Studie zu Rot und Grün enthüllt drei entscheidende Aminosäuren

Rot und Grün wirken auf den ersten Blick nicht wie besonders ähnliche Farben. Doch die Art, wie das Auge sie verarbeitet, ist erstaunlich vergleichbar.

Eine neue Studie in Science, geleitet von Biochemikern des Nagoya Institute of Technology in Japan, zeigt nun, wie eng beide Farben auf molekularer Ebene tatsächlich miteinander verbunden sind.

Wie das Team herausfand, genügen Unterschiede in drei Aminosäuren, um die Zapfen der Netzhaut auf rotes oder grünes Licht einzustellen.

Diese Erkenntnis könnte erklären helfen, weshalb Rot-Grün-Sehschwäche so häufig vorkommt, und möglicherweise neue Behandlungswege eröffnen.

„Diese Studie liefert die ersten dreidimensionalen Strukturen der rot- und grünempfindlichen Zapfen-Sehpigmente von Primaten in ihrem Dunkelzustand“, sagt Kota Katayama, Biochemiker am Nagoya Institute of Technology.

„Langfristig könnte dieses Wissen Forschenden helfen zu verstehen, wie genetische Varianten die Farbwahrnehmung verändern und zu Farbsehschwächen sowie anderen Sehstörungen beitragen.“

Drei Zapfentypen ermöglichen menschliches Farbsehen

Menschen gelten als Trichromaten, da unsere Netzhäute über drei Arten von Zapfenzellen verfügen.

Jeder dieser Zelltypen reagiert auf andere Lichtwellenlängen – Rot, Grün und Blau. Das Zusammenspiel von Millionen solcher Zellen ermöglicht uns die vertrauten Farben des Regenbogens wahrzunehmen.

Natürlich verfügen nicht alle Tiere über dieselbe Ausstattung.

Hunde sind Dichromaten: Sie erkennen Gelb- und Blautöne sehr gut, können jedoch Rot und Grün nicht unterscheiden. Vögel dagegen besitzen tetrachromatisches Sehen und nehmen dadurch eine Welt zusätzlicher Farben wahr, die wir uns nicht einmal vorstellen können.

Der neuen Studie zufolge können wir uns jedoch glücklich schätzen, dass wir einen Granny Smith überhaupt von einem Red Delicious unterscheiden können.

Alle Zapfen des menschlichen Auges absorbieren Licht mit demselben Grundmolekül, dem sogenannten 11-cis-Retinal. Welche Wellenlängen sie aufnehmen und welche Farben wir folglich sehen, wird durch kleinste Unterschiede in ihrer Proteinstruktur bestimmt.

„Die rot- und grünempfindlichen Pigmente sind besonders faszinierend: Sie unterscheiden sich nur an wenigen Aminosäurepositionen, doch ihre Lichtabsorptionsmaxima liegen etwa 30 Nanometer auseinander, was die Rot-Grün-Unterscheidung ermöglicht“, schreiben die Forschenden.

„Durch die Kombination von Kryo-Elektronenmikroskopie, Schwingungsspektroskopie und quantenchemischer Modellierung wollten wir klären, wie Zapfenpigmente ihre spektrale Empfindlichkeit einstellen.“

Rot- und Grünempfindliche Zapfenpigmente im Detail

Für ihre Untersuchung nutzten die Forschenden den Javaneraffen (Macaca fascicularis), eine Primatenart mit einem dem menschlichen sehr ähnlichen trichromatischen Sehsystem. Sie fertigten kryoelektronenmikroskopische Aufnahmen der roten und grünen Zapfenpigmente dieser Makaken an und erstellten daraus digitale Modelle.

Anschließend simulierte das Team anhand dieser digitalen Versionen, was bei geringfügig veränderten Proteinvarianten geschieht und wie sich dies auf die Lichtabsorption auswirkt.

Letztlich stellten die Wissenschaftler fest, dass sich nahezu der gesamte Abstand von 30 Nanometern zwischen den roten und grünen Absorptionsmaxima auf Variationen in nur drei Aminosäuren zurückführen lässt: A180S, F277Y und A285T.

Bemerkenswerterweise beeinflussen diese Aminosäuren die Farbe, auf die ein Zapfen empfindlich reagiert, offenbar nicht durch eine Veränderung der physischen Proteinform.

Stattdessen scheinen sie das elektrostatische Umfeld zu verändern. Dadurch ändert sich, welche Wellenlängen absorbiert werden und in welchem Ausmaß.

Eine Struktur für die schnelle Erholung der Zapfenzellen

Die genaue Analyse brachte zudem eine bislang unbekannte Struktur ans Licht, die erklären könnte, weshalb das Farbsehen in einem hellen Raum nicht nach einiger Zeit „nachlässt“.

Zapfenzellen regenerieren sich bekanntermaßen rasch nach einer Lichtstimulation. Dies könnte an einer neuen „Öffnung“ in der Pigmentstruktur liegen, die das Team identifiziert hat. Bei Rhodopsin, dem Pigment der Stäbchenzellen im Auge, das das Sehen bei schwachem Licht ermöglicht, ist diese Öffnung nicht vorhanden.

„Diese Ergebnisse verknüpfen seit Langem bekannte funktionelle Unterschiede des Farbsehens mit konkreten Strukturmerkmalen“, schreiben die Forschenden.

„Kleine Änderungen in der Sequenz beeinflussen die Farbe, indem sie das auf den Retinal-Chromophor wirkende elektrostatische Feld umgestalten, während unterschiedliche Zugangswege durch die Membran einen effizienten Austausch des Chromophors und eine schnelle Erholung ermöglichen.“

Die Forschung wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Rachel Garner auf Fakten geprüft und von Peter Dockrill redigiert. Wir legen großen Wert auf unseren Prozess, sind aber nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, lassen Sie es uns bitte wissen.