Fototransdución visual

A fototransdución visual é o proceso de transdución sensorial do sistema visual polo cal se detecta a luz e produce impulsos nerviosos nos bastóns e conos da retina do ollo en humanos e outros vertebrados. Depende do ciclo visual, unha secuencia de reaccións bioquímicas nas cales unha molécula de retinal unida a unha opsina sofre fotoisomerizacióon, inicia un cadoiro de reaccións que sinala a detección dun fotón e restáurase indirectamente á súa forma isómera fotosensible para poder reutilizarse. A fototransdución nalgúns invertebrados como a mosca do vinagre depende de procesos similares.

As células fotorreceptoras implicadas na visión dos vertebrados son os bastóns, os conos e as células ganglionares fotosensibles. Os conos e bastóns conteñen un cromóforo (11-cis-retinal, o aldehido da vitamina A1 e porción que absorbe luz) que está unida a unha proteína da membrana plasmática chamada opsina, e as células ganglionares fotosensibles conteñen unha opsina especial, a melanopsina. Os bastóns encárganse de captar os niveis baixos de luz e non interveñen na visión das cores. Os conos poden codificar a cor dunha imaxe por medio da comparación dos sinais de saída que envían os tres tipos de conos que existen. Cada tipo de cono responde mellor a certas lonxitudes de onda (ou cores) da luz porque cada tipo ten unha opsina lixeiramente diferente. Os tres tipos de conos son os conos L, M e S, que responden optimamente a lonxitudes de onda longas (cor avermellada), lonxitudes medias (cor verdosa) e e curtas (cor azulado), respectivamente. Os humanos teñen unha visión fotópica tricromática que consta de tres canais de proceso opoñente que permiten a visión das cores.^[1]

O ciclo visual ocorre por medio de receptores acoplados á proteína G chamados proteínas retinilideno, que constan dunha opsina visual e un cromóforo 11-cis-retinal. O 11-cis-retinal está ligado covalentemente ao receptor opsina por medio da formación dunha base de Schiff. Cando absorbe un fotón, o 11-cis-retinal sofre fotoisomerización a todo-trans-retinal, que cambia a conformación da opsina GPCR orixinando cadoiros de transdución de sinais que causan o peche dunha canle catiónica regulada por GMP cíclico e a hiperpolarización da célula fotorreceptora.

Despois da fotoisomerización, o todo-trans-retinal é liberado da proteína opsina e reducido a todo-trans-retinol, que viaxa ao epitelio pigmentado da retina para ser "recargado". É primeiramente esterificado pola lecitina retinol aciltransferase (LRAT) e despois convertida en 11-cis-retinol pola isomerohidrolase RPE65. Observouse a actividade isomerase do RPE65; non está claro se tamén actúa como hidrolase. Finalmente, é oxidado a 11-cis-retinal antes de viaxar de volta ao segmento externo da célula fotorreceptora, onde de novo se conxuga cunha opsina para formar novo pigmento visual funcional (proteína retinilideno), concretamente fotopsina ou rodopsina.

Para comprendermos o comportamento fotorreceptor ante as intensidades da luz, cómpre entender os papeis exercidos por diferentes correntes iónicas que crean potenciais eléctricos.

Hai unha corrente sostida de potasio cara ao exterior a través de canles selectivas de K⁺ non reguladas. Esta corrente cara ao exterior tende a hiperpolarizar o fotorreceptor a uns −70 mV (o potencial de equilibrio para o K⁺).

Hai tamén unha corrente de sodio cara ao interior a través de canles de sodio reguladas polo GMPc. Esta "corrente escura" despolariza a célula a uns −40 mV. Nótese que este é un valor significativamente máis despolarizado que o da maioría das outras neuronas

Unha alta densidade de bombas de Na⁺-K⁺ permite que o fotorreceptor manteña unha concentración intracelular estable de Na⁺ e K⁺.

As células fotorreceptoras son células pouco comúns polo feito de que se despolarizan en resposta á ausencia de estímulos luminosos ou condicións escotópicas (escuridade). En condicións fotópicas (luz), os fotorreceptores hiperpolarízanse a un potencial de −60 mV.

