stringtranslate.com

Визуальная фототрансдукция

Визуальная фототрансдукция — это процесс сенсорной трансдукции зрительной системы , посредством которого свет обнаруживается фоторецепторными клетками ( палочками и колбочками ) в сетчатке позвоночных . Фотон поглощается ретинальным хромофором (каждый связан с опсином ), который инициирует каскад сигналов через несколько промежуточных клеток, а затем через ретинальные ганглиозные клетки (РГК), составляющие зрительный нерв.

Обзор

Свет проникает в глаз, проходит через оптические среды, затем через внутренние нейронные слои сетчатки, прежде чем, наконец, достичь фоторецепторных клеток во внешнем слое сетчатки. Свет может поглощаться хромофором , связанным с опсином , который фотоизомеризует хромофор, инициируя как зрительный цикл , который «сбрасывает» хромофор, так и каскад фототрансдукции, который передает зрительный сигнал в мозг. Каскад начинается с градуированной поляризации ( аналоговый сигнал ) возбужденной фоторецепторной клетки, поскольку ее мембранный потенциал увеличивается от потенциала покоя -70 мВ пропорционально интенсивности света. В состоянии покоя фоторецепторные клетки непрерывно выделяют глутамат в синаптическом окончании для поддержания потенциала. [1] Скорость высвобождения трансмиттера снижается ( гиперполяризация ) по мере увеличения интенсивности света. Каждое синаптическое окончание создает до 500 контактов с горизонтальными клетками и биполярными клетками . [1] Эти промежуточные клетки (вместе с амакриновыми клетками ) выполняют сравнение сигналов фоторецепторов в рецептивном поле , но их точные функции не очень хорошо изучены. Сигнал остается в виде градуированной поляризации во всех клетках, пока не достигнет RGC , где он преобразуется в потенциал действия и передается в мозг. [1]

Фоторецепторы

Фоторецепторные клетки , участвующие в зрении позвоночных, — это палочки , колбочки и светочувствительные ганглиозные клетки (ipRGC). Эти клетки содержат хромофор ( 11- цис -ретиналь , альдегид витамина А1 и поглощающая свет часть), который связан с белком клеточной мембраны, опсином . Палочки отвечают за зрение при низкой интенсивности света и обнаружение контраста. Поскольку все они имеют одинаковую реакцию на частотах, никакая цветовая информация не может быть выведена только из палочек, как, например, в условиях низкой освещенности. Колбочки, с другой стороны, бывают разных видов с разной частотной характеристикой, так что цвет можно воспринимать путем сравнения выходных сигналов разных видов колбочек. Каждый тип колбочек лучше всего реагирует на определенные длины волн или цвета света, потому что каждый тип имеет немного отличающийся опсин. Три типа колбочек — это L-колбочки, M-колбочки и S-колбочки, которые оптимально реагируют на длинные волны (красноватый цвет), средние волны (зеленоватый цвет) и короткие волны (голубоватый цвет) соответственно. У людей трихроматическое фотопическое зрение, состоящее из трех каналов оппонирующих процессов , которые обеспечивают цветное зрение . [2] Палочковые фоторецепторы являются наиболее распространенным типом клеток в сетчатке и развиваются довольно поздно. Большинство клеток становятся постмитотическими до рождения, но дифференциация происходит после рождения. В первую неделю после рождения клетки созревают, и глаз становится полностью функциональным к моменту открытия. Зрительный пигмент родопсин (rho) является первым известным признаком дифференциации в палочках. [3]

Процесс трансдукции

Чтобы понять поведение фоторецептора в зависимости от интенсивности света, необходимо понять роль различных токов.

Существует постоянный выходящий ток калия через нерегулируемые K + -селективные каналы. Этот выходящий ток имеет тенденцию гиперполяризовать фоторецептор около −70 мВ (равновесный потенциал для K + ).

Также существует внутренний натриевый ток, переносимый цГМФ -зависимыми натриевыми каналами . Этот « темновой ток » деполяризует клетку примерно до −40 мВ. Это значительно более деполяризовано, чем большинство других нейронов.

Высокая плотность Na + -K + насосов позволяет фоторецептору поддерживать постоянную внутриклеточную концентрацию Na + и K + .

При увеличении интенсивности света потенциал мембраны уменьшается (гиперполяризация). Потому что при увеличении интенсивности уменьшается высвобождение стимулирующего нейротрансмиттера глутамата фоторецепторами. При уменьшении интенсивности света, то есть в темной среде, высвобождение глутамата фоторецепторами увеличивается. Это увеличивает мембранный потенциал и вызывает деполяризацию мембраны. [1]

В темноте

Фоторецепторные клетки — необычные клетки, поскольку они деполяризуются в ответ на отсутствие стимулов или скотопические условия (темнота). В фотопических условиях (свет) фоторецепторы гиперполяризуются до потенциала −60 мВ.

