Vizuální fototransdukce - Visual phototransduction

Vizuální cyklus. hν = dopadající foton

Vizuální fototransdukce je smyslové transdukce z vizuálního systému . Jedná se o proces, při kterém světlo se přemění na elektrický signál v tyčových buněk , kuželových buněk a photosensitive gangliové buňky v sítnici v oku . Tento cyklus objasnil George Wald (1906–1997), za který obdržel Nobelovu cenu v roce 1967. Po něm se mu říká takzvaný „Waldův vizuální cyklus“.

Vizuální cyklus je biologická přeměna fotonu na elektrický signál v sítnici. K tomuto procesu dochází prostřednictvím receptorů spojených s G-proteinem nazývaných opsiny, které obsahují chromofor 11-cis retinal . 11-cis retinal je kovalentně spojen s opsinovým receptorem prostřednictvím Schiffovy báze za vzniku retinylidenového proteinu . Když je zasažen fotonem , 11-cis sítnice prochází fotoizomerizací na all-trans retinal, což mění konformaci opsinového GPCR, což vede k signálním transdukčním kaskádám, což způsobuje uzavření cyklického kationtového kanálu řízeného GMP a hyperpolarizaci fotoreceptorové buňky.

Po izomerizaci a uvolnění z opsinového proteinu se all-trans retinal redukuje na all-trans retinol a putuje zpět do sítnicového pigmentového epitelu, aby se „dobil“. To je nejprve esterifikuje pomocí lecitinu retinolu acyltransferázy (LRAT) a pak se převede na 11-cis retinol podle isomerohydrolase RPE65 . Byla ukázána aktivita izomerázy RPE65; stále není jisté, zda také působí jako hydroláza. Nakonec se oxiduje na 11-cis retinal a poté se vrací zpět do vnějšího segmentu tyčinky, kde je opět konjugován s opsinem za vzniku nového funkčního vizuálního pigmentu ( rhodopsinu ).

Fotoreceptory

Tyto buněk fotoreceptorů zapojené do vidění, jsou tyče a kužele . Tyto buňky obsahují chromofor ( 11-cis-retinal se aldehyd z vitaminu A1 a světlo absorbující části), vázaný na buněčný membránový protein, opsin . Tyče se zabývají nízkou úrovní osvětlení a nezprostředkovávají barevné vidění. Kužely na druhé straně mohou kódovat barvu obrázku porovnáním výstupů tří různých typů kuželů. Každý typ kužele nejlépe reaguje na určité vlnové délky nebo barvy světla, protože každý typ má mírně odlišný opsin. Tři typy kuželů jsou L-kužely, M-kužely a S-kužely, které optimálně reagují na dlouhé vlnové délky (načervenalá barva), střední vlnové délky (nazelenalá barva) a krátké vlnové délky (namodralá barva). Lidé mají trichromatický vizuální systém skládající se ze tří unikátních systémů, tyčinek, kuželů citlivých na střední a dlouhou vlnovou délku (červený a zelený) a kuželů citlivých na krátkou vlnovou délku (modrý).

Proces

Absorpce světla vede k isomerní změně v molekule sítnice.

Abychom porozuměli chování fotoreceptoru vůči intenzitám světla, je nutné porozumět rolím různých proudů.

Průchozí vnější proud draslíku probíhá prostřednictvím nespojených K + selektivních kanálů. Tento vnější proud má tendenci hyperpolarizovat fotoreceptor na přibližně -70 mV (rovnovážný potenciál pro K + ).

Existuje také vnitřní sodíkový proud nesený sodíkovými kanály řízenými cGMP . Tento takzvaný ' temný proud ' depolarizuje buňku na přibližně -40 mV. Všimněte si, že toto je výrazně více depolarizované než většina ostatních neuronů.

Vysoká hustota pump Na + -K + umožňuje fotoreceptoru udržovat stabilní intracelulární koncentraci Na + a K + .

Ve tmě

Buňky fotoreceptorů jsou neobvyklé buňky v tom, že depolarizují v reakci na nepřítomnost podnětů nebo skotopických podmínek (tma). Ve fotopických podmínkách (světlo) se fotoreceptory hyperpolarizují na potenciál -60 mV.

Ve tmě jsou hladiny cGMP vysoké a udržují sodíkové kanály řízené cGMP otevřené, což umožňuje stálý vnitřní proud, nazývaný tmavý proud. Tento temný proud udržuje buňku depolarizovanou na přibližně -40 mV, což vede k uvolňování glutamátu, které inhibuje excitaci neuronů.