Na escuridade, os niveis de GMPc son altos e maneñen abertas as canles de sodio reguladas por GMPc permitindo que haxa unha corrente cara ao interior estable, chamada "corente escura". Esta corrente mantén a célula despolarizada a uns −40 mV, causando a liberación de glutamato, que inhibe a excitación das neuronas.

A despolarización da membrana plasmática en condicións escotópicas abre canles de calcio reguladas por voltaxe. Un incremento da concentración intracelular de Ca²⁺ causa que as vesículas que conteñen glutamato, un neurotransmisor, se fusionen coa membrana celular, liberando así glutamato na fenda sináptica, unha área entre o extremo dunha célula e o principio doutra neurona. O glutamato, aínda que normalmente é excitatorio, funciona aquí como un neurotransmisor inhibidor.

Na vía dos conos o glutamato causa o seguinte:

• Hiperpolariza as células bipolares on-center. O glutamato que se libera dos fotorreceptores na escuridade únese a receptores de glutamato metabotrópico (o mGluR6), que, por medio dun mecanismo acoplado á proteína G, causa que se pechen canles catiónicas non específicas da célula, hiperpolarizando así a célula bipolar.
• Despolariza as células bipolares off-center. A unión do glutamato a receptores de glutamato ionotrópicos ten como resultado unha corrente catiónica cara ao interior que despolariza a célula bipolar.

En resumo: a luz pecha as canles de sodio reguladas polo GMPc, reducindo o influxo de ións Na⁺ e Ca²⁺. Ao cesar o influxo de ións Na⁺ cambia a off a corrente escura. Ao reducirse esta corrente escura o fotorreceptor hiperpolarízase, o cal reduce a liberación de glutamato, o cal reduce a inhibición dos nervios retinais, orixinando a excitación deses nervios. Este influxo reducido de Ca²⁺ durante a fototransdución permite a desactivación e recuperación da fototransdución, como se discute máis abaixo en § Desactivación do cadoiro de fototransdución.

1. Un fotón de luz interacciona cunha molécula de retinal nun complexo opsina nunha célula fotorreceptora. O retinal sofre isomerización, cambiando da configuración 11-cis-retinal á todo-trans-retinal.
2. A opsina sofre un cambio conformacional a metarrodopsina II.
3. A metarrodopsina II activa unha proteína G chamada transducina. Isto causa que a transducina se disocie do GDP unido a ela, e únese ao GTP; despois a subunidade alfa da transducina disóciase das subunidades beta e gamma, co GTP aínda unido á subinidade alfa.
4. O complexo subunidade alfa-GTP activa a fosfodiesterase, tamén coñecida como PDE6. Únese a unha das dúas subunidades regulatorias da PDE (a cal a´súa vez é un tetrámero) e estimula a súa actividade.
5. A PDE hidroliza o GMPc, formando GMP. Isto rebaixa a concentración intracelular de GMPc e, por tanto, pecha a canle de sodio.^[3]
6. O peche das canles de sodio causa hiperpolarización da célula debido ao efluxo sostido de ións potasio.
7. A hiperpolarización da célula causa o peche das canles de calcio reguladas por voltaxe.
8. A medida que os niveis de calcio na célula fotorreceptora caen, a cantidade de neurotransmisor glutamato que libera a célula tamén cae. Isto débese a que o calcio cómpre para que as vesículas que conteñen glutamato se fusionen coa membrana plasmática liberando o seu contido (ver proteínas SNARE).
9. Unha diminución na cantidade de glutamato liberado polos fotorreceptores causa a despolarización das células bipolares on-center (células bipolares on de bastóns e conos) e a hiperpolarización das células bipolares off-center de conos.

Na luz os baixos niveis de GMPc pechan as canles de Na⁺ e Ca²⁺, reducindo o Na⁺ e Ca²⁺ intracelular. Durante a recuperación (adaptación á escuridade), os niveis baixos de Ca²⁺ inducen a recuperación (terminación do cadoiro de fototransdución) como segue:

