Fototransdução visual - Visual phototransduction

O Ciclo Visual. hν = fóton incidente

A fototransdução visual é a transdução sensorial do sistema visual . É um processo pelo qual a luz é convertida em sinais elétricos nas células dos bastonetes , nos cones e nas células ganglionares fotossensíveis da retina do olho . Este ciclo foi elucidado por George Wald (1906–1997), pelo qual recebeu o Prêmio Nobel em 1967. É o assim chamado "Ciclo Visual de Wald" em sua homenagem.

O ciclo visual é a conversão biológica de um fóton em um sinal elétrico na retina. Esse processo ocorre por meio de receptores acoplados à proteína G chamados opsinas, que contêm o cromóforo 11-cis retinal . O retinal 11-cis está covalentemente ligado ao receptor de opsina via base de Schiff, formando a proteína retinilideno . Quando atingido por um fóton , o retinal 11-cis sofre fotoisomerização para retinal totalmente trans, o que altera a conformação da opsina GPCR levando a cascatas de transdução de sinal que causam o fechamento do canal catiônico fechado por GMP cíclico e hiperpolarização da célula fotorreceptora.

Após a isomerização e liberação da proteína opsina , todo trans retinal é reduzido a todo trans retinol e viaja de volta ao epitélio pigmentar da retina para ser "recarregado". É primeiramente esterificado pela lecitina retinol aciltransferase (LRAT) e então convertido em 11-cis retinol pela isomerohidrolase RPE65 . A atividade isomerase de RPE65 foi demonstrada; ainda não se sabe se ele também atua como hidrolase. Finalmente, é oxidado a 11-cis retinal antes de viajar de volta ao segmento externo do bastão , onde é novamente conjugado a uma opsina para formar um novo pigmento visual funcional ( rodopsina ).

Fotorreceptores

As células fotorreceptoras envolvidas na visão são os bastonetes e os cones . Essas células contêm um cromóforo ( 11-cis retinal , o aldeído da vitamina A1 e a porção que absorve a luz) ligado à proteína da membrana celular, opsina . As hastes lidam com o nível de luz baixa e não medeiam a visão de cores. Os cones, por outro lado, podem codificar a cor de uma imagem por meio da comparação das saídas dos três diferentes tipos de cones. Cada tipo de cone responde melhor a certos comprimentos de onda , ou cores, de luz porque cada tipo tem uma opsina ligeiramente diferente. Os três tipos de cones são L-cones, M-cones e S-cones que respondem otimamente a comprimentos de onda longos (cor avermelhada), comprimentos de onda médios (cor esverdeada) e comprimentos de onda curtos (cor azulada), respectivamente. Os humanos têm um sistema visual tricromático que consiste em três sistemas únicos, bastonetes, cones sensíveis a comprimentos de onda médio e longo (vermelho e verde) e cones sensíveis a comprimentos de onda curtos (azuis).

Processar

A absorção da luz leva a uma mudança isomérica na molécula da retina.

Para compreender o comportamento do fotorreceptor às intensidades da luz, é necessário compreender os papéis das diferentes correntes.

Existe uma corrente contínua de potássio para fora através dos canais seletivos de K + não alongados . Esta corrente externa tende a hiperpolarizar o fotorreceptor em torno de -70 mV (o potencial de equilíbrio para K + ).

Há também uma corrente interna de sódio transportada pelos canais de sódio controlados por cGMP . Esta chamada ' corrente escura ' despolariza a célula para cerca de -40 mV. Observe que isso é significativamente mais despolarizado do que a maioria dos outros neurônios.

Uma alta densidade de bombas de Na + -K + permite que o fotorreceptor mantenha uma concentração intracelular constante de Na + e K + .

No escuro

As células fotorreceptoras são células incomuns, pois despolarizam em resposta à ausência de estímulos ou condições escotópicas (escuridão). Em condições fotópicas (luz), os fotorreceptores hiperpolarizam para um potencial de -60mV.

No escuro, os níveis de cGMP são altos e mantêm os canais de sódio controlados por cGMP abertos, permitindo uma corrente interna constante, chamada de corrente escura. Essa corrente escura mantém a célula despolarizada em cerca de -40 mV, levando à liberação de glutamato que inibe a excitação dos neurônios.

A despolarização da membrana celular em condições escotópicas abre canais de cálcio dependentes de voltagem. Um aumento da concentração intracelular de Ca 2+ faz com que vesículas contendo glutamato, um neurotransmissor , se fundam com a membrana celular, liberando assim o glutamato na fenda sináptica , uma área entre o final de uma célula e o início de outro neurônio . O glutamato, embora geralmente excitatório, funciona aqui como um neurotransmissor inibitório.

