Fototransducción visual

La fototransducción visual es el proceso de transducción sensorial del sistema visual mediante el cual las células fotorreceptoras ( bastones y conos ) de la retina de los vertebrados detectan la luz . Un fotón es absorbido por un cromóforo retiniano (cada uno unido a una opsina ), que inicia una cascada de señales a través de varias células intermedias y luego a través de las células ganglionares de la retina (CGR) que componen el nervio óptico.

La luz entra en el ojo, pasa a través de los medios ópticos, luego las capas neuronales internas de la retina antes de llegar finalmente a las células fotorreceptoras en la capa externa de la retina. La luz puede ser absorbida por un cromóforo unido a una opsina , que fotoisomeriza el cromóforo, iniciando tanto el ciclo visual , que "reinicia" el cromóforo, como la cascada de fototransducción, que transmite la señal visual al cerebro. La cascada comienza con la polarización gradual (una señal analógica ) de la célula fotorreceptora excitada, a medida que su potencial de membrana aumenta desde un potencial de reposo de -70 mV, proporcional a la intensidad de la luz. En reposo, las células fotorreceptoras liberan continuamente glutamato en la terminal sináptica para mantener el potencial. ^[1] La tasa de liberación del transmisor se reduce ( hiperpolarización ) a medida que aumenta la intensidad de la luz. Cada terminal sináptica hace hasta 500 contactos con células horizontales y células bipolares . ^[1] Estas células intermedias (junto con las células amacrinas ) realizan comparaciones de señales de fotorreceptores dentro de un campo receptivo , pero sus funciones precisas no se comprenden bien. La señal permanece como una polarización gradual en todas las células hasta que llega a las CGR , donde se convierte en un potencial de acción y se transmite al cerebro. ^[1]

Las células fotorreceptoras implicadas en la visión de los vertebrados son los bastones , los conos y las células ganglionares fotosensibles (ipRGC). Estas células contienen un cromóforo ( 11- cis -retinal , el aldehído de la vitamina A1 y la porción que absorbe la luz) que está unido a una proteína de la membrana celular, la opsina . Los bastones son responsables de la visión en condiciones de baja intensidad de luz y de detección de contraste. Debido a que todos tienen la misma respuesta en todas las frecuencias, no se puede deducir información de color solo de los bastones, como en condiciones de poca luz, por ejemplo. Los conos, por otro lado, son de diferentes tipos con diferentes respuestas de frecuencia, de modo que el color se puede percibir a través de la comparación de las salidas de diferentes tipos 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 los conos L, los conos M y los conos S, que responden de forma óptima a longitudes de onda largas (color rojizo), longitudes de onda medias (color verdoso) y longitudes de onda cortas (color azulado), respectivamente. Los humanos tienen visión fotópica tricromática que consta de tres canales de procesos oponentes que permiten la visión del color . ^[2] Los fotorreceptores de bastones son el tipo de célula más común en la retina y se desarrollan bastante tarde. La mayoría de las células se vuelven posmitóticas antes del nacimiento, pero la diferenciación ocurre después del nacimiento. En la primera semana después del nacimiento, las células maduran y el ojo se vuelve completamente funcional en el momento de la apertura. El pigmento visual rodopsina (rho) es el primer signo conocido de diferenciación en los bastones. ^[3]

Para comprender el comportamiento de los fotorreceptores ante las intensidades de luz, es necesario comprender el papel de las diferentes corrientes.

Existe una corriente de salida de potasio continua a través de canales selectivos de K ⁺ no regulados . Esta corriente de salida tiende a hiperpolarizar el fotorreceptor en torno a −70 mV (el potencial de equilibrio para K ⁺ ).

También hay una corriente de sodio entrante transportada por los canales de sodio regulados por cGMP . Esta " corriente oscura " despolariza la célula a alrededor de -40 mV. Esto es significativamente más despolarizado que la mayoría de las otras neuronas.

Una alta densidad de bombas de Na ⁺ -K ⁺ permite que el fotorreceptor mantenga una concentración intracelular constante de Na ⁺ y K ⁺ .

