La fototransducción visual es la transducción sensorial del sistema visual . Es un proceso mediante el cual la luz se convierte en señales eléctricas en las células bastón , las células de los conos y las células ganglionares fotosensibles de la retina del ojo . Este ciclo fue dilucidado por George Wald (1906-1997), por lo que recibió el Premio Nobel en 1967. Es el llamado "Ciclo Visual de Wald" en su honor.
El ciclo visual es la conversión biológica de un fotón en una señal eléctrica en la retina. Este proceso ocurre a través de receptores acoplados a proteína G llamados opsinas que contienen el cromóforo 11-cis retiniano . El 11-cis retinal está unido covalentemente al receptor de opsina a través de la base de Schiff que forma la proteína retinilideno . Cuando es golpeado por un fotón , la retina 11-cis sufre una fotoisomerización a la retina todo-trans, lo que cambia la conformación de la opsina GPCR, lo que conduce a cascadas de transducción de señales que provocan el cierre del canal catiónico cíclico activado por GMP y la hiperpolarización de la célula fotorreceptora.
Después de la isomerización y liberación de la proteína opsina , la retina todo-trans se reduce a retinol todo-trans y regresa al epitelio pigmentario de la retina para ser "recargada". Primero se esterifica mediante lecitina retinol aciltransferasa (LRAT) y luego se convierte en 11-cis retinol mediante la isomerohidrolasa RPE65 . Se ha demostrado la actividad isomerasa de RPE65; todavía es incierto si también actúa como hidrolasa. Finalmente, se oxida a la retina 11-cis antes de viajar de regreso al segmento externo de la varilla , donde nuevamente se conjuga con una opsina para formar un nuevo pigmento visual funcional ( rodopsina ).
Fotorreceptores
Las células fotorreceptoras involucradas en la visión son los conos y bastones . Estas células contienen un cromóforo ( 11-cis retinal , el aldehído de la vitamina A1 y la porción que absorbe la luz) unido a la proteína de la membrana celular, la opsina . Las varillas tratan con un nivel de luz bajo y no median la visión del color. Los conos, por otro lado, pueden codificar el color de una imagen mediante la comparación de las salidas de los tres tipos diferentes de conos. Cada tipo de cono responde mejor a ciertas longitudes de onda , o colores, de luz porque cada tipo tiene una opsina ligeramente diferente. Los tres tipos de conos son conos L, conos M y conos S que responden de manera óptima a longitudes de onda largas (color rojizo), longitudes de onda medias (color verdoso) y longitudes de onda cortas (color azulado) respectivamente. Los seres humanos tienen un sistema visual tricromático que consta de tres sistemas únicos, bastones, conos sensibles a la longitud de onda media y larga (rojo y verde) y conos sensibles a la longitud de onda corta (azul). [1]
Proceso
Para comprender el comportamiento del fotorreceptor a las intensidades de luz, es necesario comprender los roles de las diferentes corrientes.
Hay una corriente de potasio de salida continua a través de canales selectivos de K + no separados. Esta corriente de salida tiende a hiperpolarizar el fotorreceptor a alrededor de -70 mV (el potencial de equilibrio para K + ).
También hay una corriente de sodio hacia el interior transportada por los canales de sodio activados por cGMP . Esta llamada ' corriente oscura ' despolariza la celda a alrededor de -40 mV. Tenga en cuenta que esta está significativamente más despolarizada que la mayoría de las otras neuronas.
Una alta densidad de bombas de Na + -K + permite al fotorreceptor mantener una concentración intracelular constante de Na + y K + .
En la oscuridad
Las células fotorreceptoras son células inusuales porque se despolarizan en respuesta a la ausencia de estímulos o condiciones escotópicas (oscuridad). En condiciones fotópicas (luz), los fotorreceptores se hiperpolarizan a un potencial de -60mV.
En la oscuridad, los niveles de cGMP son altos y mantienen abiertos los canales de sodio activados por cGMP, lo que permite una corriente de entrada constante, llamada corriente oscura. Esta corriente oscura mantiene la célula despolarizada a aproximadamente -40 mV, lo que conduce a la liberación de glutamato que inhibe la excitación de las neuronas.
La despolarización de la membrana celular en condiciones escotópicas abre canales de calcio dependientes de voltaje. Un aumento de la concentración intracelular de Ca 2+ hace que las vesículas que contienen glutamato, un neurotransmisor , se fusionen con la membrana celular, liberando así glutamato en la hendidura sináptica , un área entre el final de una célula y el comienzo de otra neurona . El glutamato, aunque generalmente excitador, funciona aquí como un neurotransmisor inhibidor.
En la vía del cono glutamato:
- Hiperpolariza las células bipolares en el centro . El glutamato que se libera de los fotorreceptores en la oscuridad se une a los receptores metabotrópicos de glutamato ( mGluR6 ) que, a través de un mecanismo de acoplamiento de proteína G, hace que los canales de cationes inespecíficos en las células se cierren, hiperpolarizando así la célula bipolar.