В темноте уровни цГМФ высоки и держат цГМФ-управляемые натриевые каналы открытыми, обеспечивая постоянный внутренний ток, называемый темновым током. Этот темновой ток поддерживает клетку деполяризованной на уровне около −40 мВ, что приводит к высвобождению глутамата , который подавляет возбуждение нейронов.

Деполяризация клеточной мембраны в скотопических условиях открывает потенциалзависимые кальциевые каналы. Повышенная внутриклеточная концентрация Ca 2+ заставляет везикулы, содержащие глутамат, нейротрансмиттер , сливаться с клеточной мембраной, тем самым высвобождая глутамат в синаптическую щель , область между концом одной клетки и началом другого нейрона . Глутамат, хотя обычно и возбуждающий, здесь функционирует как тормозной нейротрансмиттер.

В колбочковом пути глутамат:

В свете

Вкратце: Свет закрывает натриевые каналы, управляемые цГМФ, уменьшая приток ионов Na + и Ca 2+ . Остановка притока ионов Na + эффективно отключает темновой ток. Уменьшение этого темнового тока приводит к гиперполяризации фоторецептора , что уменьшает высвобождение глутамата, что, таким образом, уменьшает торможение ретинальных нервов, что приводит к возбуждению этих нервов. Этот уменьшенный приток Ca 2+ во время фототрансдукции обеспечивает деактивацию и восстановление после фототрансдукции, как обсуждается ниже в § Деактивация каскада фототрансдукции.

Представление молекулярных стадий фотоактивации (модифицировано из Leskov et al., 2000 [4] ). Изображен внешний мембранный диск в стержне. Шаг 1 : Падающий фотон (hν) поглощается и активирует родопсин (аналогично фотопсин ) путем конформационного изменения мембраны диска в R*. Шаг 2 : Затем R* осуществляет повторные контакты с молекулами трансдуцина, катализируя его активацию в G* путем высвобождения связанного GDP в обмен на цитоплазматический GTP, который вытесняет его β и γ субъединицы. Шаг 3 : G* связывает ингибирующие γ субъединицы фосфодиэстеразы (PDE), активируя ее α и β субъединицы. Шаг 4 : Активированная PDE гидролизует цГМФ. Шаг 5 : Гуанилилциклаза (GC) синтезирует цГМФ, второй мессенджер в каскаде фототрансдукции. Снижение уровня цитозольного цГМФ приводит к закрытию каналов, управляемых циклическими нуклеотидами, что предотвращает дальнейший приток Na + и Ca 2+ .
  1. Фотон взаимодействует с молекулой ретиналя в комплексе опсина в фоторецепторной клетке . Ретиналь подвергается изомеризации , изменяясь от 11- цис -ретиналя к полностью -транс -ретиналю.
  2. Таким образом, опсин претерпевает конформационные изменения, превращаясь в метародопсин II.
  3. Метародопсин II активирует белок G , известный как трансдуцин . Это заставляет трансдуцин диссоциировать от связанного с ним GDP и связывать GTP ; затем альфа-субъединица трансдуцина диссоциирует от бета- и гамма-субъединиц, при этом GTP все еще связан с альфа-субъединицей.
  4. Комплекс альфа-субъединицы-ГТФ активирует фосфодиэстеразу , также известную как ФДЭ6. Он связывается с одной из двух регуляторных субъединиц ФДЭ (которая сама по себе является тетрамером) и стимулирует ее активность.
  5. ФДЭ гидролизует цГМФ , образуя ГМФ . Это снижает внутриклеточную концентрацию цГМФ и, следовательно, натриевые каналы закрываются. [5]
  6. Закрытие натриевых каналов вызывает гиперполяризацию клетки из-за продолжающегося оттока ионов калия.
  7. Гиперполяризация клетки приводит к закрытию потенциалзависимых кальциевых каналов.
  8. По мере снижения уровня кальция в фоторецепторной клетке снижается и количество нейротрансмиттера глутамата, который выделяется клеткой. Это связано с тем, что кальций необходим для слияния везикул, содержащих глутамат, с клеточной мембраной и высвобождения их содержимого (см. белки SNARE ).
  9. Уменьшение количества глутамата, выделяемого фоторецепторами, вызывает деполяризацию on-центральных биполярных клеток (палочковых и колбочковых On-биполярных клеток) и гиперполяризацию колбочковых off-центральных биполярных клеток.

