Визуальная фототрансдукция

Визуальная фототрансдукция — это сенсорной трансдукции процесс зрительной системы , при котором свет обнаруживается фоторецепторными клетками ( палочками и колбочками позвоночных ) в сетчатке . Фотон ганглиозные поглощается сетчатки хромофором (каждый из которых связан с опсином ), который инициирует сигнальный каскад через несколько промежуточных клеток, а затем через клетки сетчатки (RGC), составляющие зрительный нерв.

Обзор

Свет попадает в глаз, проходит через оптические среды, затем через внутренние нервные слои сетчатки и, наконец, достигает фоторецепторных клеток во внешнем слое сетчатки. Свет может поглощаться хромофором , связанным с опсином , который фотоизомеризует хромофор, инициируя как зрительный цикл , который «перезагружает» хромофор, так и каскад фототрансдукции, который передает зрительный сигнал в мозг. Каскад начинается с постепенной поляризации ( аналогового сигнала ) возбужденной фоторецепторной клетки, поскольку ее мембранный потенциал увеличивается от потенциала покоя -70 мВ, пропорционально интенсивности света. В состоянии покоя фоторецепторные клетки постоянно выделяют глутамат в синаптическом терминале для поддержания потенциала. ^[1] Скорость высвобождения передатчика снижается ( гиперполяризация ) по мере увеличения интенсивности света. Каждая синаптическая терминаль осуществляет до 500 контактов с горизонтальными и биполярными клетками . ^[1] Эти промежуточные клетки (наряду с амакриновыми клетками ) выполняют сравнение сигналов фоторецепторов внутри рецептивного поля , но их точные функциональные возможности еще недостаточно изучены. Сигнал остается в виде градуированной поляризации во всех клетках, пока не достигнет RGC , где преобразуется в потенциал действия и передается в мозг. ^[1]

Фоторецепторы

Фоторецепторными клетками, участвующими в зрении позвоночных, являются палочки , колбочки и светочувствительные ганглиозные клетки (ipRGC). Эти клетки содержат хромофор ( 11- цис -ретиналь , альдегид витамина А1 и светопоглощающую часть), который связан с белком клеточной мембраны, опсином . Палочки отвечают за зрение при низкой интенсивности освещения и обнаружение контраста. Поскольку все они имеют одинаковую реакцию на разных частотах, информацию о цвете невозможно получить только по стержням, как, например, в условиях низкой освещенности. С другой стороны, колбочки бывают разных типов с разной частотной характеристикой, так что цвет можно воспринимать путем сравнения выходных сигналов разных типов колбочек. Каждый тип колбочек лучше всего реагирует на определенные длины волн или цвета света, поскольку 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 длины волн (зеленоватый цвет) и короткие волны (голубоватый цвет) соответственно. У людей есть трихроматическое фотопическое зрение , состоящее из трех каналов противостоящих процессов , обеспечивающих цветовое зрение . ^[2]Палочки фоторецепторов являются наиболее распространенным типом клеток сетчатки и развиваются довольно поздно. Большинство клеток становятся постмитотическими еще до рождения, но дифференцировка происходит после рождения. В первую неделю после рождения клетки созревают, и к моменту открытия глаз становится полностью функциональным. Зрительный пигмент родопсин (ро) — первый известный признак дифференцировки палочек. ^[3]

Процесс трансдукции

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

протекает непрерывный ток калия наружу. Через незапертый K ⁺-селективные каналы. Этот внешний ток имеет тенденцию гиперполяризовать фоторецептор при температуре около -70 мВ (равновесный потенциал для K ⁺).

Существует также входящий натриевый ток, переносимый цГМФ- управляемыми натриевыми каналами . Этот « темновой ток » деполяризует клетку примерно до −40 мВ. Он значительно более деполяризован, чем большинство других нейронов.

Высокая плотность Na ⁺-К ⁺ насосы позволяют фоторецептору поддерживать постоянную внутриклеточную концентрацию Na. ⁺ и К ⁺.

