Studie zeigt: Rot und Grün liegen im Auge nur drei Aminosäuren auseinander

Rot und Grün wirken auf den ersten Blick nicht gerade wie enge Verwandte – doch für das Auge werden beide Farben erstaunlich ähnlich verarbeitet.

Studie in Science vom Nagoya Institute of Technology

Eine neue in Science veröffentlichte Arbeit, angeführt von Biochemikerinnen und Biochemikern am Nagoya Institute of Technology in Japan, zeigt nun, wie nah Rot und Grün auf molekularer Ebene tatsächlich beieinanderliegen.

Das Team fand heraus: Um die Zapfen in der Netzhaut entweder auf rotes oder auf grünes Licht abzustimmen, reichen Unterschiede in nur drei Aminosäuren.

Diese Erkenntnis könnte erklären, weshalb Rot-Grün-Sehschwäche so häufig vorkommt – und sie könnte langfristig neue Ansätze für Behandlungen eröffnen.

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

„Langfristig kann dieses Wissen Forschenden helfen zu verstehen, wie genetische Variationen die Farbwahrnehmung verändern und zu Farbsehstörungen sowie anderen Sehstörungen beitragen.“

Zapfen in der Netzhaut: Trichromaten, Dichromaten und Tetrachromaten

Menschen gehören zu den sogenannten Trichromaten – das heisst, wir besitzen in der Netzhaut drei Typen von Zapfenzellen.

Jeder dieser Zapfentypen reagiert auf andere Wellenlängenbereiche des Lichts – Rot, Grün und Blau. Zusammengenommen ermöglichen uns Millionen solcher Zellen die vertrauten Farben, die wir etwa als „Regenbogenfarben“ kennen.

Dass dieses System nicht überall in der Tierwelt gleich aussieht, ist allerdings die Regel.

Hunde sind dichromatisch: Sie sehen Gelb- und Blautöne besonders gut, Rot und Grün fehlen ihnen dagegen weitgehend. Vögel wiederum verfügen oft über tetrachromatisches Sehen – damit erschliesst sich ihnen eine Palette an Farben, die wir uns kaum vorstellen können.

Gerade vor diesem Hintergrund wirkt es beinahe wie ein Glücksfall, dass wir überhaupt zuverlässig zwischen einem Granny Smith und einem Red Delicious unterscheiden können.

Drei Aminosäuren und 30 Nanometer: Warum Rot und Grün trennbar sind

Alle Zapfen im menschlichen Auge nutzen zum Absorbieren von Licht denselben Grundbaustein: ein Molekül namens 11-cis-Retinal. Welche Wellenlängen ein Zapfen besonders gut aufnimmt – und welche Farben wir daraus ableiten –, hängt jedoch von feinen Unterschieden in der Struktur des jeweiligen Proteins ab.

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

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

Um das genauer zu untersuchen, nutzte das Team den Javaneraffen, auch Crab-eating macaque genannt (Macaca fascicularis), einen Primaten mit einer dem Menschen sehr ähnlichen trichromatischen Farbwahrnehmung. Mit der Kryo-Elektronenmikroskopie erstellten die Forschenden Aufnahmen der roten und grünen Zapfenpigmente dieser Tiere und bauten daraus digitale Modelle.

Anschliessend setzten sie diese digitalen Strukturen ein, um Varianten der Proteine zu simulieren – und nachzuvollziehen, wie kleinste Änderungen die Lichtabsorption beeinflussen.

Am Ende zeigte sich: Nahezu die gesamte Differenz von rund 30 Nanometern zwischen den Absorptionsspitzen der roten und grünen Pigmente lässt sich auf Abweichungen in nur drei Aminosäuren zurückführen: A180S, F277Y und A285T.

Bemerkenswert ist zudem, dass diese drei Aminosäuren die Farbabstimmung offenbar nicht dadurch erreichen, dass sie die reine Form der Proteine deutlich verändern.

Stattdessen scheinen sie die elektrostatische Umgebung in ihrem Umfeld zu verschieben. Dadurch ändert sich, welche Wellenlängen wie stark absorbiert werden.

Warum die Farbwahrnehmung in hellem Licht nicht „ermüdet“

Die detaillierte Analyse brachte ausserdem eine weitere Struktur zum Vorschein, die erklären könnte, weshalb die Farbwahrnehmung in einem hellen Raum nicht nach kurzer Zeit „aufgebraucht“ wirkt.

Bekannt ist, dass Zapfenzellen sich nach Lichtreizen schnell regenerieren. Das könnte mit einer neu beschriebenen „Öffnung“ im Aufbau der Pigmente zusammenhängen, die das Team identifizierte. Eine solche Öffnung fehlt beim Rhodopsin – dem Pigment, das Stäbchenzellen nutzen, um Sehen bei wenig Licht zu ermöglichen.

„Diese Ergebnisse verbinden lang bekannte funktionelle Unterschiede des Farbsehens mit konkreten strukturellen Merkmalen“, schreiben die Forschenden.

„Kleine Sequenzänderungen stimmen die Farbe ab, indem sie das elektrostatische Feld um den Retinal-Chromophor umformen, während unterschiedliche Zugangswege durch die Membran einen effizienten Chromophor-Austausch und eine schnelle Erholung ermöglichen.“

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Rachel Garner auf Fakten geprüft und von Peter Dockrill redigiert. Auch wenn wir grossen Wert auf unseren Prozess legen, sind wir nur Menschen. Wenn Ihnen ein Fehler auffällt, geben Sie uns bitte Bescheid.