Depolarizace buněčné membrány ve skotopických podmínkách otevírá napěťově řízené kalciové kanály. Zvýšená intracelulární koncentrace Ca 2+ způsobí, že vezikuly obsahující glutamát, neurotransmiter , splynou s buněčnou membránou, čímž uvolní glutamát do synaptické štěrbiny , oblasti mezi koncem jedné buňky a začátkem jiného neuronu . Glutamát, i když je obvykle excitační, zde funguje jako inhibiční neurotransmiter.

V kuželové dráze glutamát:

  • Hyperpolarizuje středové bipolární buňky . Glutamát, který se ve tmě uvolňuje z fotoreceptorů, se váže na metabotropní glutamátové receptory ( mGluR6 ), které prostřednictvím mechanismu spojování G-proteinu způsobují uzavření nespecifických kationtových kanálů v buňkách, čímž dochází k hyperpolarizaci bipolární buňky.
  • Depolarizuje mimo střed bipolární buňky. Vazba glutamátu na ionotropní glutamátové receptory má za následek vnitřní kationtový proud, který depolarizuje bipolární buňku.

Ve světle

Shrnuto: Světlo uzavírá sodíkové kanály řízené cGMP, čímž se snižuje příliv iontů Na + i Ca 2+ . Zastavení příliv sodíku + iontů účinně přepne z tmavého proudu. Snížení tohoto temného proudu způsobí, že se fotoreceptor hyperpolarizuje , což snižuje uvolňování glutamátu, což snižuje inhibici sítnicových nervů, což vede k excitaci těchto nervů. Tento snížený přísun Ca 2+ během fototransdukce umožňuje deaktivaci a zotavení z fototransdukce, jak je popsáno ve Vizuální fototransdukci#Deaktivace fototransdukční kaskády .

Reprezentace molekulárních kroků ve fotoaktivaci (upraveno z Leskov et al., 2000). Zobrazen je vnější membránový disk v tyči. Krok 1: Dopadající foton (hν) je absorbován a aktivuje rodopsin konformační změnou membrány disku na R*. Krok 2: Dále R* navazuje opakované kontakty s molekulami transducinu a katalyzuje jeho aktivaci na G* uvolněním vázaného HDP výměnou za cytoplazmatický GTP, který vylučuje jeho podjednotky β a y. Krok 3: G* váže inhibiční y podjednotky fosfodiesterázy (PDE) aktivující její a a p podjednotky. Krok 4: Aktivovaný PDE hydrolyzuje cGMP. Krok 5: Guanylylcykláza (GC) syntetizuje cGMP, druhý posel ve fototransdukční kaskádě. Snížené hladiny cytosolového cGMP způsobují uzavření kanálů cyklických nukleotidových bran bránících dalšímu přílivu Na+ a Ca2+.
  1. Světelný foton interaguje se sítnicí v fotoreceptorové buňce . Sítnice prochází izomerizací , měnící se z konfigurace 11- cis na all- trans .
  2. Opsin proto prochází konformační změnou na metarhodopsin II.
  3. Metarhodopsin II aktivuje G protein známý jako transducin . To způsobí, že se transducin disociuje z vázaného HDP a naváže GTP , poté se alfa podjednotka transducinu disociuje z beta a gama podjednotek, přičemž GTP je stále vázán na alfa podjednotku.
  4. Komplex alfa podjednotky-GTP aktivuje fosfodiesterázu , také známou jako PDE6. Váže se na jednu ze dvou regulačních podjednotek PDE (která je sama o sobě tetramerem) a stimuluje její aktivitu.
  5. PDE hydrolyzuje cGMP a vytváří GMP . To snižuje intracelulární koncentraci cGMP, a proto se sodíkové kanály zavírají.
  6. Uzavření sodíkových kanálů způsobuje hyperpolarizaci buňky v důsledku pokračujícího odtoku draselných iontů.
  7. Hyperpolarizace buňky způsobí uzavření napěťově řízených kalciových kanálů.
  8. Jak hladina vápníku v buňce fotoreceptoru klesá, klesá také množství glutamátu neurotransmiteru, které buňka uvolňuje. Důvodem je, že je zapotřebí vápník, aby vezikuly obsahující glutamát splynuly s buněčnou membránou a uvolnily jejich obsah (viz SNARE proteiny ).
  9. Snížení množství glutamátu uvolněného fotoreceptory způsobuje depolarizaci bipolárních buněk na středu (tyč a kužel na bipolárních buňkách) a hyperpolarizaci kuželů mimo střed bipolárních buněk.

