¿Cuáles son los principios químicos del fotorreceptor?

Mi tipo de pregunta.

En primer lugar, hay dos tipos de receptores: varillas y conos. En los humanos hay tres tipos de conos: rojo, verde y azul. Las barras están especializadas para trabajar a la luz de la luna y de las estrellas cuando los fotones son escasos. Los conos son para la visión diurna, funcionan muy rápidamente y son responsables de la visión del color. Este sistema de uso de dos tipos de fotorreceptores tiene la ventaja de la función visual en un rango más amplio de intensidades de luz, alrededor de 11 órdenes de magnitud en humanos. Estructuralmente, así es como miran las varillas y los conos:

Fuente de la imagen: The Visual Neurosciences, editado por Leo M. Chalupa, John S. Werner (2004)

Cada uno tiene un segmento interno y externo y un terminal sináptico. La principal diferencia entre una varilla y un cono en esta imagen es la forma en que se estructura el segmento externo. El segmento externo es donde se detectan los fotones de luz a través de cambios moleculares. En los conos, estas estructuras similares a sacos son simplemente pliegues de la membrana plasmática. En las barras, la estructura correspondiente se vuelve completamente pellizcada de la membrana plasmática, formando organelos intracelulares llamados discos. Nuevos discos se agregan continuamente en el cilio y los discos viejos se quitan de la parte superior donde el epitelio pigmentario de la retina los descompone. El elipsoide es una región que contiene una alta densidad de mitocondrias, que suministran ATP al segmento externo metabólicamente exigente. El elipsoide también tiene un alto índice de refracción y ayuda a canalizar fotones de luz hacia el segmento externo para su detección. El terminal sináptico es donde las señales del fotorreceptor cambian en el nivel de luz.

La proteína más importante, y la más abundante, en el segmento externo es la proteína rodopsina que captura la luz. Las proteínas de rodopsina se expresan de manera diferente en diferentes tipos de fotorreceptores, por ejemplo, los conos rojos y verdes tendrán diferentes proteínas de rodopsina. La rodopsina es la primera molécula en una serie responsable de la cascada de transducción y reside en (o en la superficie de) el material lipídico que comprende los cientos a miles de pares de membranas que se apilan a lo largo del segmento externo.

Resumen del proceso de fototransducción :

La fototransducción es muy similar en muchos aspectos a los procesos de transducción utilizados en una variedad de otros sistemas de señalización en el sistema nervioso. En la mayoría de los sistemas se activa una proteína receptora que causa la activación de una tercera proteína efectora que cambia la concentración citoplásmica de una segunda sustancia mensajera y que finalmente conduce a una modulación de la apertura del canal iónico en la membrana plasmática que controla la membrana celular potencial. Hay una diferencia importante en el sistema de fotorreceptores con respecto a otros sistemas; la presencia de estímulo (luz) desactiva la célula fotorreceptora, es decir, se hiperpolariza en luz.

Los siguientes pasos se toman en fototransducción;

1. Tras la absorción de un fotón de luz, la molécula de rodopsina se transforma en un estado enzimáticamente activo llamado R *
2. R * cataliza la activación de la transducina de la proteína G a G *
3. G * a su vez activa la proteína efectora fosfodiesterasa (PDE) a PDE *.
4. PDE * hidroliza el mensajero difusible cíclico guanosina monofosfato (cGMP) de modo que la concentración de cGMP disminuye, lo que lleva al cierre de los canales de iones cGMP-bloqueados en la membrana plasmática.

Cuando los canales iónicos cierran el flujo interno de iones Na +, que han mantenido a la célula despolarizada, se bloquea lo que hace que el fotorreceptor se hiperpolarice por la luz.

