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 ingresa al ojo, pasa a través del medio óptico, luego a las capas neurales 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 una 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 disminuye ( hiperpolarización ) a medida que aumenta la intensidad de la luz. Cada terminal sináptico realiza 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 funcionalidades precisas no se comprenden bien. La señal permanece como una polarización graduada 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 porción absorbente de 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 detecciones de contraste. Debido a que todos tienen la misma respuesta en todas las frecuencias, no se puede deducir información de color únicamente de las varillas, como ocurre, por ejemplo, en condiciones de poca luz. Los conos, por otro lado, son de diferentes tipos con diferente respuesta de frecuencia, de modo que el color puede percibirse mediante 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 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 humanos tienen visión fotópica tricromática que consta de tres canales de proceso opuestos que permiten la visión del color . [2] Los fotorreceptores de bastón 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 abrirse. El pigmento visual rodopsina (rho) es el primer signo conocido de diferenciación en los bastones. [3]
Para comprender el comportamiento del fotorreceptor ante intensidades de luz, es necesario comprender el papel de las diferentes corrientes.
Hay una corriente de salida continua de potasio a través de canales selectivos de K + no regulados . Esta corriente de salida tiende a hiperpolarizar el fotorreceptor alrededor de −70 mV (el potencial de equilibrio para K + ).
También hay una corriente de entrada de sodio transportada por canales de sodio activados por cGMP . Esta " corriente oscura " despolariza la célula a unos −40 mV. 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 + .
Cuando aumenta la intensidad de la luz, el potencial de la membrana disminuye (hiperpolarización). Porque a medida que aumenta 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 parte de los fotorreceptores. Esto aumenta el potencial de membrana y produce la despolarización de la membrana. [1]
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 −60 mV.
En la oscuridad, los niveles de cGMP son altos y mantienen abiertos los canales de sodio activados por cGMP, lo que permite una corriente constante hacia adentro, llamada corriente oscura. Esta corriente oscura mantiene la célula despolarizada a aproximadamente -40 mV, lo que provoca 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 suele ser excitador, funciona aquí como un neurotransmisor inhibidor.
En la vía de los conos, el glutamato:
En resumen: la luz cierra los canales de sodio activados por cGMP, reduciendo la entrada de iones Na + y Ca2 + . Detener la entrada de iones Na + desactiva efectivamente 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 lleva a la excitación de estos nervios. Esta reducción del influjo de Ca 2+ durante la fototransducción permite la desactivación y recuperación de la fototransducción, como se analiza a continuación en § Desactivación de la cascada de fototransducción.
En la luz, los niveles bajos de cGMP cierran los canales de Na + y Ca 2+ , reduciendo el Na + y Ca 2+ intracelular . Durante la recuperación ( adaptación a la oscuridad ), los niveles bajos de Ca 2+ inducen la recuperación (terminación de la cascada de fototransducción), de la siguiente manera:
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 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 guanilato ciclasa (GCAP) es una proteína fijadora de calcio y, a medida que los niveles de calcio en la célula han disminuido, la GCAP se disocia de sus iones de calcio unidos e interactúa con la guanilato ciclasa, activándola. Luego, la guanilato ciclasa procede a transformar GTP en cGMP, reponiendo los niveles de cGMP de la célula y reabriendo así los canales de sodio que se cerraron durante la fototransducción.
Finalmente, se desactiva la metarrodopsina II. La recuperación, otra proteína fijadora de 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 recovery y se libera rodopsina quinasa que fosforila la metarrodopsina II, lo que disminuye su afinidad por la transducina. Finalmente, la arrestina, otra proteína, se une a la metarodopsina II fosforilada, desactivándola por completo. Así, finalmente, se desactiva la fototransducción y se restablece 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.
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 una fotoisomerización a todo- trans -retinal , lo que cambia la conformación del GPCR de opsina, 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 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 "recargarse". 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; no se sabe 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 pigmento visual nuevo y funcional ( proteína retinilideno ), a saber, fotopsina o rodopsina .
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 de invertebrados es el ciclo PI(4,5)P 2 . Aquí, la luz induce el cambio conformacional en rodopsina y la convierte en metarodopsina. Esto ayuda en 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 la entrada de calcio. [ cita necesaria ]
Las células fotorreceptoras de los invertebrados difieren morfológica y fisiológicamente de sus homólogas 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 de fotón único producidos en condiciones idénticas en los invertebrados difieren de los de los vertebrados en el transcurso del tiempo y el tamaño. Asimismo, los eventos multifotónicos son más largos que las respuestas de un solo fotón en los invertebrados. Sin embargo, en los vertebrados, la respuesta multifotónica es similar a la respuesta de fotón único. Ambos filos tienen adaptación a la luz y los eventos de fotón único son más pequeños y más rápidos. El calcio juega un papel importante en esta adaptación. La adaptación a la luz en los vertebrados es atribuible principalmente a la retroalimentación del calcio, pero en los invertebrados el AMP cíclico es otro control de la adaptación a la oscuridad. [9] [ se necesita verificación ]
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