Wie wir Farben sehen

Das menschliche Auge unterscheidet Hunderte von Farbtönen mit nur drei Photopigmenten. Diese Farb-Opsine sitzen in den rund sechs Millionen Zapfenzellen der Netzhaut, die vor allem im zentralen Bereich (Fovea) konzentriert sind und zudem das scharfe sowie räumliche Sehen bei Tageslicht ermöglichen. Forschenden der Charité – Universitätsmedizin Berlin und der Nanchang University ist es nun erstmals gelungen, die molekulare Struktur aller drei menschlichen Farb-Opsine im aktiven Zustand darzustellen. Sie beschreiben, wie die drei Opsine auf jeweils bestimmte Lichtwellen reagieren und so das Farbsehen über die drei Grundfarben ermöglichen. Bei Dämmerlicht oder Dunkelheit übernehmen dagegen die weiter außen liegenden Stäbchen das rein schwarz-weiße Sehen; ihr Photopigment Rhodopsin ist strukturell bereits seit 25 Jahren bekannt.

Warum die Struktur von Farb-Opsinen so lange verborgen blieb

Die Zapfen und ihre entsprechenden Opsine sind weitaus seltener als das Rhodopsin und strukturell nur schwer zu isolieren. „Man musste erst lernen, genügend Farb-Opsine in Zellkulturen herzustellen, in den aktiven Zustand zu bringen, anschließend zu isolieren und dann mit dem Elektronenmikroskop zu untersuchen“, erklärt Dr. Patrick Scheerer, der wesentlich dazu beitrug, die Struktur des Rhodopsins im aktiven Zustand aufzuklären. „Das war ein aufwändiger Prozess, und deshalb hat es so lange gedauert, bis wir nun endlich auch die Farb-Opsine strukturell beschreiben konnten.“

Alle drei Farb-Opsine enthalten, analog zum Rhodopsin der Stäbchen, das fest an das Opsin-Protein gebundene Vitamin-A-Derivat Retinal als lichtempfindlichen Bestandteil. Bei Photonenabsorption klappt dieses Molekül an einer spezifischen Position um, indem sich das gewinkelte 11-cis-Retinal in das gestreckte all-trans-Retinal verwandelt. Diese Konformationsänderung überträgt sich auf das Opsin selbst und versetzt es in den aktiven Zustand. Das aktivierte Protein initiiert daraufhin eine biochemische Signalkaskade, die über neuronale Reize zur Verarbeitung an das Gehirn weitergeleitet wird und letztlich die visuelle Farbwahrnehmung generiert.

Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht detaillierten Blick

„In diesem gemeinsamen Projekt wurden die drei Farb-Opsine aus Zellkulturen isoliert und im aktiven Zustand, also an das all-trans-Retinal gekoppelt, schnell auf ultratiefe Temperaturen heruntergekühlt, damit ihre Strukturen im aktiven Zustand bleiben“, erklärt Patrick Scheerer das aufwändige Vorgehen. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie erzeugte das Team hochaufgelöste zweidimensionale Aufnahmen im Ångström-Bereich unter einem Nanometer, auf denen einzelne Aminosäuren sichtbar sind.

Aus diesen Daten rekonstruierten die Forschenden die detaillierte dreidimensionale Opsinstruktur. „Dabei hat sich gezeigt, dass das Opsin, das auf blaues Licht – also kurze Lichtwellen – reagiert, eher dem Rhodopsin der Stäbchen ähnelt“, berichtet Patrick Scheerer. „Die Opsine für grünes beziehungsweise rotes Licht, also mittel- beziehungsweise langwellige Reize, unterscheiden sich davon deutlich. Insbesondere die Aminosäure-Umgebung des jeweiligen Opsins um das Retinal herum variiert. Das erklärt, warum sie unterschiedlich empfindlich auf die Lichtwellenlängen reagieren.“ Farbiges Licht regt die Zapfentypen folglich differenziert an, was durch die anschließende komplexe Signalverarbeitung das Farbempfinden im Gehirn generiert.

Wichtige Proteinfamilie für die Medizin

Alle humanen Opsine gehören zur Proteinfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). Diese vermitteln die Wirkung zahlreicher Hormone sowie Neurotransmitter und regulieren essenzielle Prozesse wie Entzündungsreaktionen, Appetit und Wachstum. Zudem steuern sie Sinneswahrnehmungen wie Geruch, Geschmack und visuelle Reize. Als strukturell erster aufgeklärter GPCR gilt das Rhodopsin, bei dem Licht über die Retinalveränderung die Rezeptoraktivierung auslöst. Mittlerweile spielen die über 800 humanen GPCR eine zentrale Rolle in der Medizin und der modernen Wirkstoffentwicklung.

„Unsere Arbeit ist daher nicht nur wissenschaftlich interessant“, sagt Patrick Scheerer. „Es gibt zahlreiche Mutationen in den Opsin-Genen, die mit verschiedenen Augenkrankheiten oder Sehstörungen einhergehen. Wenn wir die Struktur der Opsine nun besser kennen, können wir die Mutationen präziser einordnen und ihre Auswirkungen besser verstehen.“

Zukünftige Strukturanalysen: Melanopsin und die Regulation des Biorhythmus

Als nächstes Projekt untersucht das Team um Patrick Scheerer das Melanopsin, welches ebenfalls in lichtempfindlichen Netzhautzellen lokalisiert ist. Dieses Pigment leitet Signale an die Epiphyse sowie den Hypothalamus weiter und reguliert so maßgeblich den Schlaf-Wach-Rhythmus. Darüber hinaus existieren weitere Opsin-Gene, deren Proteine vermutlich non-visuelle Funktionen erfüllen. „Unser Ziel ist es zu verstehen, wodurch sich die einzelnen Opsine strukturell und funktionell unterscheiden“, sagt Patrick Scheerer.

Quelle

Charité – Universitätsmedizin Berlin (06/2026)