Zur Biophysik des Sehvorgangs

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Abstract
Light sensory cells are sensitive photon-counting devices. The mechanism by which the light stimulus is transduced to nervous excitation is described. The absorption of a photon by the visual pigment-rhodopsi n, a chromoprotein-ca uses a photochemical reaction, which is followed by a cascade of dark reactions of rhodopsin. One of these reactions triggers conductivity changes in the membrane of the visual cell, which results in a transient voltage impulse across the cell membrane. The magnitude and time course of this electrical signal contain the information of the light stimulus. The molecular mechanism of visual excitation can now be investigated experimentally. Lichtsinneszellen arbeiten wie Dolmetscher, die den Lichtreiz in die Sprache des Nervensystems tibersetzen. Ziel biophysikalischer Untersuchungen ist es, ihre Struktur und Arbeitsweise, ihre biologische Funktion, im Begriffssystem der Physik zu verstehen. Von einem vollst~ndigen biophysikalischen Verstfindnis des Sehvorgangs sind wir noch weit entfernt; diese Ausftihrungen sind als Zwischenbericht aufzufassen fiber unseren Stand der Kenntnis zu einigen mir besonders wichtig erscheinenden Teilfragen. Fig. 1 zeigt stark schematisiert das Funktionsschema eines St/ibchens eines Wirbeltieres. Lichtsinneszellen sind biologische Verstfirker; das bedeutet, dab die Energie, die bei Erregung umgesetzt wird, nicht durch den Lichtreiz geliefert wird, sondern dutch den Stoffwechsel der Zelle. Der Lichtreiz 16st lediglich die Erregung aus und steuert den EnergiefluB der Sehzelle, wie beispielsweise die Dreharbeit an einem Wasserhahn den Wasserstrom steuert. Die Energie des Lichtreizes kann bei h6chster Empfindlichkeit einer Sehzelle bis zu 106fach geringer sein als der durch diesen Reiz ausgel6ste Energieumsatz der Zelle. Ein einziges Lichtquant reicht bier aus, um eine Sehzelle zu erregen [35, 44]. Bei h6heren Liehtintensit/iten ist die Empfindlichkeit der Sehzelle und damit die Energieverstfirkung geringer. Lichtsinneszellen sind so gebaut, dab sic ftir ihre Ubersetzerfunktion besonders gecignet sind. Sic haben einen Abschnitt mit stark vergr6Berter Membranoberflfiche - bei Stfibchen das AuBensegment -, in die der Sehfarbstoff, das Rhodopsin, eingelagert ist. Dieser Abschnitt wirkt als Antenne, die die Lichtquanten einf~ingt. Fig.2 zeigt die Gefrier~tzung eines StfibchenauBensegments, das im wesentlichen aus Membranen besteht, die Rhodopsin enthalten. Diese Membranen bilden die sogenannten Disks, flache Doppelscheiben oder

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