Fototransducción en detalle :

1. El pigmento visual: la parte más interesante del proceso de fototransducción es probablemente cómo los fotones de luz provocan cambios en la proteína que detecta los fotones, la rodopsina. La rodopsina es en realidad el nombre del pigmento visual que se encuentra en las varillas, pero a menudo se usa como un término general para referirse a cualquier pigmento visual. El pigmento visual consiste en una proteína llamada opsina y un cromóforo derivado de la vitamina A conocida como retina. La vitamina A se fabrica a partir de betacaroteno en los alimentos que comemos, y la proteína se fabrica en la célula fotorreceptora. La opsina y el cromóforo están unidos y están enterrados en las membranas del segmento externo. La absorción de un fotón por el isómero retiniano 11-cis dentro de la rodopsina tiene una alta probabilidad de (~ 0,67) desencadenar la isomerización retiniana desde la forma 11-cis hasta una forma totalmente trans que inicia cambios conformacionales en la molécula. La forma heteróloga más trans ya no se adapta perfectamente al bolsillo hidrofóbico, por lo que la molécula de rodopsina se filtra internamente, experimentando una serie de reordenamientos moleculares que conducen a su activación (R *). Según mi fuente (que data de 2004), se desconoce la estructura exacta de la rodopsina activada, aunque se han encontrado ciertas pistas para los tipos de cambios que deben ocurrir.

Varias transiciones ocurren con bastante rapidez, llevando dentro de ~ 100 microsegundos a la formación de un intermediario llamado metarhodopsina I. La siguiente transición, a la forma denominada metarhodopsina II, es importante ya que es el estado enzimáticamente activo que activa la transducina de la proteína G. La transición de metarhodopsin I a metarhodopsin II tarda de 1 a 10 milisegundos, dependiendo de la temperatura.

2. Activación catalítica de la transducina de la proteína G: la base molecular para la activación de la transducina es similar a la de cualquier otra cascada de proteína G en el sistema nervioso. Tras la unión de la proteína G inactiva a R *, la subunidad G- alfa libera su molécula unida de trifosfato de guanosina (GDP) y toma una molécula de trifosfato de guanosina (GTP) del citoplasma. La forma de G- alfa unida a GTP representa la entidad activa, denotada como G *. La molécula R * se separa de la transducina activada e inalterada por la interacción, es libre de interactuar con moléculas adicionales de la proteína G, catalizando así la activación de muchas moléculas de transducina durante su ciclo de vida.
R * solo puede activar la proteína G cuando las dos moléculas entran en contacto físico. Esto ocurre a través de la difusión lateral de las moléculas. En promedio, se requieren muchos encuentros antes de que las dos moléculas estén en la configuración precisa requerida para la unión. La activación de transducina por R * es el primer paso de amplificación es el proceso de transducción que trabaja para amplificar la señal de las moléculas de rodopsina. Las varillas y el cono difieren en cómo se amplifican sus cascadas de fototransducción y es por eso que las varillas son capaces de recolectar información a muy baja iluminación captando fotones individuales mientras que los conos trabajan con alta iluminación y reaccionan solo cuando los fotones son abundantes.

3. Acoplamiento de G * con la PDE : la PDE es de estructura dimérica, que comprende un par de subunidades hidrolíticas estrechamente homólogas (denominadas alfa y beta ). Cada una de las subunidades catalíticas se une a una pequeña subunidad gamma que en condiciones de reposo inhibe la PDE evitando la hidrólisis de cGMP. Cada molécula de G * disocia la subunidad gamma inhibidora de una de las subunidades hidrolíticas ( alfa o beta ). Debido a que hay un montón de G * flotando, generalmente ambos lados de las subunidades PDE se activan y se denota como PDE ** (PDE activado individualmente se denota como PDE *).

4. Hidrólisis de cGMP por la PDE ** – La PDE activada ** es una enzima altamente efectiva. PDE ** hidroliza cGMP a una velocidad cercana al límite establecido por difusión acuosa. Este paso es otro mecanismo de amplificación en la señal del fotorreceptor.

5. Apertura y cierre del canal por cGMP : en la oscuridad hay una concentración de cGMP en reposo de varios micromolar y esta acción tiene la acción de activar directamente los canales iónicos abiertos por nucleótidos cíclicos en la membrana plasmática. La disminución en la concentración de cGMP conduce al cierre de los canales; esto se ha demostrado que ocurre con un retraso de menos de milisegundos.

Durante la oscuridad, el fotorreceptor se mantiene despolarizado por la afluencia de iones Na + (80%) e iones Ca + (15%) e iones Mg2 + (5%). El intercambiador Na + / Ca2 +, K + continúa bombeando Ca2 + hacia fuera, de modo que la concentración citoplásmica de Ca2 + disminuye durante la iluminación, lo que hace que la célula se hiperpolarice.