При увеличении интенсивности света потенциал мембраны снижается (гиперполяризация). Потому что по мере увеличения интенсивности высвобождение стимулирующего нейромедиатора глутамата фоторецепторов снижается. Когда интенсивность света снижается, то есть в темноте, высвобождение глутамата фоторецепторами увеличивается. Это увеличивает мембранный потенциал и вызывает деполяризацию мембраны. ^[1]

В темноте

Фоторецепторные клетки являются необычными клетками, 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 удерживают цГМФ-управляемые натриевые каналы открытыми, обеспечивая постоянный входящий ток, называемый темновым током. Этот темновой ток поддерживает деполяризацию клетки при 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, нейромедиатор , сливаться с клеточной мембраной, в результате чего глутамат высвобождается в синаптическую щель , область между концом одной клетки и началом другого нейрона . Глутамат, хотя обычно является возбуждающим, действует здесь как тормозной нейромедиатор.

В конусном пути глутамат:

в центре Гиперполяризует биполярные клетки . Глутамат, который высвобождается из фоторецепторов в темноте, связывается с метаботропными рецепторами глутамата ( mGluR6 ), которые посредством механизма связывания G-белка вызывают закрытие неспецифических катионных каналов в клетках, тем самым гиперполяризуя биполярную клетку.
Деполяризует смещенные от центра биполярные клетки. Связывание глутамата с ионотропными рецепторами глутамата приводит к возникновению внутреннего тока катионов, который деполяризует биполярную клетку.

В свете

Вкратце: свет закрывает натриевые каналы, управляемые цГМФ, уменьшая приток как Na ⁺ и Ca ²⁺ ионы. Остановка притока Na ⁺ ионы эффективно отключают темновой ток. фоторецептора Уменьшение темнового тока вызывает гиперполяризацию , что снижает высвобождение глутамата, что, таким образом, уменьшает торможение нервов сетчатки, что приводит к возбуждению этих нервов. Это уменьшило Ca ²⁺ приток во время фототрансдукции обеспечивает дезактивацию и восстановление после фототрансдукции, как обсуждается ниже в § Деактивация каскада фототрансдукции .

Представление молекулярных стадий фотоактивации (модифицировано из Лескова и др., 2000). ^[4]). Изображен внешний мембранный диск в стержне. **Шаг 1** : Падающий фотон (hν) поглощается и активирует родопсин (аналогично фотопсину ) путем конформационного изменения мембраны диска на R*. **Шаг 2** : Затем R* неоднократно контактирует с молекулами трансдуцина, катализируя его активацию до G* путем высвобождения связанного GDP в обмен на цитоплазматический GTP, который вытесняет его субъединицы β и γ. **Шаг 3** : G* связывает ингибирующие γ-субъединицы фосфодиэстеразы (ФДЭ), активируя ее α- и β-субъединицы. **Шаг 4** : Активированный ФДЭ гидролизует цГМФ. **Шаг 5** : Гуанилилциклаза (ГЦ) синтезирует цГМФ, второй мессенджер в каскаде фототрансдукции. Снижение уровня цитозольного цГМФ приводит к закрытию каналов, управляемых циклическими нуклеотидами, предотвращая дальнейший приток Na. ⁺ и Ca ²⁺.

Фотон взаимодействует с молекулой сетчатки в составе опсинового комплекса фоторецепторной клетки . Сетчатка подвергается изомеризации , переходя от 11- цис -ретиналя к полностью транс -ретинальной конфигурации.
Таким образом, опсин претерпевает конформационные изменения в метародопсин II.
Метародопсин II активирует G-белок, известный как трансдуцин . Это заставляет трансдуцин отделяться от связанного с ним GDP и связывать GTP ; затем альфа-субъединица трансдуцина диссоциирует от бета- и гамма-субъединицы, при этом GTP все еще связан с альфа-субъединицей.
Комплекс альфа-субъединица-GTP активирует фосфодиэстеразу , также известную как PDE6. Он связывается с одной из двух регуляторных субъединиц ФДЭ (которая сама является тетрамером) и стимулирует ее активность.
ФДЭ гидролизует цГМФ , образуя ГМФ . Это снижает внутриклеточную концентрацию цГМФ и, следовательно, натриевые каналы закрываются. ^[5]
Закрытие натриевых каналов вызывает гиперполяризацию клетки из-за продолжающегося оттока ионов калия.
Гиперполяризация клетки приводит к закрытию потенциалзависимых кальциевых каналов.
Когда уровень кальция в фоторецепторной клетке падает, количество нейромедиатора глутамата, выделяемого клеткой, также падает. Это связано с тем, что кальций необходим для того, чтобы везикулы, содержащие глутамат, слились с клеточной мембраной и высвободили свое содержимое (см. Белки SNARE ).
Уменьшение количества глутамата, высвобождаемого фоторецепторами, вызывает деполяризацию биполярных клеток с центром (палочка и колбочка на биполярных клетках) и гиперполяризацию биполярных клеток со смещением от центра.