No glutamato da via do cone:

  • Hiperpolariza as células bipolares no centro . O glutamato que é liberado dos fotorreceptores no escuro se liga aos receptores metabotrópicos de glutamato ( mGluR6 ), que, por meio de um mecanismo de acoplamento da proteína G, faz com que canais de cátions não específicos nas células se fechem, hiperpolarizando assim a célula bipolar.
  • Despolariza as células bipolares descentralizadas. A ligação do glutamato aos receptores ionotrópicos de glutamato resulta em uma corrente catiônica interna que despolariza a célula bipolar.

Na Luz

Em resumo: a luz fecha os canais de sódio controlados por cGMP, reduzindo o influxo de íons Na + e Ca 2+ . Parar o influxo de Na + iões efectivamente muda fora da corrente escura. A redução dessa corrente escura faz com que o fotorreceptor hiperpolarize , o que reduz a liberação de glutamato, o que reduz a inibição dos nervos retinais, levando à excitação desses nervos. Este influxo reduzido de Ca 2+ durante a fototransdução permite a desativação e recuperação da fototransdução, conforme discutido em Fototransdução visual # Desativação da cascata de fototransdução .

Representação de etapas moleculares na fotoativação (modificado de Leskov et al., 2000). É representado um disco de membrana externa em uma haste. Etapa 1: O fóton incidente (hν) é absorvido e ativa uma rodopsina por mudança conformacional na membrana do disco para R *. Passo 2: Em seguida, R * faz contatos repetidos com moléculas de transducina, catalisando sua ativação em G * pela liberação de GDP ligado em troca de GTP citoplasmático, que expele suas subunidades β e γ. Etapa 3: G * liga subunidades γ inibidoras da fosfodiesterase (PDE) ativando suas subunidades α e β. Etapa 4: O PDE ativado hidrolisa o cGMP. Etapa 5: Guanylyl ciclase (GC) sintetiza cGMP, o segundo mensageiro na cascata de fototransdução. Os níveis reduzidos de cGMP citosólico fazem com que os canais bloqueados de nucleotídeos cíclicos se fechem, evitando um influxo adicional de Na + e Ca2 +.
  1. Um fóton de luz interage com a retina em uma célula fotorreceptora . A retinal sofre isomerização , mudando da configuração 11- cis para all- trans .
  2. Opsin, portanto, sofre uma mudança conformacional para metarodopsina II.
  3. Metarodopsina II ativa uma proteína G conhecida como transducina . Isso faz com que a transducina se dissocie de seu GDP ligado e se ligue ao GTP ; em seguida, a subunidade alfa da transducina se dissocia das subunidades beta e gama, com o GTP ainda ligado à subunidade alfa.
  4. O complexo da subunidade alfa-GTP ativa a fosfodiesterase , também conhecida como PDE6. Ele se liga a uma das duas subunidades regulatórias de PDE (que por sua vez é um tetrâmero) e estimula sua atividade.
  5. PDE hidrolisa cGMP , formando GMP . Isso diminui a concentração intracelular de cGMP e, portanto, os canais de sódio se fecham.
  6. O fechamento dos canais de sódio causa hiperpolarização da célula devido ao efluxo contínuo de íons de potássio.
  7. A hiperpolarização da célula faz com que os canais de cálcio dependentes de voltagem se fechem.
  8. À medida que o nível de cálcio na célula fotorreceptora diminui, a quantidade do neurotransmissor glutamato que é liberado pela célula também diminui. Isso ocorre porque o cálcio é necessário para que as vesículas contendo glutamato se fundam com a membrana celular e liberem seu conteúdo (ver proteínas SNARE ).
  9. Uma diminuição na quantidade de glutamato liberado pelos fotorreceptores causa despolarização das células bipolares no centro (bastonetes e cones nas células bipolares) e hiperpolarização das células bipolares fora do centro do cone.