- Despolariza las células bipolares descentradas. La unión del glutamato a los receptores ionotrópicos de glutamato da como resultado una corriente catiónica hacia el interior que despolariza la célula bipolar.
En la luz
En resumen: la luz cierra los canales de sodio activados por cGMP, lo que reduce la entrada de iones de Na + y Ca 2+ . Detener la afluencia de Na + iones cambia efectivamente fuera de la corriente oscura. La reducción de esta corriente oscura hace que el fotorreceptor se hiperpolarice , lo que reduce la liberación de glutamato, lo que reduce la inhibición de los nervios de la retina, lo que provoca la excitación de estos nervios. Este influjo reducido de Ca 2+ durante la fototransducción permite la desactivación y recuperación de la fototransducción, como se describe en Fototransducción visual # Desactivación de la cascada de fototransducción .
- Un fotón de luz interactúa con la retina en una célula fotorreceptora . La retina sufre isomerización , cambiando de la configuración 11- cis a todo- trans .
- Por tanto, la opsina sufre un cambio conformacional a metarrodopsina II.
- La metarodopsina II activa una proteína G conocida como transducina . Esto hace que la transducina se disocie de su GDP unido y se una a GTP , luego la subunidad alfa de la transducina se disocia de las subunidades beta y gamma, con el GTP todavía unido a la subunidad alfa.
- El complejo subunidad alfa-GTP activa la fosfodiesterasa , también conocida como PDE6. Se une a una de las dos subunidades reguladoras de PDE (que a su vez es un tetrámero) y estimula su actividad.
- PDE hidroliza cGMP , formando GMP . Esto reduce la concentración intracelular de cGMP y, por lo tanto, los canales de sodio se cierran. [3]
- El cierre de los canales de sodio causa hiperpolarización de la célula debido al flujo continuo de iones de potasio.
- La hiperpolarización de la célula provoca el cierre de los canales de calcio activados por voltaje.
- A medida que desciende el nivel de calcio en la célula fotorreceptora, también desciende la cantidad del neurotransmisor glutamato que libera la célula. Esto se debe a que el calcio es necesario para que las vesículas que contienen glutamato se fusionen con la membrana celular y liberen su contenido (ver proteínas SNARE ).
- Una disminución en la cantidad de glutamato liberada por los fotorreceptores provoca la despolarización de las células bipolares en el centro (bastón y el cono en las células bipolares) y la hiperpolarización de las células bipolares descentradas del cono.
Desactivación de la cascada de fototransducción
A la luz, los niveles bajos de cGMP cierran los canales de Na + y Ca2 +, reduciendo el Na + y Ca2 + intracelulares. Durante la recuperación ( adaptación a la oscuridad ), los niveles bajos de Ca2 + inducen la recuperación (terminación de la cascada de fototransducción), de la siguiente manera:
- El Ca2 + intracelular bajo hace que el Ca-GCAP (proteína activadora de Ca-gunilato ciclasa) intracelular se disocie en Ca2 + y GCAP. El GCAP liberado finalmente restaura los niveles de cGMP agotados, lo que vuelve a abrir los canales de cationes activados por cGMP (restaurando la corriente oscura).
- El Ca2 + intracelular bajo hace que el Ca-GAP (proteína aceleradora de Ca-GTPasa) intracelular se disocie en Ca2 + y GAP (también conocido como RGS, o reguladores de la señalización de la proteína G). El GAP liberado desactiva la transducina activada , terminando la cascada de fototransducción (restaurando la corriente oscura).
- El Ca2 + intracelular bajo hace que el Ca-recoveryin-RK intracelular se disocie en Ca2 + y recoveryin y RK . La RK liberada luego fosforila la Metarrodopsina II, reduciendo su afinidad de unión por la transducina . Arrestin luego desactiva completamente la metarrodopsina II fosforilada, terminando la cascada de fototransducción (restaurando la corriente oscura).
- El Ca2 + intracelular bajo hace que el complejo Ca2 + / Calmodulina dentro de los canales catiónicos activados por cGMP sea más sensible a los niveles bajos de cGMP (por lo tanto, manteniendo abierto el canal catiónico activado por cGMP incluso a niveles bajos de cGMP, restaurando la corriente oscura) [4]
Con más detalle:
La proteína aceleradora de GTPasa (GAP) de RGS (reguladores de la señalización de la proteína G) interactúa con la subunidad alfa de la transducina y hace que hidrolice su GTP unido a GDP y, por lo tanto, detiene la acción de la fosfodiesterasa, deteniendo la transformación de cGMP en GMP. Se encontró que este paso de desactivación de la cascada de fototransducción (la desactivación del transductor de proteína G) era el paso limitante de la velocidad en la desactivación de la cascada de fototransducción. [5]
En otras palabras: la proteína activadora de guanilato ciclasa (GCAP) es una proteína que se une al calcio y, a medida que los niveles de calcio en la célula han disminuido, el GCAP se disocia de sus iones de calcio unidos e interactúa con la guanilato ciclasa, activándola. La guanilato ciclasa luego procede a transformar GTP en cGMP, reponiendo los niveles de cGMP de la célula y reabriendo así los canales de sodio que estaban cerrados durante la fototransducción.