Todo el proceso de transducción (dos imágenes para comparar) :

Fuente de la imagen: The Visual Neurosciences, editado por Leo M. Chalupa, John S. Werner (2004)

Fuente de la imagen: http://webvision.med.utah.edu/wp…

Inactivación de la fototransducción cascada:

La resolución rápida del tiempo en el sistema visual es crucial para la supervivencia. Sin embargo, el sistema visual general no puede ser más rápido que sus fotorreceptores, por lo que es necesario que los fotorreceptores sean lo más breves posible. Aquí es donde entra en juego la inactivación de la cascada de fototransducción del fotorreceptor. Para garantizar que la fotorrespuesta del fotorreceptor sea breve, se deben emplear mecanismos para que las moléculas residuales activadas creadas durante la fototransducción se eliminen después del uso. La velocidad de respuesta es más importante a intensidades de luz incrementadas en las cuales la amplificación puede ser sacrificada. A las intensidades más bajas, la velocidad de reposo es menos crítica.

Varillas y conos, ya que trabajan a diferentes intensidades de luz, tienen diferentes esquemas de inactivación. Como las barras funcionan a intensidades extremadamente bajas, se puede argumentar que la reproducibilidad tanto de la amplitud como del curso temporal del fotón único es importante, para que el sistema pueda contar mejor los fotones. Lo contrario es cierto para el sistema de conos, donde la forma de las respuestas a los golpes de fotones individuales es irrelevante; todo lo que importa es la forma de la respuesta promedio.

1. Inactivación de R * – Como R * realiza el primer paso de amplificación, la inactivación de la molécula fotopigmento es sin duda el aspecto más importante de la recuperación. Siempre que la rodopsina mantenga algún nivel de actividad catalítica, persiste una respuesta amplificada, que se asemeja a la presencia de luz constante y contribuye a la desensibilización y / o saturación de la célula.

Los mecanismos rápidos y lentos contribuyen al cierre de la rodopsina activada. Primero, R * está fosforilado; segundo, está limitado por la proteína arrestin. Estos dos pasos conducen a una enorme reducción en la actividad catalítica de la rodopsina. Después de estas etapas de inactivación rápida, la retinal totalmente trans-isopor fotoisomerizada se hidroliza a partir de la proteína opsina y, a su debido tiempo, se reemplaza por 11-cis retinal, lo que lleva finalmente al cierre total de la actividad catalítica.

El primer paso es el cierre (fosforilación de los residuos COOH terminales de la rodopsina) por la rodopsina quinasa, aunque otras proteínas quinasas, como la proteína quinasa C, pueden desempeñar un papel en algunas condiciones. La fosfilación de la rodopsina reduce sustancialmente su actividad catalítica y es esencial para la recuperación de la fotorrespuesta. Hay múltiples sitios potenciales
para la fosforilación por RK (rodopsina quinasa) en el dominio COOH-terminal de la rodopsina, seis de tales sitios en ratones y siete en humanos. Sin embargo, la espectroscopía de masa de péptidos COOH-terminales de rodopsina después de la exposición a la luz ha sugerido que la rodopsina es predominantemente monofosforilada después de un destello, lo que plantea la interesante posibilidad de que el gran número de sitios sirva simplemente para aumentar la tasa de fosforilación. Sin embargo, los experimentos en varillas de ratón transgénicas individuales han sugerido que la fosforilación múltiple es esencial para la recuperación rápida de la respuesta de fotón único encontrada en las varillas.

Después de la fosforilación, la proteína arrestina se une con alta afinidad a la fosforrodopsina. En las varillas de ratón que no expresan arrestin, la débil respuesta del flash aumenta a una amplitud máxima comparable a la de las barras normales, y comienza a recuperarse aproximadamente a la mitad de los niveles iniciales. Sin embargo, luego entra en un período de recuperación extremadamente lenta, disminuyendo con una constante de tiempo final que es del orden de 40 segundos. El transcurso del tiempo del declive final de la respuesta en las varillas de arrestin ausente es comparable al de la desaparición de metarhodopsin II.

