La fototransducción visual es el proceso de transducción sensorial del sistema visual mediante el cual la luz es detectada por las células fotorreceptoras (bastones y conos) en la retina de los vertebrados. 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 (RGC) que componen el nervio óptico.
Descripción general La luz entra en el ojo, pasa a través de los medios ópticos, luego por 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 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. La tasa de liberación del transmisor disminuye (hiperpolarización) a medida que aumenta la intensidad de la luz. Cada terminal sináptica establece hasta 500 contactos con células horizontales y células bipolares. 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 gradual en todas las células hasta que llega a las RGC, donde se convierte en un potencial de acción y se transmite al cerebro.
Fotorreceptores
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 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 la detección de contraste. Debido a que todos tienen la misma respuesta en todas las frecuencias, no se puede deducir información de color sólo 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 tenemos visión fotópica tricromática que consta de tres canales de procesos oponentes que permiten la visión del color. 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 postmitóticas 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. E.Y. Popova; C.J. Barnstable;(2019). "Chapter 15 - Insights Into the Epigenetics of Retinal Development and Diseases". https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814879-2.00016-9
Proceso de transducción Para comprender el comportamiento de los fotorreceptores ante las intensidades de luz, es necesario comprender el papel de las diferentes corrientes.
Hay una corriente continua de potasio hacia el exterior a través de canales K+ -selectivos no regulados. Esta corriente saliente tiende a hiperpolarizar el fotorreceptor alrededor de -70 mV (el potencial de equilibrio para K+).
También existe una corriente de sodio entrante transportada por canales de sodio regulados por cGMP. Esta "corriente oscura" despolariza la célula a alrededor de -40 voltios. Esta está significativamente más despolarizada 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). 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 los fotorreceptores. Esto aumenta el potencial de membrana y produce despolarización de la membrana.
En la oscuridad 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 voltaje
En la oscuridad, los niveles de cGMP son altos y mantienen abiertos los canales de sodio regulados por cGMP, permitiendo una corriente entrante constante, llamada corriente oscura. Esta corriente oscura mantiene la célula despolarizada a aproximadamente -40 mV, 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 de voltaje. Una mayor concentración intracelular de Ca2+ 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 excitatorio, funciona aquí como un neurotransmisor inhibidor.
En la vía del cono, el glutamato:
Hiperpolariza las células bipolares en el centro. 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 produce una corriente catiónica entrante que despolariza la célula bipolar.
En la luz 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+ apaga efectivamente la corriente oscura. La reducción de esta corriente oscura provoca la hiperpolarización del fotorreceptor, 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 recuperación de la fototransducción. miniaturadeimagen|500x500px| Representación de los pasos moleculares en la fotoactivación (modificado de Leskov et al., 2000 ). Se muestra un disco de membrana externa en una varilla. Paso 1 : El fotón incidente (hν) es absorbido y activa una rodopsina (también llamada fotopsina ) mediante un cambio conformacional en la membrana del disco a R*. Paso 2 : A continuación, R* establece contactos repetidos con moléculas de transducina, catalizando su activación a G* mediante la liberación de GDP unido a cambio de GTP citoplasmático, que expulsa sus subunidades β y γ. Paso 3 : G* se une a las subunidades inhibidoras γ de la fosfodiesterasa (PDE) activando sus subunidades α y β. Paso 4 : La PDE activada hidroliza el cGMP. Paso 5 : La guanilil ciclasa (GC) sintetiza cGMP, el segundo mensajero en la cascada de fototransducción. Los niveles reducidos de cGMP citosólico hacen que los canales regulados por nucleótidos cíclicos se cierren, impidiendo una mayor entrada de Na + y Ca2 + .
A El fotón interactúa con una molécula de retina 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. Por lo tanto, la opsina sufre un cambio conformacional a metarrodopsina II. 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. 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. La PDE hidroliza cGMP, formando GMP. Esto reduce la concentración intracelular de cGMP y, por lo tanto, los canales de sodio se cierran. El cierre de los canales de sodio provoca hiperpolarización de la célula debido al continuo eflujo de iones de potasio. La hiperpolarización de la célula provoca el cierre de los canales de calcio dependientes del voltaje. 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 se necesita calcio para que las vesículas que contienen glutamato se fusionen con la membrana celular y liberen su contenido (ver proteínas SNARE ). 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.
Desactivación de la cascada de fototransducción A la luz, niveles bajos de cGMP cierran los canales de Na+ y Ca2+, reduciendo el Na+ y Ca2+ intracelular. Durante la recuperación (adaptación a la oscuridad), los bajos niveles de Ca2+ inducen la recuperación (terminación de la cascada de fototransducción), de la siguiente manera:
El bajo nivel intracelular de Ca 2+ hace que el Ca 2+ se disocie de la proteína activadora de la guanilato ciclasa (GCAP). El GCAP liberado finalmente restaura los niveles de cGMP agotados, lo que reabre los canales de cationes regulados por cGMP (restaurando la corriente oscura). El bajo nivel intracelular de Ca 2+ hace que el Ca 2+ se disocie de la proteína activadora de GTPasa (GAP), también conocida como regulador de la señalización de la proteína G. La GAP liberada desactiva la transducina, terminando la cascada de fototransducción (restaurando la corriente oscura). El bajo nivel intracelular de Ca 2+ hace que la Ca-recoverina-RK intracelular se disocie en Ca 2+ y recoverina y rodopsina quinasa (RK). La RK liberada luego fosforila la metarrodopsina II, reduciendo su afinidad de unión con la transducina. Luego, la arrestina desactiva completamente la metarrodopsina II fosforilada, terminando la cascada de fototransducción (restaurando la corriente oscura). 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)
Más detalladamente: