Görsel fototransdüksiyon - Visual phototransduction

Görsel Döngü. hν = Gelen foton

Görsel fototransdüksiyon olan duyusal transdüksiyon bir görme sistemi . Bu hangi bir prosestir ışık dönüştürülür elektrik sinyalleri olarak çubuk hücreleri , koni hücreleri ve ışığa ganglion hücreleri arasında retina arasında göz . Bu döngü, 1967'de Nobel Ödülü'nü aldığı George Wald (1906–1997) tarafından açıklanmıştır . Kendisinden sonra "Wald'ın Görsel Döngüsü" olarak adlandırılmaktadır.

Görsel döngü, bir fotonun retinada elektrik sinyaline biyolojik olarak dönüştürülmesidir . Bu süreç , kromofor 11-cis retinal içeren opsinler adı verilen G-proteinine bağlı reseptörler aracılığıyla gerçekleşir . 11-cis retinal, kovalent olarak bağlı olduğu opsin ile reseptör Schiff bazı oluşturan retinylidene proteini . Bir çarptığı zaman foton , retina 11-cis uğrar fotoizomerizasyon için tüm-trans-retinal opsin konformasyonunu değiştirir GPCR giden sinyal transdüksiyon fotoreseptör hücre siklik GMP geçişli katyon kanalının kapatma ve hiperpolarizasyon sebep olan kaskadlan.

İzomerizasyon ve opsin proteininden salımı takiben , all-trans retinal all-trans retinole indirgenir ve "yeniden şarj edilmek" için retinal pigment epiteline geri döner . Önce lesitin retinol açiltransferaz (LRAT) tarafından esterleştirilir ve ardından izomerohidrolaz RPE65 tarafından 11-cis retinole dönüştürülür . RPE65'in izomeraz aktivitesi gösterilmiştir; hidrolaz gibi davranıp davranmadığı hala belirsizdir. Son olarak, yeni, fonksiyonel görsel pigment ( rhodopsin ) oluşturmak için tekrar bir opsine konjuge olduğu çubuk dış segmentine geri dönmeden önce 11-cis retinale oksitlenir .

fotoreseptörler

Fotoreseptör hücreleri görme karışan olan çubuklar ve koniler . Bu hücreler, bir içeren kromofor ( retina 11-sis , aldehid ve vitamin A1 ve ışık absorbe kısım) hücre zar proteini, bağlanmış opsin . Çubuklar düşük ışık seviyesiyle ilgilenir ve renk görüşüne aracılık etmez. Koniler ise üç farklı koni tipinin çıktılarını karşılaştırarak bir görüntünün rengini kodlayabilir. Her bir koni türü , ışığın belirli dalga boylarına veya renklerine en iyi şekilde yanıt verir , çünkü her türün biraz farklı bir opsin'i vardır. Üç tip koni, sırasıyla uzun dalga boylarına (kırmızımsı renk), orta dalga boylarına (yeşilimsi renk) ve kısa dalga boylarına (mavimsi renk) en iyi şekilde yanıt veren L-konileri, M-konileri ve S-konileridir. İnsanlar, çubuklar, orta ve uzun dalga boyuna duyarlı (kırmızı ve yeşil) koniler ve kısa dalga boyuna duyarlı (mavi) koniler olmak üzere üç benzersiz sistemden oluşan trikromatik bir görsel sisteme sahiptir.

İşlem

Işığın emilmesi, retina molekülünde izomerik bir değişikliğe yol açar.

Fotoreseptörün ışık yoğunluklarına karşı davranışını anlamak için farklı akımların rollerini anlamak gerekir.

Geçitsiz K + seçici kanallardan dışarıya doğru devam eden bir potasyum akımı vardır . Bu dışa doğru akım, fotoreseptörü yaklaşık -70 mV'de hiperpolarize etme eğilimindedir (K + için denge potansiyeli ).

Ayrıca cGMP kapılı sodyum kanalları tarafından taşınan içe doğru bir sodyum akımı vardır . Bu sözde ' karanlık akım ' hücreyi -40 mV civarında depolarize eder. Bunun diğer nöronların çoğundan önemli ölçüde daha fazla depolarize olduğuna dikkat edin.