1. O baixo nivel intracelular de Ca²⁺ causa que o Ca²⁺ se disocie da proteína activadora da guanilato ciclase (GCAP). A GCAP liberada restaura finalmente os niveis diminuídos de GMPc, o cal reabre as canles catiónicas reguladas por GMPc (restaurando a corrente escura).
2. O baixo nivel de Ca²⁺ intracelular causa que o Ca²⁺ se disocie da proteína activadora da GTPase (GAP), tamén chamada regulador da sinalización da proteína G. O GAP liberado desactiva a tansducina, terminando o cadoiro de fototransdución (restaurando a corrente escura).
3. O baixo nivel de Ca²⁺ intracelular fai que se disocie o Ca-recoverina-RK intracelular nos seus tres compoñentes libres: Ca²⁺, recoverina e rodopsina quinase (RK). A rodopsina quinase liberada fosforila despois a metarrodopsina II, reducindo a súa afinidade de unión pola transducina. A arrestina desactiva despois completamente a metarrodopsina II fosforilada, terminando o cadoiro de fototransdución (restaurando a corrente escura).
4. Os niveis baixos de Ca²⁺ intracelular fan que o complexo Ca²⁺/calmodulina das canles catiónicas reguladas por GMPc sexa máis sensible aos niveis baixos de GMPc (mantendo deste xeito abertas as canles catiónicas reguladas por GMPc incluso a niveis baixos de GMPc, restaurando a corrente escura)^[4]

Con maior detalle:

A proteína aceleradora da GTPase (GAP) dos RGS (reguladores da sinalización da proteína G) interacciona coa subunidade alfa da transducina, e causa que esta hidrolice o GTP que tiña unido orixinando GDP, e así detén a acción de fosfodiesterase, parando a transformación do GMPc en GMP. Este paso de desactivación do cadoiro de fototransdución (a desactivación do trasdutor da proteína G) é o paso limitante na desactivación do cadoiro de fototransdución.^[5]

Noutras palabras: a proeína activadora da guanilato ciclase (GCAP) é unha proteína de unión ao calcio e a medida que os niveis de calcio na célula decrecen, a GCAP disóciase dos ións de calcio que tiña unidos e interacciona coa guanilato ciclase, activándoa. A guanilato ciclase entón procede a transformar o GTP a GMPc, enchendo de novo os niveis de GMPc da célula e reabrindo así as canles de sodio que estaban pechados durante a fototransdución.

Finalmente, a metarrodopsina II é desactivada. A recoverina, outra proteína que se une ao calcio, está normalmente unida á rodopsina quinase cando está presente o calcio. Cando os niveis de calcio caen durante a fototransdución, o calcio disóciase da recoverina e a rodopsina quinase libérase e fosforila a metarrodopsina II, a cal diminúe a súa afinidade pola transducina. Finalmente, a arrestina, outra proteína, únese á metarrodopsina II fosforilada, desactivándoa completamente. Deste xeito, finalmente a fototransdución é desactivada e a corrente escura e a liberación de glutamato son restauradas. É esta vía, na que a metarrodopsina II é fosforilada e unida á arrestina e así desactivada, a que se cre é a causa do compoñente S2 da adaptación á escuridade. O compoñente S2 representa unha sección linear da función de adaptación á escuridade presente ao principio da adapación á escuridade para todas as intensidades de branqueo.

O proceso de fototransdución en invertebrados como a mosca do vinagre Drosophila melanogaster é diferente do observado en vertebrados. O ciclo PI(4,5)P₂ está na base do proceso de fototransdución. Aquí, a luz induce o cambio conformacional da rodopsina e convértea en meta-rodopsina. Isto axuda na disociación do complexo da proteína G. A subunidade alfa deste complexo activa o encima fosfolipase C (PLC-beta) que hidroliza o fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2) a diglicérido. Esta hidrólise causa a apertura das canles de potencial receptor transitorio e un influxo de calcio.

• Moiseyev G, Chen Y, Takahashi Y, Wu BX, Ma JX. RPE65 is the isomerohydrolase in the retinoid visual cycle. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005 Article.
• Jin M, Li S, Moghrabi WN, Sun H, Travis GH. Rpe65 is the retinoid isomerase in bovine retinal pigment epithelium. Cell. 2005 Article.

• Visual pigments and visual transduction en med.utah.edu
• Transduction of Light Prezi
• A General Overview on Visual Perception en brynmawr.edu Arquivado 09 de xullo de 2011 en Wayback Machine.
• Phototransduction Medical Subject Headings (MeSH) na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA.