zum Directory-modus

Tutorial MenueVitamin ALerneinheit 2 von 7

Vitamin A: Funktion im Organismus

Lichtanregung des Rhodopsins und Photoisomerisierung

Die Umwandlung des Lichts in elektrische Impulse kann man in 3 Stufen einteilen:

  1. Lichtanregung des Rhodopsins und Photoisomerisierung (in den Disks)
  2. G-Protein-gesteuerte Schließung der Kationenkanäle (Na+: 80 %, Ca2+: 15 %): Hyperpolarisation der Plasmamembran
  3. Drosselung der Produktion von Neurotransmittern an der synaptischen Endung.

Stufe 1

Retinal wird bereits in der Darmschleimhaut gebildet. Hierzu wird mit der Nahrung aufgenommenes β-Carotin oxidativ von der 15,15'-Carotinoid-Dioxygenase in zwei Moleküle all-trans-Retinal gespalten. Dieses wird zum Vitamin A1 (Retinol) reduziert und als Ester in die Leber transportiert. In der Leber wird der Ester hydrolysiert, das Retinol erneut verestert und gespeichert. Sobald Vitamin A vom Körper benötigt wird, spaltet die Retinylesterhydrolase der Leber den Retinylester. Das Retinol wird über mehrere Retinol-bindende Proteine (RBP) ins Blutplasma abgegeben und zu den Zielzellen transportiert. Dort wird es zum Retinal oxidiert und als protonierte Schiff'sche Base an das Apoprotein Opsin gebunden (Rhodopsin).

Nichtangeregtes Rhodopsin Rh enthält 11-cis-Retinal, das als Photonenfänger (Chromophor) dient. Es geht durch die Absorption eines Photons in einen angeregten Zustand Rh* (Bathorhodopsin) über, wobei das 11-cis-Retinal in die all-trans-Form isomerisiert. Rh* ändert dadurch seine Konformation, was zur Bleichung (gelb) führt. Das angeregte Rhodopsin geht über mehrere Zwischenstufen (lumi-Rhodopsin, Metarhodopsin I) u.a. in Metarhodopsin II über, das durch Hydrolyse in Opsin und all-trans-Retinal gespalten wird.

Die Doppelbindungen an C7, C9 und C13 müssen (E)-konfiguriert (trans) sein.

Die beiden Methyl-Gruppen am C1 (rot) sind für die Stabilität des Sehpigments erforderlich.

Die Ringstruktur (grau) ist für die Funktionalität nicht erforderlich.

Die Methyl-Gruppe am C9 (blau) ist für die Interaktion mit dem Apoprotein Opsin wichtig.

Die Methyl-Gruppe am C13 (pink) bestimmt die Geschwindigkeit der Regeneration des Sehpigments.

Stufe 2

Abb.1
Der Aufbau des Rhodopsins1)

Im Metarhodopsin II befindet sich das Retinal in der all-trans-Konfiguration und ist noch als protonierte Schiff'sche Base gebunden. Es findet eine Protonenumlagerung auf Gln113 statt und die cytoplasmatischen Loops des Opsins verändern ihre Konformation. Die Meta-II-Konformation des Rhodopspins induziert die Signaltransduktionskaskade: An das Metharhodopsin II, genauer gesagt an eine achte Helix im cytoplasmatischen Teil des Rhodopsins, lagert sich Transducin, ein GTP-bindendes Protein, an, das aus drei Untereinheiten (α, β, γ) besteht. Die α-Untereinheit wandelt GDP2) in GTP3) um, löst sich vom Rest des Komplexes und aktiviert die Phosphodiesterase. Danach wird GTP wieder zu GDP und einem Phosphat gespalten und die drei Untereinheiten des G-Proteins vereinigen sich für eine neue Reaktion. Die cGMP-Phosphodiesterase besteht ebenfalls aus drei Untereinheiten. Das aktivierte G-Protein lagert sich an die γ-Untereinheit an, dadurch wird das Enzym aktiviert und hydrolysiert cGMP zu GMP4). Ein Molekül cGMP-Phosphodiesterase wandelt 1000-2000 Moleküle cGMP pro Sekunde um. Fällt die cGMP-Konzentration ab, so löst sich cGMP von der Phosphodiesterase und dem GTP-bindenden Protein; das Enzym wird dadurch inaktiviert. Das cGMP hält die cGMP gesteuerten Kationenkanäle der Zellmembran offen, in dem es sich an ein spezifisches Kanalprotein bindet. Durch den Abbau von cGMP schließen sich die Kanäle, es kommt zur Hyperpolarisation.

Stufe 3

Durch die Hyperpolarisation der Sehzelle wird die Glutamat-Freisetzung an der Synapse gestoppt, was als "Licht-Signal" dient. Im Dunkeln, also mit offenen Kationenkanälen, produzieren die Stäbchen und Zapfen laufend Vesikel mit Glutaminsäure als Neurotransmitter und in den bipolaren Zellen entstehen Aktionspotenziale. Die Hyperpolarisierung unterbindet die Glutaminsäure-, bzw. Glutamat-Produktion.

Regeneration des Retinals

Das im ersten Schritt entstehende freie all-trans-Retinal wird zu all-trans-Retinol reduziert, mit Hilfe von Retinoid-bindenden Proteinen in den Epithelzellen zu 11-cis-Retinol isomerisiert, zu 11-cis-Retinal oxidiert und in den Photorezeptorzellen wieder an Opsin gebunden. Der Kreislauf Retinol - Retinal läuft solange ab, bis das Retinol verbraucht ist und neues Retinol über die Nahrung aufgenommen werden muss.

Abb.2
Rhodopsin-Retinal-Zyklus
© Wiley-VCH
Seite 7 von 13