Na + -K + pompalarının yüksek yoğunluğu , fotoreseptörün hücre içi Na + ve K + konsantrasyonunu sabit tutmasını sağlar .

Karanlıkta

Fotoreseptör hücreler , uyaranların veya skotopik koşulların (karanlık) yokluğuna yanıt olarak depolarize olmaları bakımından olağandışı hücrelerdir. Fotopik koşullarda (ışık), fotoreseptörler -60mV'luk bir potansiyele hiperpolarize olur.

Karanlıkta, cGMP seviyeleri yüksektir ve cGMP kapılı sodyum kanallarını açık tutar ve karanlık akım adı verilen sabit bir içe akıma izin verir. Bu karanlık akım, hücreyi yaklaşık -40 mV'de depolarize tutar ve nöronların uyarılmasını engelleyen glutamat salınımına yol açar .

Hücre zarının skotopik koşullarda depolarizasyonu, voltaj kapılı kalsiyum kanallarını açar. Artmış hücre içi Ca2 + konsantrasyonu , bir nörotransmiter olan glutamat içeren veziküllerin hücre zarı ile birleşmesine neden olur , bu nedenle glutamat , bir hücrenin sonu ile başka bir nöronun başlangıcı arasındaki bir alan olan sinaptik yarığa salınır . Glutamat, genellikle uyarıcı olmasına rağmen, burada engelleyici bir nörotransmitter olarak işlev görür.

Koni yolunda glutamat:

  • Merkezdeki bipolar hücreleri hiperpolarize eder . Karanlıkta fotoreseptörlerden salınan glutamat metabotropik glutamat reseptörlerine ( mGluR6 ) bağlanır , bu da bir G-protein eşleşme mekanizması yoluyla hücrelerdeki spesifik olmayan katyon kanallarının kapanmasına neden olarak bipolar hücreyi hiperpolarize eder.
  • Merkez dışı bipolar hücreleri depolarize eder. Glutamatın iyonotropik glutamat reseptörlerine bağlanması, bipolar hücreyi depolarize eden içe doğru bir katyon akımı ile sonuçlanır.

Işıkta

Özetle: Işık cGMP kapılı sodyum kanallarını kapatarak hem Na + hem de Ca2 + iyonlarının akışını azaltır . Na + iyonlarının akışını durdurmak, karanlık akımı etkili bir şekilde kapatır . Bu karanlık akımın azaltılması, fotoreseptörün hiperpolarize olmasına neden olur , bu da glutamat salınımını azaltır, bu da retina sinirlerinin inhibisyonunu azaltır ve bu sinirlerin uyarılmasına yol açar . Fototransdüksiyon sırasında bu azaltılmış Ca2 + akışı, Görsel fototransdüksiyon#Fototransdüksiyon kaskadının devre dışı bırakılması bölümünde tartışıldığı gibi, fototransdüksiyondan deaktivasyona ve geri kazanıma olanak tanır .