Cuando la intensidad de la luz aumenta, el potencial de la membrana disminuye (hiperpolarización). Esto se debe a que al aumentar la intensidad, se reduce la liberación del neurotransmisor estimulante glutamato de los fotorreceptores. Cuando la intensidad de la luz disminuye, es decir, en el ambiente oscuro, aumenta la liberación de glutamato por los fotorreceptores. Esto aumenta el potencial de membrana y produce la despolarización de la membrana. ^[1]

Las células fotorreceptoras son células inusuales, ya que 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 −60 mV.

En la oscuridad, los niveles de GMPc son altos y mantienen abiertos los canales de sodio regulados por GMPc, lo que permite una corriente entrante 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 del voltaje. Una mayor 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 es excitatorio, funciona aquí como un neurotransmisor inhibidor.

En la vía del cono, el glutamato:

• Hiperpolariza las células bipolares centradas . 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 no específicos 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 lugar a una corriente catiónica entrante que despolariza la célula bipolar.

En resumen: la luz cierra los canales de sodio regulados por cGMP, lo que reduce la entrada de iones Na ⁺ y Ca2 ⁺ . Detener la entrada de iones Na ⁺ desactiva de manera efectiva la corriente oscura. La reducción de esta corriente oscura hace que el fotorreceptor se hiperpolarice , lo que reduce la liberación de glutamato, lo que a su vez reduce la inhibición de los nervios retinianos, lo que conduce a la excitación de estos nervios. Esta entrada reducida de Ca2 ⁺ durante la fototransducción permite la desactivación y la recuperación de la fototransducción, como se analiza a continuación en § Desactivación de la cascada de fototransducción.

1. Un fotón interactúa con una molécula de retinal en un complejo de opsina en una célula fotorreceptora . El retinal sufre isomerización , cambiando de la configuración 11- cis -retinal a la configuración todo- trans -retinal.
2. Por lo tanto, la opsina sufre un cambio conformacional a metarrodopsina II.
3. 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.
4. El complejo subunidad alfa-GTP activa la fosfodiesterasa , también conocida como PDE6. Se une a una de las dos subunidades reguladoras de la PDE (que es un tetrámero) y estimula su actividad.
5. La PDE hidroliza el cGMP y forma GMP . Esto reduce la concentración intracelular de cGMP y, por lo tanto, los canales de sodio se cierran. ^[5]
6. El cierre de los canales de sodio provoca hiperpolarización de la célula debido al continuo eflujo de iones de potasio.
7. La hiperpolarización de la célula provoca el cierre de los canales de calcio dependientes del voltaje.
8. A medida que el nivel de calcio en la célula fotorreceptora disminuye, la cantidad del neurotransmisor glutamato que libera la célula también disminuye. 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 (consulte las proteínas SNARE ).
9. Una disminución en la cantidad de glutamato liberado por los fotorreceptores provoca la despolarización de las células bipolares del centro (células bipolares cono y bastón) y la hiperpolarización de las células bipolares cono-descentradas.

En presencia de luz, los niveles bajos de cGMP cierran los canales de Na ⁺ y Ca2 ⁺ , lo que reduce el Na ⁺ y Ca2 ⁺ intracelular . 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:

1. El bajo nivel intracelular de Ca ²⁺ hace que el Ca ²⁺ se disocie de la proteína activadora de la guanilato ciclasa (GCAP). La GCAP liberada finalmente restaura los niveles de GMPc reducidos, lo que vuelve a abrir los canales de cationes regulados por GMPc (restaurando la corriente oscura).
2. ^{Un nivel bajo de Ca 2+} intracelular hace que el Ca ²⁺ se disocie de la proteína activadora de GTPasa (GAP), también conocida como reguladora de la señalización de la proteína G. La GAP liberada desactiva la transducina, terminando la cascada de fototransducción (restaurando la corriente oscura).
3. ^{El Ca 2+} intracelular bajo hace que la Ca-recoverina-RK intracelular se disocie en Ca ²⁺ y recoverina y rodopsina quinasa (RK). La RK liberada fosforila la metarrodopsina II, lo que reduce su afinidad de unión con la transducina. La arrestina luego desactiva por completo la metarrodopsina II fosforilada, terminando la cascada de fototransducción (restaurando la corriente oscura).
4. El bajo nivel intracelular de Ca ²⁺ hace que el complejo Ca ²⁺ / calmodulina dentro de los canales catiónicos regulados por cGMP sea más sensible a niveles bajos de cGMP (manteniendo así abierto el canal catiónico regulado por cGMP incluso a niveles bajos de cGMP, restaurando la corriente oscura) ^[6]