Deaktivace fototransdukční kaskády

Ve světle nízké hladiny cGMP uzavírají kanály Na+ a Ca2+, což snižuje intracelulární Na+ a Ca2+. Během obnovy ( adaptace na tmu ) vyvolávají nízké hladiny Ca2+ zotavení (ukončení fototransdukční kaskády) následovně:

  1. Nízký intracelulární Ca2+ způsobuje, že se Ca2+ disociuje z proteinu aktivujícího guanylátcyklázu (GCAP). Uvolněný GCAP nakonec obnoví vyčerpané úrovně cGMP, což znovu otevře kationtové kanály řízené cGMP (obnovení temného proudu).
  2. Nízký intracelulární Ca2+ způsobuje, že se Ca2+ disociuje z proteinu aktivujícího GTPázu (GAP), známého také jako regulátor signalizace G proteinu . Uvolněný GAP deaktivuje transducin a ukončí fototransdukční kaskádu (obnoví temný proud).
  3. Nízký nitrobuněčný Ca2+ způsobuje, že se intracelulární Ca-recoveryin-RK disociuje na Ca2+ a recoveryin a rhodopsin kinázu (RK). Uvolněná RK poté fosforyluje metarhodopsin II, čímž se sníží jeho vazebná afinita k transducinu . Arrestin poté úplně deaktivuje fosforylovaný metarhodopsin II, čímž se ukončí fototransdukční kaskáda (obnovující temný proud).
  4. Nízké intracelulární Ca2+ činí komplex Ca2+/Calmodulin v kationtových kanálech řízených cGMP citlivějšími na nízké hladiny cGMP (čímž je udržován kationtový kanál s cGMP otevřeným i při nízkých hladinách cGMP, což obnovuje temný proud)

Podrobněji:

GTPase Accelerating Protein (GAP) of RGS (regulators of G protein signaling) interaguje s alfa podjednotkou transducinu, a způsobí, že hydrolyzuje svůj navázaný GTP na GDP, a tím zastaví působení fosfodiesterázy, zastaví transformaci cGMP na GMP. Bylo zjištěno, že tento krok deaktivace fototransdukční kaskády (deaktivace transduktoru G proteinu) je krokem omezujícím rychlost při deaktivaci fototransdukční kaskády.

Jinými slovy: Guanylate Cyclase Activating Protein (GCAP) je protein vázající vápník a jak se hladiny vápníku v buňce snížily, GCAP se disociuje ze svých vázaných iontů vápníku a interaguje s Guanylate Cyclase, čímž jej aktivuje. Guanylate Cyclase pak pokračuje v transformaci GTP na cGMP, doplnění hladin cGMP buňky a tím opětovné otevření sodíkových kanálů, které byly během fototransdukce uzavřeny.

Nakonec je deaktivován Metarhodopsin II. Recoverin, další protein vázající vápník, se normálně váže na Rhodopsin kinázu, pokud je přítomen vápník. Když hladiny vápníku během fototransdukce klesají, vápník se disociuje z regenerinu a uvolní se rodopsin kináza a fosforyluje metarhodopsin II , což snižuje jeho afinitu k transducinu. Nakonec arrestin, další protein, váže fosforylovaný metarhodopsin II a zcela ho deaktivuje. Nakonec se tedy deaktivuje fototransdukce a obnoví se tmavý proud a uvolňování glutamátu. Je to tato cesta, kde je metarhodopsin II fosforylován a vázán na arrestin, a tedy deaktivován, o kterém se předpokládá, že je zodpovědný za složku S2 tmavé adaptace. Složka S2 představuje lineární část funkce přizpůsobení tmě přítomné na začátku přizpůsobení tmě pro všechny intenzity bělení.

All- trans retinal je transportován do epiteliálních buněk pigmentu, aby byl redukován na all- trans retinol, předchůdce 11- cis retinalu. Ten je pak transportován zpět k prutům. All- trans retinal nemůže být syntetizován lidmi a musí být dodáván vitamínem A ve stravě. Nedostatek all- trans retinalu může vést k šerosleposti . To je součástí bělícího a recyklačního procesu retinoidů ve fotoreceptorech a pigmentovém epitelu sítnice.

Fototransdukce u bezobratlých

Proces fototransdukce u bezobratlých, jako je ovocná muška, se liší od obratlovců. Cyklus PI (4,5) P 2 je základem procesu fototransdukce. Zde světlo indukuje konformační změnu na Rhodopsin a převádí ji na meta-rhodopsin. To pomáhá při disociaci G -proteinového komplexu. Alfa podjednotka tohoto komplexu aktivuje PLC enzym (PLC-beta), který hydrolyzuje PIP2 na DAG . Tato hydrolýza vede k otevření TRP kanálů a přílivu vápníku.

Reference

  • Moiseyev G, Chen Y, Takahashi Y, Wu BX, Ma JX. RPE65 je izomerohydroláza v retinoidním vizuálním cyklu. Proč. Natl. Akadem. Sci. Článek 2005 .
  • Jin M, Li S, Moghrabi WN, Sun H, Travis GH. Rpe65 je retinoidní izomeráza v pigmentovém epitelu skotu. Buňka. Článek 2005 .

externí odkazy