Деактивация каскада фототрансдукции

На свету низкие уровни цГМФ закрывают Na ⁺ и Ca ²⁺ каналы, уменьшая внутриклеточный Na ⁺ и Ca ²⁺. Во время восстановления ( темновая адаптация ) низкий уровень Ca ²⁺ уровни вызывают восстановление (прекращение каскада фототрансдукции) следующим образом:

Низкий внутриклеточный Ca ²⁺ вызывает Са ²⁺ диссоциировать от белка, активирующего гуанилатциклазу (GCAP). Высвобожденный GCAP в конечном итоге восстанавливает истощенные уровни цГМФ, что вновь открывает катионные каналы, управляемые цГМФ (восстанавливая темновой ток).
Низкий внутриклеточный Ca ²⁺ вызывает Са ²⁺ диссоциировать от белка, активирующего ГТФазу (GAP), также известного как регулятор передачи сигналов G-белка . Освободившийся GAP деактивирует трансдуцин, прекращая каскад фототрансдукции (восстанавливая темновой ток).
Низкий внутриклеточный Ca ²⁺ заставляет внутриклеточный Са-рекеверин-РК диссоциировать на Са ²⁺ и рековин и киназа родопсина (RK). Освободившаяся RK затем фосфорилирует метародопсин II, снижая его аффинность связывания с трансдуцином. Затем аррестин полностью деактивирует фосфорилированный метародопсин II, прекращая каскад фототрансдукции (восстанавливая темновой ток).
Низкий внутриклеточный Ca ²⁺ сделай Ка ²⁺/ комплекс кальмодулина внутри цГМФ-управляемых катионных каналов, более чувствительный к низким уровням цГМФ (тем самым сохраняя цГМФ-управляемый катионный канал открытым даже при низких уровнях цГМФ, восстанавливая темновой ток) ^[6]

Более подробно:

Белок, ускоряющий ГТФазу (GAP) RGS (регулятор передачи сигналов G-белка), взаимодействует с альфа-субъединицей трансдуцина и заставляет его гидролизовать связанный GTP до GDP и, таким образом, останавливает действие фосфодиэстеразы, останавливая трансформацию цГМФ в ГМФ. Было обнаружено, что эта стадия дезактивации каскада фототрансдукции (дезактивация преобразователя G-белка) является стадией, ограничивающей скорость дезактивации каскада фототрансдукции. ^[7]

Другими словами: белок, активирующий гуанилатциклазу (GCAP), представляет собой белок, связывающий кальций, и по мере снижения уровня кальция в клетке GCAP диссоциирует от связанных с ним ионов кальция и взаимодействует с гуанилатциклазой, активируя ее. Затем гуанилатциклаза приступает к преобразованию ГТФ в цГМФ, восполняя уровень цГМФ в клетке и, таким образом, вновь открывая натриевые каналы, которые были закрыты во время фототрансдукции.

Наконец, метародопсин II деактивируется. Рековерин, еще один кальций-связывающий белок, обычно связывается с родопсинкиназой в присутствии кальция. Когда уровни кальция падают во время фототрансдукции, кальций диссоциирует от рековина, высвобождается родопсинкиназа и фосфорилирует метародопсин II , что снижает его сродство к трансдуцину. Наконец, аррестин, другой белок, связывает фосфорилированный метародопсин II, полностью деактивируя его. Таким образом, окончательно деактивируется фототрансдукция, восстанавливаются темновой ток и выделение глутамата. Именно этот путь, где метародопсин II фосфорилируется, связывается с аррестином и, таким образом, деактивируется, считается ответственным 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

Зрительный цикл происходит через связанные с G-белком рецепторы, 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 сигнальной трансдукции , что вызывает 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 превращается в 11- цис -ретинол с помощью изомерогидролазы RPE65 . Показана изомеразная активность RPE65; неясно, действует ли он также как гидролаза. ^[8] Наконец, он окисляется до 11- цис -ретиналя, прежде чем отправиться обратно во внешний сегмент фоторецепторной клетки , где он снова конъюгируется с опсином с образованием нового функционального зрительного пигмента ( ретинилиденового белка ), а именно фотопсина или родопсина .

