Rot-Grün-Schwäche: Drei Bausteine entscheiden übers Farbsehen

Die Farben Rot und Grün signalisieren im Alltag oft wichtige Gegensätze – Stop oder Los auf der Ampel und ob Obst reif oder unreif ist. Im Auge trennt beide Farben jedoch nur ein erstaunlich kleiner molekularer Abstand. Drei Aminosäuren verändern die Lichtempfindlichkeit der Sehpigmente so stark, dass Menschen Rot und Grün unterscheiden können. Gerät dieses feine Zusammenspiel aus dem Takt, kann eine Rot-Grün-Schwäche entstehen.

Ein Team um Kota Katayama vom Nagoya Institut für Technologie in Japan untersuchte dafür die Sehpigmente von Makaken. Deren Farbsehen ähnelt dem des Menschen. Da die Makaken Allesfresser sind, die sich vorrangig von Früchten ernähren, spielt auch für diese Affenart das Rot-Grün-Sehen eine wichtige Rolle bei der Nahrungsauswahl.

Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Science. „Diese Arbeit liefert die ersten dreidimensionalen Strukturen der rot- und grünempfindlichen Zapfenpigmente von Primaten im Dunkelzustand“, sagt Katayama. Die Wissenschaftler nutzten für ihre Studie Kryo-Elektronenmikroskopie, Schwingungsspektroskopie und computergestützte Berechnungen. Mit Hilfe der Mikroskopaufnahmen konnten sie digitale Modelle der Zapfen erstellen und simulieren, wie sich leicht abweichende Varianten der Aminosäuren auf die Lichtabsorption auswirken würden.

Ob der Apfel rot oder grün ist, hängt an drei winzigen Bausteinen

Menschen besitzen drei Arten von Zapfen in der Netzhaut. Sie reagieren vor allem auf lange, mittlere oder kurze Lichtwellen. Vereinfacht entsprechen sie Rot, Grün und Blau. Erst ihr Zusammenspiel erzeugt die breite Farbpalette, die Menschen wahrnehmen. Hunde kommen mit zwei Zapfentypen aus. Viele Vögel besitzen vier und erkennen damit zusätzliche Farbbereiche, die dem menschlichen Auge verborgen bleiben.

Alle menschlichen Zapfen arbeiten mit demselben lichtempfindlichen Molekül: 11-cis-Retinal. Unterschiedliche Eiweißhüllen verändern jedoch, welche Wellenlängen dieses Molekül aufnimmt. Ob ein Apfel für das menschliche Auge grün oder rot ist, wird von drei Aminosäuren mit den Kürzeln A180S, F277Y und A285T bestimmt. Schon dieser geringe Austausch verändert, auf welche Lichtwellen das Pigment reagiert. Diese neue Analyse zum Farbsehen macht deutlich, wie nah die Sehwahrnehmung von Rot und Grün in unserem Auge beieinander liegt – und damit auch, ob wir die Farben voneinander unterscheiden können oder nicht.

Nur 30 Nanometer trennen die Farben im Auge

Die drei Aminobausteine verändern die elektrische Umgebung rund um das Retinal, das lichtempfindliche Molekül in den Sehzellen des Auges. Besonders stark wirkt die Threonin-Aminosäure an Position 285 (A285T). Ihre Hydroxylgruppe beeinflusst die Ladungsverteilung und verschiebt so die Lichtempfindlichkeit in Richtung längerer Wellen. Die beiden anderen Positionen verstärken diesen Effekt schrittweise. Fast der gesamte Abstand zwischen Rot- und Grünempfindlichkeit lässt sich damit erklären.

„Die rot- und grünempfindlichen Pigmente sind besonders faszinierend“, schreiben die Studienautoren. „Sie unterscheiden sich nur an wenigen Aminosäurepositionen, dennoch liegen ihre Absorptionsmaxima etwa 30 Nanometer auseinander.“ Diese geringe Distanz reicht aus, damit das Gehirn einen roten Apfel von einem grünen trennt. Das Auge misst dabei keine fertigen Farben. Es vergleicht die Signale mehrerer Zapfentypen und verarbeitet ihre Unterschiede im Nervensystem.

Bisher unbekannte Öffnung in Pigmentstruktur entdeckt

Neben der Farbsteuerung fiel den Wissenschaftlern eine bislang unbekannte Öffnung an der Seite der Zapfenpigmente auf. Sie liegt zur Zellmembran hin und fehlt beim sogenannten inaktiven Rhodopsin. Dieses Pigment arbeitet in den Stäbchen der Netzhaut und ermöglicht das Sehen bei schwachem Licht. Mutationsversuche und Strukturvergleiche sprechen dafür, dass die Öffnung den schnellen Austausch des Retinals erleichtert. Die Zapfen reagieren dadurch schneller und erholen sich rascher nach Lichtreizen.

Zapfen müssen sich nach starker Beleuchtung zügig regenerieren. Sonst würde das Farbsehen in heller Umgebung schnell nachlassen. Die seitliche Öffnung könnte neues Retinal rasch in das Pigment aufnehmen. „Kleine Veränderungen der Aminosäuresequenz stimmen Farben ab, indem sie das elektrische Feld am Retinal verändern“, schreiben die Autoren. Das erklärt, warum das Tagessehen auch bei wechselnder Helligkeit belastbar bleibt.

Rot-Grün-Schwäche könnte durch Studie molekular erklärbar werden

Für Menschen mit Rot-Grün-Schwäche sind bestimmte Rot- und Grüntöne schwer auseinanderzuhalten. Häufig liegen Veränderungen in den Genen für die entsprechenden Sehpigmente zugrunde. Die neue Studie liefert nun ein präziseres Bild davon, welche Proteinbereiche die Lichtempfindlichkeit steuern. Daraus lässt noch keine Therapie ableiten.

„Auf lange Sicht könnte dieses Wissen helfen zu verstehen, wie genetische Varianten die Farbwahrnehmung verändern und zu Farbsehschwächen oder anderen Sehstörungen beitragen“, sagt Katayama. Auch, warum manche Abweichungen stärker wirken als andere. Die Arbeit bezieht sich jedoch auf Pigmente von Affen, nicht auf betroffene Patienten. Eine direkte Aussage über Behandlungsmöglichkeiten oder den Verlauf einer Rot-Grün-Schwäche erlaubt sie daher nicht. Aber sie schafft eine molekulare Grundlage für spätere Untersuchungen an menschlichen Varianten.

Kurz zusammengefasst:

Rot- und Grünsehen unterscheidet sich auf molekularer Ebene vor allem durch drei Aminosäuren im Retinal, den Sehpigmenten der Zapfen.
Diese winzigen Abweichungen verändern das elektrische Umfeld des Retinals und damit die Lichtwellen, auf die das Auge reagiert.
Die Ergebnisse aus Versuchen mit Makaken könnten helfen, genetische Ursachen der Rot-Grün-Schwäche besser zu verstehen; eine Behandlung folgt daraus bislang nicht.

Übrigens: Die Augenfarbe hat nichts mit der Sehfähigkeit zu tun, kann aber beeinflussen, wie gut das Auge vor UV-Schäden geschützt ist. Warum helle Augen empfindlicher reagieren und welche Rolle Melanin bei Katarakten oder Makuladegeneration spielt – mehr dazu in unserem Artikel.

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