Fotoaktivasyonda moleküler adımların temsili (Leskov ve diğerleri, 2000'den modifiye edilmiştir). Bir çubuktaki bir dış zar diski tasvir edilmiştir. Adım 1: Gelen foton (hν) emilir ve disk membranında R*'a konformasyonel değişiklik yaparak bir rodopsini aktive eder. Adım 2: Ardından, R* transdusin molekülleri ile tekrarlanan temaslar kurar ve β ve γ alt birimlerini dışarı atan sitoplazmik GTP karşılığında bağlı GDP'nin salınmasıyla aktivasyonunu G*'ye katalize eder. Adım 3: G*, α ve β alt birimlerini aktive ederek fosfodiesterazın (PDE) inhibitör γ alt birimlerine bağlanır. Adım 4: Aktive edilmiş PDE, cGMP'yi hidrolize eder. Adım 5: Guanilil siklaz (GC), fototransdüksiyon zincirindeki ikinci haberci olan cGMP'yi sentezler. Azalan sitozolik cGMP seviyeleri, Na+ ve Ca2+'nın daha fazla akışını önleyerek siklik nükleotid kapılı kanalların kapanmasına neden olur.
  1. Bir ışık fotonu , bir fotoreseptör hücrede retina ile etkileşime girer . Retina , 11- cis'ten all- trans konfigürasyonuna değişen izomerizasyona uğrar .
  2. Opsin bu nedenle metarhodopsin II'ye konformasyonel bir değişikliğe uğrar.
  3. Metarhodopsin II , transdusin olarak bilinen bir G proteinini aktive eder . Bu nedenler, ilişkili ayrışmasına transdusin GSYİH ve bağlama GTP , daha sonra GTP ile beta ve gama alt-ünite transdusin ayrışıp alfa alt-birimi hala a alt birimine bağlanmış.
  4. Alfa alt birimi-GTP kompleksi , PDE6 olarak da bilinen fosfodiesterazı aktive eder . PDE'nin (kendisi bir tetramer olan) iki düzenleyici alt biriminden birine bağlanır ve aktivitesini uyarır.
  5. PDE hidrolize cGMP oluşturan, GMP . Bu, hücre içi cGMP konsantrasyonunu düşürür ve bu nedenle sodyum kanalları kapanır.
  6. Sodyum kanallarının kapanması, potasyum iyonlarının devam eden akışı nedeniyle hücrenin hiperpolarizasyonuna neden olur.
  7. Hücrenin hiperpolarizasyonu voltaj kapılı kalsiyum kanallarının kapanmasına neden olur.
  8. Fotoreseptör hücredeki kalsiyum seviyesi düştükçe hücre tarafından salınan nörotransmitter glutamat miktarı da düşer. Bunun nedeni, glutamat içeren veziküllerin hücre zarı ile kaynaşması ve içeriklerini salması için kalsiyumun gerekli olmasıdır (bkz. SNARE proteinleri ).
  9. Fotoreseptörler tarafından salınan glutamat miktarındaki bir azalma, merkezdeki bipolar hücrelerin (bipolar hücrelerdeki çubuk ve koni) depolarizasyonuna ve koni merkez dışı bipolar hücrelerin hiperpolarizasyonuna neden olur.

Fototransdüksiyon kademesinin devre dışı bırakılması

Işıkta, düşük cGMP seviyeleri Na+ ve Ca2+ kanallarını kapatarak hücre içi Na+ ve Ca2+'yı azaltır. İyileşme sırasında ( karanlık adaptasyon ), düşük Ca2+ seviyeleri aşağıdaki gibi iyileşmeyi (fototransdüksiyon kaskadının sonlandırılması) indükler:

  1. Düşük hücre içi Ca2+, Ca2+'nın guanilat siklaz aktive edici proteinden (GCAP) ayrılmasına neden olur . Serbest bırakılan GCAP, sonuçta, cGMP kapılı katyon kanallarını yeniden açan (karanlık akımı geri yükleyerek) tükenmiş cGMP seviyelerini geri yükler.
  2. Düşük hücre içi Ca2+, Ca2+' nın G protein sinyalinin düzenleyicisi olarak da bilinen GTPaz aktive edici proteinden (GAP) ayrışmasına neden olur . Serbest bırakılan GAP , transdusini devre dışı bırakarak fototransdüksiyon kaskadını sonlandırır (karanlık akımı geri yükler).
  3. Düşük hücre içi Ca2+, hücre içi Ca-recoverin-RK'nin Ca2+ ve recoveryin ve rodopsin kinaza (RK) ayrışmasını sağlar . Serbest kalan RK daha sonra Metarhodopsin II'yi fosforile ederek transdusin için bağlanma afinitesini azaltır . Arrestin daha sonra fosforile-metarhodopsin II'yi tamamen devre dışı bırakır ve fototransdüksiyon kaskadı sona erer (karanlık akımı geri yükler).
  4. Düşük hücre içi Ca2+, cGMP kapılı katyon kanalları içindeki Ca2+/Kalmodulin kompleksini düşük cGMP seviyelerine karşı daha duyarlı hale getirir (böylece, cGMP kapılı katyon kanalını düşük cGMP seviyelerinde bile açık tutarak karanlık akımı eski haline getirir)