У беспозвоночных

Зрительная фототрансдукция у беспозвоночных, например у плодовой мушки , отличается от описанной к настоящему времени у позвоночных. Первичной основой фототрансдукции беспозвоночных является PI(4,5) _P2 цикл . Здесь свет вызывает конформационные изменения родопсина и превращает его в метародопсин. Это помогает диссоциировать комплекс G-белка. Альфа-субъединица этого комплекса активирует фермент PLC (PLC-бета), который гидролизует PIP2 до DAG . Этот гидролиз приводит к открытию каналов TRP и притоку кальция. ^{[ нужна ссылка ]}

беспозвоночных Фоторецепторные клетки морфологически и физиологически отличаются от своих аналогов у позвоночных. Зрительная стимуляция у позвоночных вызывает гиперполяризацию (ослабление) мембранного потенциала фоторецепторов, тогда как у беспозвоночных наблюдается деполяризация с интенсивностью света. Однофотонные события, происходящие в одинаковых условиях у беспозвоночных, отличаются от позвоночных по временному течению и размеру. Аналогично, у беспозвоночных многофотонные события длятся дольше, чем однофотонные реакции. Однако у позвоночных многофотонный ответ аналогичен однофотонному ответу. Оба типа имеют адаптацию к свету, а однофотонные события происходят меньше и быстрее. Кальций играет важную роль в этой адаптации. Адаптация к свету у позвоночных в первую очередь обусловлена кальциевой обратной связью, но у беспозвоночных циклический АМФ является еще одним регулятором темновой адаптации. ^[9]^{[ нужна проверка ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Бертальмио, Марсело (2020). «Биологическая основа зрения: сетчатка». Модели зрения для визуализации с высоким динамическим диапазоном и широкой цветовой гаммой : 11–46. дои : 10.1016/B978-0-12-813894-6.00007-7 . ISBN 978-0-12-813894-6 . S2CID 209571302 .
^ Эбри, Томас; Куталос, Яннис (январь 2001 г.). «Фоторецепторы позвоночных». Прогресс в исследованиях сетчатки и глаз . 20 (1): 49–94. дои : 10.1016/S1350-9462(00)00014-8 . ПМИД 11070368 . S2CID 2789591 .
^ Е. Ю. Попова; Си Джей Барнстейбл; (2019). «Глава 15 - Взгляд на эпигенетику развития и заболеваний сетчатки». https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814879-2.00016-9
^ Лесков, Илья; Кленчин, Хэнди, Уитлок, Говардовский, Баундс, Лэмб, Пью, Аршавский (сентябрь 2000 г.). «Усиление фототрансдукции палочек: согласование биохимических и электрофизиологических измерений» . Нейрон . 27 (3): 525–537. дои : 10.1016/S0896-6273(00)00063-5 . ПМИД 11055435 . S2CID 15573966 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Аршавский Вадим Юрьевич; Лэмб, Тревор Д.; Пью, Эдвард Н. (2002). «G-белки и фототрансдукция». Ежегодный обзор физиологии . 64 (1): 153–187. doi : 10.1146/annurev.phyol.64.082701.102229 . ПМИД 11826267 .
^ Сюй, И-Тэ; Молдей, Роберт С. (1993). «Модуляция CGMP-зависимого канала стержневых фоторецепторных клеток с помощью кальмодулина». Природа . 361 (6407): 76–79. Бибкод : 1993Natur.361...76H . дои : 10.1038/361076a0 . ПМИД 7678445 . S2CID 4362581 .
^ Криспель, CM; Чен, Д; Меллинг, Д; Чен, Ю.Дж.; Мартемьянов, К.А.; Куиллиан, Н.; Аршавский В.Ю.; Вензель, Т.Г.; Чен, СК; Бернс, Мэн (2006). «Скорость экспрессии RGS ограничивает восстановление фотоответов палочек» . Нейрон . 51 (4): 409–416. Бибкод : 2006Нейро.51...409К . дои : 10.1016/j.neuron.2006.07.010 . ПМИД 16908407 . .
^ Моисеев Геннадий; Чен, Ин; Такахаси, Юсуке; Ву, Билл X.; Ма, Цзянь-син (30 августа 2005 г.). «RPE65 представляет собой изомерогидролазу ретиноидного зрительного цикла» . Труды Национальной академии наук . 102 (35): 12413–12418. Бибкод : 2005PNAS..10212413M . дои : 10.1073/pnas.0503460102 . ПМЦ 1194921 . ПМИД 16116091 .
^ Райер, Б.; Найнерт, М.; Стив, Х. (ноябрь 1990 г.). «Новые тенденции в фотобиологии». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология . 7 (2–4): 107–148. дои : 10.1016/1011-1344(90)85151-Л . ПМИД 2150859 .

