Войти
Визуальный цикл. hν = падающий фотон Визуальная фототрансдукция - это сенсорная трансдукция зрительной системы. Это процесс, с помощью которого свет преобразуется в электрические сигналы в стержневых клетках, колбочках и светочувствительных ганглиозных клетках. сетчатки глаза. Этот цикл был разъяснен Джорджем Уолдом (1906–1997), за что он получил Нобелевскую премию в 1967 году. В его честь это так называемый «Визуальный цикл Вальда».
Визуальный цикл - это биологическое преобразование фотона в электрический сигнал в сетчатке. Этот процесс происходит через рецепторы, связанные с G-белком, называемые опсинами, которые содержат хромофор 11-цис-ретиналь. 11-цис-ретиналь ковалентно связан с рецептором опсина через основание Шиффа, образуя ретинилиденовый белок. При попадании фотона, 11-цис-ретиналь подвергается фотоизомеризации в полностью-транс-ретиналь, что изменяет конформацию опсина GPCR, приводящий к каскадам передачи сигнала, которые вызывают закрытие циклического GMP-контролируемого катионного канала и гиперполяризацию фоторецепторной клетки.
После изомеризации и высвобождения из опсина белка, полностью транс-ретиналь восстанавливается до полностью-транс-ретинола и возвращается обратно в пигментный эпителий сетчатки для «подзарядки». Сначала он этерифицируется с помощью лецитинретинолацилтрансферазы (LRAT), а затем превращается в 11-цис-ретинол изомерогидролазой RPE65. Показана изомеразная активность RPE65; пока неясно, действует ли он также как гидролаза. Наконец, он окисляется до 11-цис-ретиналя перед возвращением к внешнему сегменту стержня , где он снова конъюгируется с опсином, чтобы сформировать новый функциональный зрительный пигмент (родопсин ).
фоторецепторные клетки, участвующие в зрении, - это палочки и колбочки. Эти клетки содержат хромофор (11-цис-ретиналь, альдегид из витамина A1 и светопоглощающая часть), связанный с клеточной мембраной. белок, опсин. Жезлы работают с низким уровнем освещения и не влияют на цветовое зрение. Конусы, с другой стороны, могут кодировать цвет изображения путем сравнения выходных данных трех разных типов конусов. Каждый тип колбочки лучше всего реагирует на определенные длины волн или цвета света, потому что каждый тип имеет немного другой опсин. Три типа колбочек - это L-конусы, M-конусы и S-конусы, которые оптимально реагируют на длинные волны (красноватый цвет), средние длины волн (зеленоватый цвет) и короткие волны (голубоватый цвет) соответственно. У людей есть трехцветная зрительная система, состоящая из трех уникальных систем: стержней, колбочек, чувствительных к средним и длинным волнам (красный и зеленый), и колбочек, чувствительных к коротким волнам (синие).
Поглощение световодов к изомерному изменению в молекуле сетчатки. Чтобы понять поведение фоторецептора в зависимости от интенсивности света, необходимо понять роль различных токов.
Происходит постоянный выходящий калиевый ток через несвязанные K-селективные каналы. Этот исходящий ток имеет тенденцию к гиперполяризации фоторецептора на уровне около -70 мВ (равновесный потенциал для K).
Существует также входящий внутрь натриевый ток, переносимый cGMP -зависимыми натриевыми каналами. Этот так называемый «темновой ток » деполяризует клетку примерно до -40 мВ. Обратите внимание, что он значительно более деполяризован, чем большинство других нейронов.
Высокая плотность Na-K насосов позволяет фоторецептору поддерживать постоянную внутриклеточную концентрацию Na и K.
Фоторецепторные клетки являются необычными клетками в том смысле, что они деполяризуются в ответ на отсутствие стимулов или скотопических условий (темнота). В фотопических условиях (свет) фоторецепторы гиперполяризуются до потенциала -60 мВ.
В темноте уровни цГМФ высоки и удерживают управляемые цГМФ натриевые каналы открытыми, обеспечивая постоянный внутренний ток, называемый темновым током. Этот темновой ток сохраняет клетку деполяризованной на уровне около -40 мВ, что приводит к высвобождению глутамата, который ингибирует возбуждение нейронов.
Деполяризация клеточной мембраны в скотопических условиях открывает потенциалзависимые кальциевые каналы. Повышенная внутриклеточная концентрация Ca заставляет везикулы, содержащие глутамат, нейромедиатор, сливаться с клеточной мембраной, высвобождая глутамат в синаптическую щель, область между концом одной клетки и началом другой нейрона. Глутамат, хотя обычно возбуждающий, действует здесь как тормозящий нейротрансмиттер.