Más detalladamente:

La proteína aceleradora de la 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 detiene así la acción de la fosfodiesterasa, deteniendo la transformación de cGMP a GMP. Se descubrió 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. ^[7]

En otras palabras: la proteína activadora de la guanilato ciclasa (GCAP) es una proteína que se une al calcio y, a medida que los niveles de calcio en la célula disminuyen, la GCAP se disocia de los iones de calcio unidos a ella e interactúa con la guanilato ciclasa, activándola. La guanilato ciclasa luego procede a transformar el GTP en cGMP, reponiendo los niveles de cGMP de la célula y, por lo tanto, reabriendo los canales de sodio que se cerraron durante la fototransducción.

Finalmente, la metarrodopsina II se desactiva. La recoverina, otra proteína que se une al calcio, normalmente está unida a la rodopsina quinasa cuando el calcio está presente. Cuando los niveles de calcio caen durante la fototransducción, el calcio se disocia de la recoverina y la rodopsina quinasa se libera y fosforila 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, la fototransducción se desactiva y se restaura la corriente oscura y la liberación de glutamato. Se cree que esta vía, en la que la metarrodopsina II se fosforila y se une a la arrestina y, por lo tanto, se desactiva, es la 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.

El ciclo visual se produce a través de receptores acoplados a proteína G llamados proteínas retinilideno que consisten en una opsina visual y un cromóforo 11- cis -retinal . El 11- cis -retinal está unido covalentemente al receptor de opsina a través de la base de Schiff . Cuando absorbe un fotón , el 11- cis -retinal sufre fotoisomerización a todo -trans -retinal , que cambia la conformación del GPCR de opsina dando lugar a cascadas de transducción de señales que provocan el cierre del canal de cationes controlado por GMP cíclico y la hiperpolarización de la célula fotorreceptora. Después de la fotoisomerización, el todo- trans -retinal se libera de la proteína opsina y se reduce a todo- trans - retinol , que viaja al epitelio pigmentario de la retina para ser "recargado". Primero se esterifica por la lecitina retinol aciltransferasa (LRAT) y luego se convierte en 11- cis -retinol por la isomerohidrolasa RPE65 . Se ha demostrado la actividad isomerasa de RPE65; no se sabe con certeza si también actúa como hidrolasa. ^[8] Finalmente, se oxida a 11- cis -retinal antes de viajar de regreso al segmento externo de la célula fotorreceptora donde se conjuga nuevamente con una opsina para formar un nuevo pigmento visual funcional ( proteína retinilideno ), a saber, fotopsina o rodopsina .

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La fototransducción visual en invertebrados como la mosca de la fruta difiere de la de los vertebrados, descrita hasta ahora. La base principal de la fototransducción en invertebrados es el ciclo PI(4,5)P ₂ . En este, la luz induce el cambio conformacional en rodopsina y la convierte en meta-rodopsina. Esto ayuda a la disociación del complejo de proteína G. La subunidad alfa de este complejo activa la enzima PLC (PLC-beta) que hidroliza el PIP2 en DAG . Esta hidrólisis conduce a la apertura de los canales TRP y a la entrada de calcio. ^{[ cita requerida ]}

Las células fotorreceptoras de los invertebrados difieren morfológica y fisiológicamente de sus contrapartes de los vertebrados. La estimulación visual en los vertebrados provoca una hiperpolarización (debilitamiento) del potencial de membrana de los fotorreceptores, mientras que los invertebrados experimentan una despolarización con la intensidad de la luz. Los eventos monofotónicos producidos en condiciones idénticas en los invertebrados difieren de los de los vertebrados en cuanto a duración y tamaño. Asimismo, los eventos multifotónicos son más largos que las respuestas monofotónicas en los invertebrados. Sin embargo, en los vertebrados, la respuesta multifotónica es similar a la respuesta monofotónica. Ambos filos tienen adaptación a la luz y los eventos monofotónicos son más pequeños y rápidos. El calcio juega un papel importante en esta adaptación. La adaptación a la luz en los vertebrados se atribuye principalmente a la retroalimentación de calcio, pero en los invertebrados el AMP cíclico es otro control de la adaptación a la oscuridad. ^{[9] [ verificación necesaria ]}

• 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 materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.