Finalmente, se desactiva la Metarrodopsina II. La recoverina, otra proteína de unión al calcio, normalmente se une a la rodopsina quinasa cuando hay calcio presente. Cuando los niveles de calcio caen durante la fototransducción, el calcio se disocia de la recoveryina y se libera la rodopsina quinasa, cuando ( ¿qué? ) Procede a fosforilar la metarrodopsina II , lo que disminuye su afinidad por la transducina. Finalmente, la arrestina, otra proteína, se une a la metarrodopsina II fosforilada, desactivándola por completo. Así, finalmente, se desactiva la fototransducción y se restaura la corriente oscura y la liberación de glutamato. Es esta vía, donde la Metarrodopsina II se fosforila y se une a la arrestina y, por lo tanto, se desactiva, la que se cree que es responsable del componente S2 de la adaptación a la oscuridad. El componente S2 representa una sección lineal de la función de adaptación a la oscuridad presente al comienzo de la adaptación a la oscuridad para todas las intensidades de blanqueo.
All- trans retinal es transportado a las células epiteliales del pigmento que ser reducido a todo- trans retinol, el precursor de 11- cis retinal. Esto luego se transporta de regreso a las varillas. Los seres humanos no pueden sintetizar la retina totalmente trans y debe ser aportada por la vitamina A en la dieta. La deficiencia de la retina totalmente trans puede provocar ceguera nocturna . Esto es parte del proceso de blanqueo y reciclaje de los retinoides en los fotorreceptores y el epitelio pigmentario de la retina.
Fototransducción en invertebrados
El proceso de fototransducción en invertebrados como la mosca de la fruta es diferente al de los vertebrados. El ciclo PI (4,5) P 2 subyace al proceso de fototransducción. Aquí, la luz induce el cambio conformacional en rodopsina y la convierte en metarodopsina. Esto ayuda en la disociación del complejo de proteína G. Alfa sub-unidad de este complejo activa la PLC enzima (PLC-beta) que hidrolizan la PIP2 en DAG . Esta hidrólisis conduce a la apertura de los canales de TRP y al influjo de calcio.
Referencias
- ^ Ebrey, Thomas; Koutalos, Yiannis (enero de 2001). "Fotorreceptores de vertebrados". Progresos en la investigación de la retina y los ojos . 20 (1): 49–94. doi : 10.1016 / S1350-9462 (00) 00014-8 . PMID 11070368 . S2CID 2789591 .
- ^ Leskov, Ilya; Klenchin, Handy, Whitlock, Govardovskii, Bownds, Lamb, Pugh, Arshavsky (septiembre de 2000). "La ganancia de la fototransducción de varillas: reconciliación de mediciones bioquímicas y electrofisiológicas". Neurona . 27 (3): 525–537. doi : 10.1016 / S0896-6273 (00) 00063-5 . PMID 11055435 . S2CID 15573966 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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- ^ Hsu, Yi-Te; Molday, Robert S. (1993). "Modulación del canal controlado por CGMP de células fotorreceptoras de varilla por calmodulina". Naturaleza . 361 (6407): 76–79. Código Bibliográfico : 1993Natur.361 ... 76H . doi : 10.1038 / 361076a0 . PMID 7678445 . S2CID 4362581 .
- ^ Krispel, CM; Chen, D; Melling, D; Chen, YJ; Martemyanov, KA; Quillinan, N; Arshavsky, VY; Wensel, TG; Chen, CK; Burns, ME (2006). "Recuperación de límites de velocidad de expresión de RGS de fotorrespuestas de varilla". Neurona . 51 (4): 409–416. Código Bibliográfico : 2006Neuro.51 ... 409K . doi : 10.1016 / j.neuron.2006.07.010 . PMID 16908407 ..
- Moiseyev G, Chen Y, Takahashi Y, Wu BX, Ma JX. RPE65 es la isomerohidrolasa en el ciclo visual de los retinoides. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005 Artículo .
- Jin M, Li S, Moghrabi WN, Sun H, Travis GH. Rpe65 es la isomerasa retinoide en el epitelio pigmentario de la retina bovina. Célula. 2005 Artículo .
enlaces externos
- Pigmentos visuales y transducción visual en med.utah.edu
- Transducción de luz Prezi
- Una descripción general de la percepción visual en brynmawr.edu
- Fototransducción en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .