Ort der Phototransduktion sind die Stäbchen und Zapfen. Diese sind vom Prinzip her beide ähnlich aufgebaut. Sie besitzen einen Zellkörper mit einer Synapse und einem Außensegment. Die Synapse reicht bis zur Bipolarzelle und das Außensegment ist zur Pigmentschicht gerichtet. Das Außensegment enthält viele Membranscheibchen, die sogenannten „Disks“.

In den Membranscheiben der Stäbchen sind Rhodopsinmoleküle und in der Membran der Zapfen Iodopsinmoleküle eingelagert. Für das Abitur sind vor allem die Rhodopsinmoleküle von Bedeutung.

Das Rhodopsin besteht aus Retinal, welches an Opsin gebunden ist. Wichtig ist hierbei zu wissen, dass das Retinal im Rhodopsin in zwei Formen vorliegen kann: zum einen in der lichtempfindlichen 11-cis-Form (abgeknickt), zum anderen in der aktivierten all-trans-Form (gestreckt).

1. Im Dunkeln liegt das Retinal in seiner inaktiven 11-cis-Form vor. In diesem Zustand liegt in der Zelle viel cGMP vor. Dieses kann an einen Natriumkanal binden und dadurch den Natriumioneneinstrom induzieren. Durch den Natriumioneneinstrom wird die Zelle im Dunkeln permanent depolarisiert (Dunkelstrom). cGMP ist dabei ein second messenger, der ähnlich wie cAMP funktioniert.
2. Trifft nun ein Photon auf das Rhodopsin, so wird diese Energie genutzt, um das 11-cis-Retinal in die aktive all-trans-Form zu bringen. In dieser Form bleibt es allerdings nicht lange, sondern es springt sehr schnell wieder in seine lichtempfindliche 11-cis-Form zurück. Vorher löst es aber noch eine Signalkaskade aus.
3. Dies passiert, indem es mehrere hundert G-Proteine (Transducin) aktiviert. Diese G-Proteine aktivieren unter GTP-Spaltung die sogenannte Phosphodiesterase. Zur Erinnerung: GTP ist wie ATP ein Energiespeicher, welcher unter Phophatabspaltung nutzbar wird.
4. Die Phosphodiesterasen können innerhalb kürzester Zeit cGMP zu 5’-GMP hydrolysieren. cGMP, welches vorher noch als Ligand gewirkt hat, ist nun als 5’-GMP nicht mehr in der Lage die Natrium-Kanäle offenzuhalten. Als Folge schließen diese sich und die Membran hyperpolarisiert. Diese Hyperpolarisation bewirkt an den nachgeschalteten Nervenzellen ein erregendes Signal.

Doch warum bewirkt das Ruhepotential ein Erregungsmuster in den nachgeschalteten Zellen?

Dies liegt daran, dass der Neurotransmitter der Rezeptorsynapse Glutamat ist. Glutamat zählt an vielen Zellen zu den hemmenden Transmittern. Im Dunkeln wird demnach ständig Glutamat ausgeschüttet, welches die nachfolgende Erregungsleitung hemmt, indem es Anionen-Kanäle offenhält. Fehlt das Glutamat, bewirkt dies an der postsynaptischen Membran ein EPSP. Da die Bipolarzellen generell keine Aktionspotentiale bilden, sondern nur graduelle Membranpotentiale weiterleiten, wird diese Potentialänderung bis zur zweiten Synapse weitergetragen. In den Ganglienzellen werden dann Aktionspotentiale ausgelöst, die das Gehirn erreichen.

Der Aufbau der Retina und die Fototransduktion ist ein seltenes Thema des Abiturs. Es sollten die Bestandteile der Netzhaut mit deren Funktion bekannt und der Ablauf der Signaltransduktion verstanden sein. Diese könnte mit Hilfe von zusätzlichem Material abgefragt werden und mit einer bisher unbekannten Signaltransduktion verglichen werden (z.B. Geruch).