Desativação da cascata de fototransdução

Na luz, níveis baixos de cGMP fecham os canais de Na + e Ca2 +, reduzindo o Na + e Ca2 + intracelular. Durante a recuperação ( adaptação ao escuro ), os níveis baixos de Ca2 + induzem a recuperação (término da cascata de fototransdução), como segue:

  1. O Ca2 + intracelular baixo faz com que o Ca2 + se dissocie da proteína ativadora da guanilato ciclase (GCAP). O GCAP liberado, em última análise, restaura os níveis de cGMP esgotados, o que reabre os canais de cátions controlados por cGMP (restaurando a corrente escura).
  2. Baixo faz com que o Ca2 + intracelular de Ca2 + para dissociar GTPase-activating proteína (GAP), também conhecido como regulador da sinalização de proteína G . O GAP liberado desativa a transducina , encerrando a cascata de fototransdução (restaurando a corrente escura).
  3. O Ca2 + intracelular baixo faz com que a Ca-recoverin-RK intracelular se dissocie em Ca2 + e a recoverina e a rodopsina quinase (RK). O RK liberado então fosforila a Metarodopsina II, reduzindo sua afinidade de ligação pela transducina . Arrestin então desativa completamente a metarodopsina II fosforilada, encerrando a cascata de fototransdução (restaurando a corrente escura).
  4. O Ca2 + intracelular baixo torna o complexo de Ca2 + / Calmodulina dentro dos canais de cátions protegidos por cGMP mais sensível a baixos níveis de cGMP (assim, mantendo o canal de cátions fechado por cGMP aberto mesmo em níveis baixos de cGMP, restaurando a corrente escura)

Em mais detalhes:

A GTPase Accelerating Protein (GAP) de RGS (reguladores de sinalização de proteína G) interage com a subunidade alfa da transducina, e faz com que ela hidrolise seu GTP ligado em GDP, e assim interrompe a ação da fosfodiesterase, parando a transformação de cGMP em GMP. Esta etapa de desativação da cascata de fototransdução (a desativação do transdutor de proteína G) foi considerada a etapa de limitação de taxa na desativação da cascata de fototransdução.

Em outras palavras: a proteína ativadora da guanilato ciclase (GCAP) é uma proteína de ligação ao cálcio e, como os níveis de cálcio na célula diminuíram, a GCAP se dissocia de seus íons de cálcio ligados e interage com a guanilato ciclase, ativando-a. A guanilato ciclase então passa a transformar o GTP em cGMP, reabastecendo os níveis de cGMP da célula e, assim, reabrindo os canais de sódio que foram fechados durante a fototransdução.

Finalmente, a Metarodopsina II é desativada. Recoverin, outra proteína de ligação do cálcio, normalmente se liga à rodopsina quinase quando o cálcio está presente. Quando os níveis de cálcio caem durante a fototransdução, o cálcio se dissocia da recuperina , e a rodopsina quinase é liberada e fosforila a metarodopsina II , o que diminui sua afinidade pela transducina. Finalmente, a arrestina, outra proteína, se liga à metarodopsina II fosforilada, desativando-a completamente. Assim, finalmente, a fototransdução é desativada, e a corrente escura e a liberação de glutamato são restauradas. É esta via, onde a Metarodopsina II é fosforilada e ligada à arrestina e, portanto, desativada, que se pensa ser responsável pelo componente S2 da adaptação ao escuro. O componente S2 representa uma seção linear da função de adaptação ao escuro presente no início da adaptação ao escuro para todas as intensidades de branqueamento.

O all- trans retinal é transportado para as células epiteliais do pigmento para ser reduzido a all- trans retinol, o precursor do 11- cis retinal. Isso é então transportado de volta para as hastes. All- trans retinal não pode ser sintetizado por seres humanos e devem ser fornecidos pela vitamina A na dieta. A deficiência de todo trans retinal pode levar à cegueira noturna . Isso faz parte do processo de branqueamento e reciclagem dos retinóides nos fotorreceptores e no epitélio pigmentar da retina.

Fototransdução em invertebrados

O processo de fototransdução em invertebrados como a mosca da fruta é diferente do dos vertebrados. O ciclo de PI (4,5) P 2 é a base do processo de fototransdução. Aqui, a luz induz a mudança conformacional em rodopsina e a converte em meta-rodopsina. Isso ajuda na dissociação do complexo G-proteína. Sub-unidade alfa de este complexo activa o PLC enzima (PLC-beta), que hidrolisam a PIP2 em DAG . Essa hidrólise leva à abertura dos canais de TRP e ao influxo de cálcio.

Referências

  • Moiseyev G, Chen Y, Takahashi Y, Wu BX, Ma JX. RPE65 é a isomerohidrolase no ciclo visual do retinóide. Proc. Natl. Acad. Sci. Artigo de 2005 .
  • Jin M, Li S, Moghrabi WN, Sun H, Travis GH. Rpe65 é a isomerase retinóide do epitélio pigmentar da retina bovina. Célula. Artigo de 2005 .

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