Photorezeptoren: Stäbchen & Zapfen

Photorezeptoren
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Photorezeptoren (auch: Fotorezeptoren) sind spezialisierte und lichtempfindliche Sinneszellen des Auges. Diese Sinneszellen auf zellulärer Ebene umfassen u. a. die Stäbchen, Zapfen und Ganglienzellen der Netzhaut. Photorezeptoren setzen sich aus einem Proteinanteil und einem Chromophor zusammen. Diese speziellen Zellbestandteile wandeln Lichteinfall in elektrische Spannungssignale um. Genauer gesagt, führt in den Photorezeptoren der Netzhaut von Wirbeltieren eine Lichtabsorption zu einer Erhöhung der elektrischen Spannung. In nachgeschalteten Zellen entsteht dadurch ein elektrischen Potenzial, dass bis zur Sehrinde im Gehirn weitergeleitet wird.

Die unterschiedlichen Typen von Photorezeptoren

Im menschlichen Auges existieren insgesamt drei Arten von Photorezeptoren: Zapfen, Stäbchen und Ganglienzellen. Nur die Stäbchen sowie die Zapfen übernehmen eine Rolle bei der Bilderkennung, die fotosensitiven Ganglienzellen zeichnen sich für die Regelung des Tag-Nacht-Rhythmus verantwortlich.

Die menschliche Netzhaut enthält rund 120–130 Millionen Stäbchen. Sie sind deutlich lichtempfindlicher als die Zapfen und ermöglichen erst das Hell-Dunkel-Sehen und Nachtsehen (skotopische Sehen). Die Zapfen liegen in einer Anzahl von rund etwa 6 Millionen vor. Sie ermöglichen das Sehen bei Tageslicht (photopisches Sehen), übernehmen die Farberkennung und werden in drei verschiedenen Typen unterteilt: S-Zapfen (werden durch blaues Licht aktiviert), M-Zapfen (grünes Licht) und L-Zapfen (rotes Licht). Jeder Typ funktioniert in dem für ihn vorgesehenen Wellenlängenbereich. Je nach Ausprägung bzw. Fehlentwicklung der Zapfen können Menschen bestimmte Farben nicht richtig wahrnehmen, so beispielsweise bei der Rot-Grün-Schwäche. Neben dem Nachtsehen und Tagsehen existiert darüber hinaus auch ein Übergangsbereich. Hierbei werden sowohl Zapfen als auch Stäbchen genutzt. Diese Anpassungsfähigkeit bezeichnet man auch als Bezold-Brücke-Phänomen. Im Gegensatz zu den Zapfen sind die Stäbchen für Farbreize im kurzwelligen Bereich deutlich empfindlicher. Dadurch transportieren sie einen anderen Eindruck verschiedener Farben. Diese geänderte Farbwahrnehmung macht sich in der Dämmerung deutlich bemerkbar.

Fotorezeptoren - Abbildung
© designua / Fotolia

Aufbau der Stäbchen und Zapfen

Sowohl Stäbchen als auch Zapfen ähneln sich im Aufbau. Die Phototransduktion findet mittels des Sieben-Transmembranproteins Rhodopsin in den Außensegmenten statt. Dieses nennt man auch Sehpurpur. Es ist in vielen membranösen Stäbchen oder Membraneinfaltungen zu finden. Die Außensegmente der Stäbchen sind wiederum schmal sowie lang. Sie befinden sich an der Grenze des retinalen Pigmentepithels, das abgeschnürte Membranstapel in sich aufnimmt. Die Außenbereiche der Zapfen sind breiter als die Stäbchen und verlaufen konisch zu. Ein Umstand, der bei der Zapfen-Photorezeptorzelle ebenfalls zutrifft.

Die Funktion der Photorezeptoren

Photorezeptortypen besitzen jeweils einen individuellen Sehfarbstoff (Chromophor) und unterscheiden sich in ihren Absorptionswerten. Diese Absorptionsmaxima bestimmen ihre Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Wellenlängen des Lichts. Letztendlich ist das die essentielle Grundlage des Farbsehens. Das Spektrum der wahrgenommenen Farben wird durch die Anzahl der Zapfenarten, wovon der Mensch drei besitzt (Trichromat), bestimmt. In der Dunkelheit findet an den Synapsen der Fotorezeptorzellen eine kontinuierliche Ausschüttung eines Neurotransmitters statt. Das Glutamat wirkt hemmend (inhibierend) auf die Postsynapsen von Bipolar- und Horizontalzellen. Fällt also Licht auf die Photorezeptorzelle, schließen sich Ionenkanäle in der Zellmembran. Es folgt eine Hyperpolarisierung der Fotorezeptorzelle sowie eine Ausschüttung an Neurotransmittern. Danach öffnen sich die Ionenkanäle der nachgeschalteten Nervenzellen und der Impuls wird so an sie übertragen. Diese Erregung setzt sich bis zum Gehirn fort.

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