Daha ayrıntılı olarak:

RGS'nin (G protein sinyalleme düzenleyicileri) GTPaz Hızlandırıcı Proteini (GAP), transdusinin alfa alt birimi ile etkileşime girer ve onun bağlı GTP'sini GDP'ye hidrolize etmesine neden olur ve böylece fosfodiesterazın etkisini durdurarak cGMP'nin GMP'ye dönüşümünü durdurur. Fototransdüksiyon kademesinin bu deaktivasyon adımının (G protein transdüserinin deaktivasyonu), fototransdüksiyon kademesinin deaktivasyonundaki hız sınırlayıcı adım olduğu bulundu.

Başka bir deyişle: Guanilat Siklaz Aktive Edici Protein (GCAP) bir kalsiyum bağlayıcı proteindir ve hücredeki kalsiyum seviyeleri azaldıkça GCAP bağlı kalsiyum iyonlarından ayrışır ve Guanilat Siklaz ile etkileşerek onu aktive eder. Guanilat Siklaz daha sonra GTP'yi cGMP'ye dönüştürmek için ilerler, hücrenin cGMP seviyelerini yeniler ve böylece fototransdüksiyon sırasında kapatılan sodyum kanallarını yeniden açar.

Son olarak, Metarhodopsin II devre dışı bırakılır. Bir başka kalsiyum bağlayıcı protein olan Recoverin, kalsiyum mevcut olduğunda normalde Rodopsin Kinaz'a bağlanır. Fototransdüksiyon sırasında kalsiyum seviyeleri düştüğünde, kalsiyum geri kazanımdan ayrışır ve rodopsin kinaz salınır ve transdusine olan afinitesini azaltan metarhodopsin II'yi fosforile eder. Son olarak, başka bir protein olan arrestin, fosforile edilmiş metarhodopsin II'ye bağlanır ve onu tamamen devre dışı bırakır. Böylece, son olarak, fototransdüksiyon devre dışı bırakılır ve karanlık akım ve glutamat salınımı geri yüklenir. Karanlık adaptasyonun S2 bileşeninden sorumlu olduğu düşünülen Metarhodopsin II'nin fosforile olduğu ve arrestine bağlandığı ve dolayısıyla devre dışı bırakıldığı bu yoldur. S2 bileşeni, tüm ağartma yoğunlukları için karanlık adaptasyonun başlangıcında mevcut olan karanlık adaptasyon fonksiyonunun lineer bir bölümünü temsil eder.

All- trans retinal, 11- cis retinalin öncüsü olan all- trans retinole indirgenmek üzere pigment epitel hücrelerine taşınır . Bu daha sonra çubuklara geri taşınır. All- trans retinal insanlar tarafından sentezlenemez ve diyette A vitamini tarafından sağlanmalıdır. All- trans retinal eksikliği gece körlüğüne neden olabilir . Bu, fotoreseptörlerdeki ve retina pigment epitelindeki retinoidlerin ağartma ve geri dönüşüm sürecinin bir parçasıdır .

Omurgasızlarda fototransdüksiyon

Meyve sineği gibi omurgasızlarda fototransdüksiyon süreci omurgalılardan farklıdır. PI(4,5)P 2 döngüsü , fototransdüksiyon sürecinin temelini oluşturur. Burada ışık, konformasyonel değişikliği Rodopsin'e indükler ve onu meta-rodopsin'e dönüştürür. Bu, G-protein kompleksinin ayrışmasına yardımcı olur. Bu kompleksin alfa alt-birimi aktive PLC hidrolize enzim (PLC-p) PIP2 içine DAG . Bu hidroliz, TRP kanallarının açılmasına ve kalsiyum akışına yol açar .

Referanslar

  • Moiseyev G, Chen Y, Takahashi Y, Wu BX, Ma JX. RPE65, retinoid görsel döngüsündeki izomerohidrolazdır. Proc. Natl. Acad. bilim 2005 Makale .
  • Jin M, Li S, Moghrabi WN, Sun H, Travis GH. Rpe65, sığır retina pigment epitelindeki retinoid izomerazdır. Hücre. 2005 Makale .

Dış bağlantılar