El fracaso de la recuperación normal en estas varillas modificadas sugiere que la unión de arrestin es esencial para el rápido enfriamiento de la actividad de la rodopsina, y que en ausencia de arrestina, R * fosforilada debe esperar la hidrólisis del retinoide.
El hecho de que la falla de la recuperación normal ocurra bastante tarde en la respuesta sugiere que la actividad significativa de la rodopsina normalmente persiste a lo largo de la duración de la respuesta de un solo fotón. Disminuir la velocidad de la hidrólisis del trifosfato de guanosina (GTP) mediante transducina también ralentiza selectivamente la recuperación final de la respuesta débil del flash.

La inactivación de los pigmentos de conos también implica la fosforilación y la unión a arrestin. Como la recuperación de la fotorrespuesta se produce aproximadamente 10 veces más rápido en los conos que en las varillas, uno podría esperar que estos pasos de corte bioquímicos también se produzcan más rápidamente en los conos. De acuerdo con esta posibilidad fue el descubrimiento de una isoforma específica de cono de opsina quinasa (GRK7), que fue clonada por primera vez de la ardilla de tierra, y desde entonces se ha identificado en otros mamíferos también. Sin embargo, no está claro si esta isoforma específica de cono está especializada para una inactivación más rápida de R *, en parte debido a las aparentes diferencias en la expresión de RK y cinasas opinas de cono en diferentes especies. Por ejemplo, los conos de perros y cerdos expresan exclusivamente opsin cinasa de cono, mientras que los conos de ratón y de rata expresan solo RK y los conos de primate parecen expresar ambos.

Una segunda isoforma específica del cono de la maquinaria reguladora para la transducción es la arres arrestina. No muestra una unión detectable a la rodhopspsina activada por luz o fosforilada, lo que sugiere que tiene propiedades bioquímicas fundamentalmente diferentes de la arrestina de varilla. Su papel en la recuperación de la fotorrespuesta del cono aún no se ha determinado.

2. Inactivación de transducina y PDE: el paso para desactivar tanto la proteína G como su efector es la hidrólisis de GTP, es decir, la velocidad a la cual el fosfato terminal del GTP es escindido por la subunidad G- alfa . La actividad basal de GTPasa de transducina purificada es extremadamente baja, con un tiempo de renovación de minutos en lugar de segundos. Se sospecha que deben existir mecanismos para acelerar la velocidad de hidrólisis de GTP para explicar el cierre fisiológico rápido.

En los últimos años, se ha descubierto una familia completamente nueva de proteínas, llamadas proteínas RGS (reguladores de la señalización de la proteína G). Un miembro de esta familia, RGS9-1, se expresa en barras y aún más abundantemente en conos. En los fotorreceptores, RGS9-1 se asocia obligatoriamente con una subunidad beta de la proteína G huérfana, G- beta -5L. El complejo RGS9 / G- beta -5L resultante es esencial para lograr un cierre rápido normal de la respuesta de la luz, tanto en varillas como en conos.

En condiciones fisiológicas, parece que RGS9 / G- beta -5L solo afecta la actividad de GTPasa cuando G * está unido a la subunidad gamma de PDE, es decir, mientras que la PDE está en su forma activa, PDE *. Se sabe desde hace tiempo que la aceleración de la actividad de GTPasa está respaldada por PDE- gamma , pero el mecanismo por
que tanto PDE- gamma como RGS9 / G- beta -5L podrían funcionar juntos no está claro. Recientemente, se ha encontrado que PDE- gamma aumenta la afinidad de RGS9 / G- beta -5L por G- alfa , acelerando así la velocidad de hidrólisis de GTP y la tasa de recuperación de la respuesta de flash in vivo . Por lo tanto, la inactivación de G * / PDE * utiliza un elegante método de autorregulación, mediante el cual se evita que la transducina se apague antes de que se haya unido y activado la PDE.

Pigmentos visuales de Rod y Cone :

La cascada de transducción de varillas y conos es bastante similar. La principal diferencia está en el pigmento visual en varillas y conos. Como se mencionó anteriormente, los fotopigmentos en los fotorreceptores consisten en una opsina y un cromóforo. La secuencia exacta de aminoácidos de la opsina determina las diferencias espectrales entre fotopigmentos.