Внешние ссылки

Зрительные пигменты и зрительная трансдукция на med.utah.edu
Трансдукция Света Прези
Общий обзор визуального восприятия на сайте brynmawr.edu.
Фототрансдукция в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)

[Bert20-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Бертальмио, Марсело (2020). «Биологическая основа зрения: сетчатка». Модели зрения для визуализации с высоким динамическим диапазоном и широкой цветовой гаммой : 11–46. дои : 10.1016/B978-0-12-813894-6.00007-7 . ISBN 978-0-12-813894-6 . S2CID 209571302 .

[2] Эбри, Томас; Куталос, Яннис (январь 2001 г.). «Фоторецепторы позвоночных». Прогресс в исследованиях сетчатки и глаз . 20 (1): 49–94. дои : 10.1016/S1350-9462(00)00014-8 . ПМИД 11070368 . S2CID 2789591 .

[3] Е. Ю. Попова; Си Джей Барнстейбл; (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, Баундс, Лэмб, Пью, Аршавский (сентябрь 2000 г.). «Усиление фототрансдукции палочек: согласование биохимических и электрофизиологических измерений» . Нейрон . 27 (3): 525–537. дои : 10.1016/S0896-6273(00)00063-5 . ПМИД 11055435 . S2CID 15573966 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[5] Аршавский Вадим Юрьевич; Лэмб, Тревор Д.; Пью, Эдвард Н. (2002). «G-белки и фототрансдукция». Ежегодный обзор физиологии . 64 (1): 153–187. doi : 10.1146/annurev.phyol.64.082701.102229 . ПМИД 11826267 .

[6] Сюй, И-Тэ; Молдей, Роберт С. (1993). «Модуляция CGMP-зависимого канала стержневых фоторецепторных клеток с помощью кальмодулина». Природа . 361 (6407): 76–79. Бибкод : 1993Natur.361...76H . дои : 10.1038/361076a0 . ПМИД 7678445 . S2CID 4362581 .

[7] Криспель, CM; Чен, Д; Меллинг, Д; Чен, Ю.Дж.; Мартемьянов, К.А.; Куиллиан, Н.; Аршавский В.Ю.; Вензель, Т.Г.; Чен, СК; Бернс, Мэн (2006). «Скорость экспрессии RGS ограничивает восстановление фотоответов палочек» . Нейрон . 51 (4): 409–416. Бибкод : 2006Нейро.51...409К . дои : 10.1016/j.neuron.2006.07.010 . ПМИД 16908407 . .

[8] Моисеев Геннадий; Чен, Ин; Такахаси, Юсуке; Ву, Билл X.; Ма, Цзянь-син (30 августа 2005 г.). «RPE65 представляет собой изомерогидролазу ретиноидного зрительного цикла» . Труды Национальной академии наук . 102 (35): 12413–12418. Бибкод : 2005PNAS..10212413M . дои : 10.1073/pnas.0503460102 . ПМЦ 1194921 . ПМИД 16116091 .

[Rayer90-9] Райер, Б.; Найнерт, М.; Стив, Х. (ноябрь 1990 г.). «Новые тенденции в фотобиологии». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология . 7 (2–4): 107–148. дои : 10.1016/1011-1344(90)85151-Л . ПМИД 2150859 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]