Деактивация каскада фототрансдукции

На свету низкие уровни цГМФ закрывают каналы Na + и Ca 2+ , снижая внутриклеточные Na + и Ca 2+ . Во время восстановления ( адаптации к темноте ) низкие уровни Ca 2+ вызывают восстановление (прекращение каскада фототрансдукции) следующим образом:

  1. Низкий уровень внутриклеточного Ca 2+ заставляет Ca 2+ диссоциировать от белка, активирующего гуанилатциклазу (GCAP). Освобожденный GCAP в конечном итоге восстанавливает истощенные уровни cGMP, что вновь открывает катионные каналы, управляемые cGMP (восстанавливая темновой ток).
  2. Низкий уровень внутриклеточного Ca 2+ приводит к диссоциации Ca 2+ от активирующего GTPase белка (GAP), также известного как регулятор сигнализации G-белка . Освобожденный GAP дезактивирует трансдуцин, завершая каскад фототрансдукции (восстанавливая темновой ток).
  3. Низкий внутриклеточный уровень Ca 2+ заставляет внутриклеточный Ca-recoverin-RK диссоциировать на Ca 2+ и recoveryin и родопсинкиназу (RK). Освобожденная RK затем фосфорилирует метародопсин II, снижая его связывающую способность с трансдуцином. Затем аррестин полностью дезактивирует фосфорилированный метародопсин II, завершая каскад фототрансдукции (восстанавливая темновой ток).
  4. Низкий уровень внутриклеточного Ca 2+ делает комплекс Ca 2+ / кальмодулин в катионных каналах, управляемых цГМФ, более чувствительным к низким уровням цГМФ (тем самым, удерживая катионный канал, управляемый цГМФ, открытым даже при низких уровнях цГМФ, восстанавливая темновой ток) [6]

Более подробно:

GTPase Accelerating Protein (GAP) RGS (регуляторы сигнализации G-белка) взаимодействует с альфа-субъединицей трансдуцина и заставляет ее гидролизовать связанный с ней GTP до GDP, и таким образом останавливает действие фосфодиэстеразы, останавливая преобразование cGMP в GMP. Было обнаружено, что этот этап дезактивации каскада фототрансдукции (дезактивация трансдуктора G-белка) является этапом, ограничивающим скорость дезактивации каскада фототрансдукции. [7]

Другими словами: белок, активирующий гуанилатциклазу (GCAP), является кальцийсвязывающим белком, и по мере снижения уровня кальция в клетке GCAP отделяется от связанных с ним ионов кальция и взаимодействует с гуанилатциклазой, активируя ее. Затем гуанилатциклаза продолжает преобразовывать ГТФ в цГМФ, пополняя уровень цГМФ в клетке и, таким образом, снова открывая натриевые каналы, которые были закрыты во время фототрансдукции.

Наконец, метародопсин II дезактивируется. Рековерин, другой связывающий кальций белок, обычно связан с родопсинкиназой, когда присутствует кальций. Когда уровень кальция падает во время фототрансдукции, кальций диссоциирует от рековерина, и родопсинкиназа высвобождается и фосфорилирует метародопсин II, что снижает его сродство к трансдуцину. Наконец, аррестин, другой белок, связывает фосфорилированный метародопсин II, полностью дезактивируя его. Таким образом, наконец, фототрансдукция дезактивируется, и темновой ток и высвобождение глутамата восстанавливаются. Именно этот путь, где метародопсин II фосфорилируется и связывается с аррестином и, таким образом, дезактивируется, как полагают, отвечает за компонент S2 темновой адаптации. Компонент S2 представляет собой линейный участок функции темновой адаптации, присутствующий в начале темновой адаптации для всех интенсивностей обесцвечивания.

Визуальный цикл

Поглощение света приводит к изомерному изменению молекулы ретиналя.

Зрительный цикл происходит через рецепторы, сопряженные с G-белком, называемые ретинилиденовыми белками , которые состоят из зрительного опсина и хромофора 11- цис -ретиналя . 11 -цис -ретиналь ковалентно связан с рецептором опсина через основание Шиффа . Когда он поглощает фотон , 11 -цис -ретиналь подвергается фотоизомеризации в полностью транс -ретиналь , что изменяет конформацию опсина GPCR, что приводит к каскадам передачи сигнала , которые вызывают закрытие циклического GMP-управляемого катионного канала и гиперполяризацию фоторецепторной клетки. После фотоизомеризации полностью транс -ретиналь высвобождается из белка опсина и восстанавливается до полностью транс - ретинола , который перемещается в пигментный эпителий сетчатки для «перезарядки». Сначала он этерифицируется лецитин -ретинолацилтрансферазой (LRAT), а затем преобразуется в 11- цис -ретинол с помощью изомерогидролазы RPE65 . Была показана изомеразная активность RPE65; неясно, действует ли он также как гидролаза. [8] Наконец, он окисляется до 11- цис -ретиналя, прежде чем вернуться к внешнему сегменту фоторецепторной клетки , где он снова конъюгируется с опсином, образуя новый функциональный зрительный пигмент ( ретинилиденовый белок ), а именно фотопсин или родопсин .