В глутамате колбочкового пути:
В итоге: свет закрывает цГМФ-управляемые натриевые каналы, уменьшая приток как Na, так и Ca ионы. Прекращение притока ионов Na эффективно отключает темновой ток. Уменьшение этого темнового тока вызывает гиперполяризацию фоторецептора, что снижает высвобождение глутамата, что снижает угнетение нервов сетчатки, что приводит к возбуждению этих нервов. Этот уменьшенный приток Са во время фототрансдукции делает возможным дезактивацию и восстановление после фототрансдукции, как обсуждается в Визуальная фототрансдукция # Деактивация каскада фототрансдукции.
Представление молекулярных стадий фотоактивации (модифицировано из Leskov et al., 2000). Изображен диск внешней мембраны в стержне. Шаг 1: Падающий фотон (hν) поглощается и активирует родопсин за счет конформационного изменения мембраны диска на R *. Шаг 2: Затем R * устанавливает повторные контакты 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 субъединицы γ фосфодиэстеразы (PDE), активируя ее субъединицы α и β. Этап 4: Активированный PDE гидролизует цГМФ. Шаг 5: Гуанилилциклаза (ГК) синтезирует цГМФ, второго мессенджера в каскаде фототрансдукции. Снижение уровней цитозольного цГМФ вызывает закрытие каналов, управляемых циклическими нуклеотидами, предотвращая дальнейший приток Na + и Ca2 +. На свету низкие уровни цГМФ закрывают каналы Na + и Ca2 +, уменьшая внутриклеточный Na + и Ca2 +. Во время выздоровления (адаптация к темноте ) низкие уровни Ca2 + вызывают выздоровление (прекращение каскада фототрансдукции), а именно:
Более подробно:
Ускоряющий белок GTPase (GAP) взаимодействует с альфа-субъединицей трансдуцина и заставляет его гидролизовать связанный с ним GTP до GDP, тем самым останавливая действие фосфодиэстеразы, останавливая преобразование cGMP в GMP.
Другими словами: белок, активирующий гуанилатциклазу (GCAP), представляет собой кальций-связывающий белок, и по мере снижения уровня кальция в клетке GCAP отделяется от связанных ионов кальция и взаимодействует с гуанилатциклазой, активируя ее.. Затем гуанилатциклаза преобразует GTP в цГМФ, пополняя уровни цГМФ в клетке и, таким образом, повторно открывая натриевые каналы, которые были закрыты во время фототрансдукции.
Наконец, Метародопсин II деактивирован. Рековерин, другой связывающий кальций белок, обычно связывается с родопсинкиназой, когда присутствует кальций. Когда уровни кальция падают во время фототрансдукции, кальций отделяется от регенерина и высвобождается родопсинкиназа, когда она (что?) Переходит к фосфорилированию, что снижает его сродство к трансдуцину. Наконец, другой белок, аррестин, связывает фосфорилированный метародопсин II, полностью дезактивируя его. Таким образом, наконец, фототрансдукция дезактивируется, и темновой ток и высвобождение глутамата восстанавливаются. Именно по этому пути метародопсин II фосфорилируется и связывается с аррестином и, таким образом, дезактивируется, что считается ответственным за компонент S2 адаптации к темноте. Компонент S2 представляет собой линейный участок функции адаптации к темноте, присутствующий в начале адаптации к темноте для всех интенсивностей обесцвечивания.
Полностью транс-ретиналь транспортируется к пигментным эпителиальным клеткам для восстановления до полностью транс-ретинола, предшественника 11-цис-ретиналя. Затем он возвращается к стержням. Полностью транс-ретиналь не может быть синтезирован людьми и должен быть обеспечен витамином А в рационе. Дефицит полностью транс-сетчатки может привести к куриной слепоте. Это часть процесса отбеливания и рециркуляции ретиноидов в фоторецепторах и пигментном эпителии сетчатки.
Процесс фототрансдукции у беспозвоночных, таких как плодовая муха, отличается от позвоночных. PI (4,5) P 2 цикл лежит в основе процесса фототрансдукции. Здесь свет вызывает конформационные изменения в родопсин и превращает его в мета-родопсин. Это помогает в диссоциации комплекса G-белка. Субъединица альфа этого комплекса активирует фермент PLC (PLC-beta), который гидролизует PIP2 в DAG. Этот гидролиз приводит к открытию каналов TRP и притоку кальция.
