuständig. Sie sind in einem kleinen, zentralen, Fleck der Netzhaut, „fovea centralis“ genannt; in diesem Bereich mit einem Durchmesser von 0,3 mm befinden sich keine Stäbchen.

Es gibt drei Arten von Zapfen:

• Rote Zapfen, die 64% der Gesamtzahl ausmachen, auch bekannt als L-Zapfen (maximal empfindlich für langwelliges Licht).
• Grüne Zapfen, die 32% der Gesamtzahl ausmachen, auch bekannt als M-Zapfen (maximal empfindlich für mittelwelliges Licht).
• Blaue Zapfen, die 2 – 7% der Gesamtzahl ausmachen, auch bekannt als S-Zapfen (maximal empfindlich für kurzwelliges Licht).

Im vorherigen Bild sehen wir die Spitze der Lichtwahrnehmung des roten Zapfens bei 565 nm, die Spitze des grünen Zapfens bei 535 nm und die Spitze des blauen Zapfens bei 430 nm. Obwohl jede Fotorezeptorklasse am empfindlichsten für die Wellenlängen des Lichts an der Spitze der Empfindlichkeit ist, nehmen alle Fotorezeptoren auch andere Farben um die Spitze herum wahr, und es gibt eine Überlappung mit Farben, die von anderen Arten von Zapfen wahrgenommen werden. Beachten Sie, dass die Namen der Zapfentypen (Rot, Grün und Blau) nicht bedeuten, dass diese Zapfen NUR diese Farben „sehen“, sondern dass sie jeweils für eine breite Palette von Farben/Wellenlängen empfindlich sind. Alle drei Zapfentypen werden benötigt, um unsere Fähigkeit zu gewährleisten, ALLE Farben zu sehen.

Zapfen sind folglich sowohl für die Sehschärfe als auch für die Farbunterscheidung zuständig. Die grün- und rotempfindlichen Zapfen sind in der Fovea konzentriert und zahlenmäßig überlegen, während die blauempfindlichen Zapfen größere Ausmaße aufweisen, aber in geringerer Anzahl vorhanden sind.

Bei der Struktur der Fotorezeptoren lassen sich folgende drei Teile unterscheiden:

1. Außensegment: besitzt eine Membranstruktur (sog. „Scheiben“), auf der die Fotopigmente angeordnet sind, die auf die Reize der Photonen (Licht, das in „Paketen“, sog. Quanten eintrifft) reagieren.
2. Innensegment: gekennzeichnet durch innere Organellen wie Mitochondrien, Golgi-Apparate usw., die für den Zellstoffwechsel und den Kern unerlässlich sind.
3. Das synaptische Ende, das die Übertragung der Signale vom Fotorezeptor zu den bipolaren Zellen durch synaptische biochemische Übertragung zwischen Nervenzellen ermöglicht (dank Molekülen, die Neurotransmitter genannt werden)

In der Abbildung oben rechts sehen wir ein Retina-Scan mit Stäbchen und Zapfen der menschlichen Netzhaut. Der auf der Abbildung sichtbare, äußere Bereich ist das Außensegment dieser Fotorezeptoren.
Jedes Stäbchen und jeder S-, M- und L-Zapfen enthält ein spezielles Fotopigment, das aus Proteinen besteht, die sich im Außensegment der Fotorezeptoren befinden.

• Stäbchen enthalten das Protein RHODOPSIN
• S-Zapfen enthalten S-OPSIN
• M-Zapfen enthalten M-OPSIN
• L-Zapfen enthalten L-OPSIN

Ohne diese Proteine sind die Zapfen nicht in der Lage, das Licht zu absorbieren.
In der folgenden Abbildung sehen wir das aus Scheiben bestehende Außensegment eines Stäbchens:

Schematisches Diagramm des Rhodopsins in den Außensegmenten der Scheiben

Auf jeder Scheibe befinden sich tausende von Proteinen des Typs OPSIN.
Ähnlich ist es auch bei den Zapfen.
Beim Menschen enthält jeder Zapfen jeweils nur einen OPSIN-Proteintyp: entweder S oder M oder L.
OPSIN-Proteine haben die Form einer Kette, die 7-mal durch die membranöse Scheibe hindurchgeht, wie in der nachstehenden Abbildung zu sehen ist:

Strukturmodell von Rhodopsin mit sieben Transmembranbestandteilen und Verbindungsstelle für Retinal.

Ca. 20.000 Proteine sind in jeder Scheibe eingelagert, wobei jeder Zapfen aus ca. 100 Scheiben besteht, d. h. ca. 2 Millionen OPSIN-Proteine pro Zapfen enthält.
Ohne diese Proteine kann der Zapfen das Licht nicht absorbieren, denn die Proteine wandeln das Licht in chemische Signale um, wobei ein als Fototransduktion bezeichneter Prozess aktiviert wird.

Weitere Informationen über Fotorezeptoren und Fototransduktion finden sich auf der Website Webvision. BCM Families Foundation bedankt sich beiWebvision für die Bereitstellung der Abbildungen in diesem Abschnitt.

Weitere Informationen über Fotorezeptoren und Farbwahrnehmung finden Sie hier:

– Debarshi Mustafi, Andreas H. Engel, Krzysztof Palczewski ‚Structure of Cone Photoreceptors – Review.‘ Progress in Retinal and Eye Research 28 (2009) 289–302.

• Jay Neitz, Joseph Carroll and Maureen Neitz ‚Color Vision.‘ Optics & Photonics News Jan-2001.
• Webvision – The Organization of the Retina and Visual System
• Katherine Mancuso, Matthew C. Mauck, James A. Kuchenbecker, Maureen Neitz, and Jay Neitz, ‚A Multi-Stage Color Model Revisited: Implications for a Gene Therapy Cure for Red-Green Colorblindness‘ 2010 R.E. Anderson et al. (eds.), Retinal Degenerative Diseases, Advances in Experimental Medicine and Biology 664.

Was passiert bei Personen mit Blauzapfenmonochromasie?

Bei Blauzapfenmonochromaten fehlen die OPSIN-Proteine des Typs M und L, weshalb die Netzhaut das Licht nur mit den Stäbchen und mit den Blauzapfen absorbieren kann. Wenn nun mittelwelliges (grünes), oder langwelliges (rotes) Licht in das Auge eintritt, sendet es bei BCM-Betroffenen keine Signale an das Gehirn, Stattdessen wird eine Blend- bzw. Lichtempfindlichkeit (Photophobie) verursacht. Dasselbe geschieht bei weissem Licht, das sich aus einer Mischung von rotem, grünem und blauem Licht zusammensetzt.

Derzeit werden Forschungen an den L- und M-Zapfen bei Blauzapfenmonochromaten durchgeführt, mit denen festgestellt werden soll, ob die Anzahl von Zapfen ausreichend ist, um eine Gentherapie zur Behandlung von Blauzapfenmonochromasie zu ermöglichen.

Der Artikel A.V. Cideciyan et al. ‘Human Cone Visual Pigment Deletions Spare Sufficient Photoreceptors to Warrant Gene Therapy’, HUMAN GENE THERAPY 24:993–1006, 2013   PMID: 24067079, wurde auch dank der Unterstützung von BCM Families Foundation veröffentlicht und zeigt, dass bei einigen Blauzapfenmonochromaten mit einer genetischen Deletionsmutation eine ausreichend hohe Anzahl von Zapfen mit sichtbaren (wenngleich auch kürzeren) Außensegmenten vorhanden ist, um eine Gentherapie in Erwägung ziehen zu können.