Fuente de la imagen: http://webvision.med.utah.edu/im…

El gráfico muestra el rango de longitudes de onda que cada fotorreceptor detecta. Cada fotorreceptor tiene diferentes tasas de absorbancia para diferentes longitudes de onda de luz. Se sabe que los conos rojos son los más sensibles a las longitudes de onda que alcanzan un máximo de 564nm, los conos verdes a 533nm y los conos azules a 437nm. Los monos y humanos del Viejo Mundo se llaman tricrómatas (tenemos 3 conos distintos para visión del color, algunas especies tienen 4-5 conos (tetracromato y pentachromat, respectivamente) y la mayoría tiene 2 conos (dicromáticos)). Si bien las varillas detectan longitudes de onda de un rango diferente al de los otros fotorreceptores y, por lo tanto, podrían contribuir a la visión del color, no lo hacen porque las varillas solo detectan fotones a niveles muy bajos de iluminación y se saturan con la iluminación diurna. También las conexiones posteriores en la retina lo hacen imposible; el color no es detectado por las células fotorreceptoras, sino por las células que vienen después.

Imagen que muestra sutiles diferencias en la estructura molecular de los fotopigmentos de cono rojo y verde en comparación con el pigmento de varilla de rodopsina:

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Densidades de varillas y conos en la retina humana:

En la retina humana, la varilla y los conos se distribuyen de manera diferente en diferentes partes de la retina.

Fuente de la imagen: http://webvision.med.utah.edu/im…

Este es un gráfico del ojo izquierdo. La densidad de conos es más alta en la fóvea, o el centro de la retina, mientras que las varillas dominan la periferia.

Transmitir la señal del fotorreceptor:

Los fotorreceptores señalan solo dos cosas, la presencia o ausencia de luz por hiperpolarización o despolarización, respectivamente. Las sinapsis de los fotorreceptores son estructural y funcionalmente tridimensionales. Una señal rica en información acoplada a un canal de capacidad intrínsecamente limitada, perdería información. Para evitar esto, el fotorreceptor ha desarrollado dos estrategias: 1) comprimir la señal usando el filtrado de paso de banda; 2) divida la señal filtrada en múltiples componentes y enrutelos a través de circuitos paralelos con propiedades apropiadamente coincidentes. Esto implica diferencias estructurales entre diferentes fotorreceptores y el procesamiento de la retina a través de las células horizontales y bipolares conectadas posteriormente. Para trabajar efectivamente en esta situación, los fotorreceptores emplean una sinapsis tridimensional.

Las células fotorreceptoras se conectan a dos tipos diferentes de células, células horizontales y bipolares. Hay dos tipos de sinapsis en el fotorreceptor, sinapsis invaginables (ON bipolar y las dendritas celulares horizontales) y sinapsis superficiales (dendritas bipolares OFF). El tipo de célula bipolar ON, como se ve en la imagen siguiente, es un tipo que reaccionará a la hiperpolarización de la célula fotorreceptora; esta celda está ENCENDIDA cuando la luz está encendida. La célula bipolar de tipo OFF responde a la despolarización de las células fotorreceptoras; esta celda está apagada cuando la luz está apagada. Los fotorreceptores liberan solo el neurotransmisor glutamato. Este mecanismo funciona a través de receptores de neurotransmisores excitadores e inhibidores en las dendritas de las células bipolares. Esto inicia las dos características ON, OFF distintas que pasan al cerebro. No profundizaré en el funcionamiento de estas células ya que está más allá del alcance de la pregunta. La cinta sináptica ata cientos de vesículas que contienen glutamato y liberan continuamente estas vesículas durante la oscuridad.

Fuente de la imagen: http://www.nature.com/nrm/journa…

Editar: Hecho. He hecho varios cambios a lo largo de la respuesta. Había demasiados para actualizar constantemente en cada cambio, lo estaba haciendo en pequeñas porciones con el tiempo. Probablemente sea mejor leer toda la respuesta nuevamente. La mayoría de los cambios implican información adicional.

Fuentes:
http://webvision.med.utah.edu/
The Visual Neurosciences, editado por Leo M. Chalupa, John S. Werner (2004)