У беспозвоночных

Визуальная фототрансдукция у беспозвоночных, таких как плодовая мушка , отличается от описанной до сих пор фототрансдукции у позвоночных. Первичной основой фототрансдукции у беспозвоночных является цикл PI(4,5)P 2 . Здесь свет вызывает конформационные изменения в родопсине и превращает его в мета-родопсин. Это помогает в диссоциации комплекса G-белка. Альфа-субъединица этого комплекса активирует фермент PLC (PLC-beta), который гидролизует PIP2 в DAG . Этот гидролиз приводит к открытию каналов TRP и притоку кальция. [ необходима цитата ]

Фоторецепторные клетки беспозвоночных отличаются морфологически и физиологически от своих аналогов позвоночных. Визуальная стимуляция у позвоночных вызывает гиперполяризацию (ослабление) потенциала мембраны фоторецептора, тогда как беспозвоночные испытывают деполяризацию при интенсивности света. Однофотонные события, произведенные в идентичных условиях у беспозвоночных, отличаются от позвоночных по времени и размеру. Аналогично, многофотонные события длиннее однофотонных ответов у беспозвоночных. Однако у позвоночных многофотонный ответ похож на однофотонный ответ. Оба типа имеют световую адаптацию, а однофотонные события меньше и быстрее. Кальций играет важную роль в этой адаптации. Световая адаптация у позвоночных в первую очередь обусловлена ​​кальциевой обратной связью, но у беспозвоночных циклический АМФ является другим регулятором темновой адаптации. [9] [ требуется проверка ]

Ссылки

  1. ^ abcd Бертальмио, Марсело (2020). «Биологическая основа зрения: сетчатка». Модели зрения для визуализации с высоким динамическим диапазоном и широкой цветовой гаммой : 11–46. doi :10.1016/B978-0-12-813894-6.00007-7. ISBN 978-0-12-813894-6. S2CID  209571302.
  2. ^ Эбрей, Томас; Куталос, Яннис (январь 2001 г.). «Фоторецепторы позвоночных». Progress in Retinal and Eye Research . 20 (1): 49–94. doi :10.1016/S1350-9462(00)00014-8. PMID  11070368. S2CID  2789591.
  3. ^ EY Popova; CJ Barnstable; (2019). "Глава 15 - Взгляд на эпигенетику развития и заболеваний сетчатки". https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814879-2.00016-9
  4. ^ Лесков, Илья; Кленчин, Хэнди, Уитлок, Говардовский, Боундс, Лэмб, Пью, Аршавский (сентябрь 2000 г.). «Усиление фототрансдукции палочек: согласование биохимических и электрофизиологических измерений». Neuron . 27 (3): 525–537. doi : 10.1016/S0896-6273(00)00063-5 . PMID  11055435. S2CID  15573966.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ Аршавский, Вадим Ю.; Лэмб, Тревор Д.; Пью, Эдвард Н. (2002). «G-белки и фототрансдукция». Annual Review of Physiology . 64 (1): 153–187. doi :10.1146/annurev.physiol.64.082701.102229. PMID  11826267.
  6. ^ Hsu, Yi-Te; Molday, Robert S. (1993). «Модуляция CGMP-регулируемого канала стержневых фоторецепторных клеток кальмодулином». Nature . 361 (6407): 76–79. Bibcode :1993Natur.361...76H. doi :10.1038/361076a0. PMID  7678445. S2CID  4362581.
  7. ^ Криспель, CM; Чен, D; Меллинг, D; Чен, YJ; Мартемьянов, KA; Куиллинан, N; Аршавский, VY; Венсе́ль, TG; Чен, CK; Бернс, ME (2006). "Скорость экспрессии RGS ограничивает восстановление фотоответов стержней". Neuron . 51 (4): 409–416. Bibcode :2006Neuro.51...409K. doi : 10.1016/j.neuron.2006.07.010 . PMID  16908407..
  8. ^ Моисеев, Геннадий; Чэнь, Ин; Такахаши, Юсуке; Ву, Билл С.; Ма, Цзянь-син (30 августа 2005 г.). «RPE65 — это изомерогидролаза в зрительном цикле ретиноида». Труды Национальной академии наук . 102 (35): 12413–12418. Bibcode : 2005PNAS..10212413M. doi : 10.1073/pnas.0503460102 . PMC 1194921. PMID  16116091 . 
  9. ^ Rayer, B.; Naynert, M.; Stieve, H. (ноябрь 1990 г.). «Новые тенденции в фотобиологии». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Biology . 7 (2–4): 107–148. doi :10.1016/1011-1344(90)85151-L. PMID  2150859.

Внешние ссылки