فیزیولوژی گیرنده‌های نوری و انتقال سیگنال نوری

انتقال سیگنال نوری (Phototransduction) فرآیندی است که طی آن سلول‌های گیرنده نوری — میله‌ای و مخروطی در شبکیه مهره‌داران — نور جذب‌شده را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. برخلاف بیشتر سلول‌های گیرنده، گیرنده‌های نوری مهره‌داران با هایپرپولاریزه شدن به نور پاسخ می‌دهند: نور کانال‌هایی را که در تاریکی باز هستند، می‌بندد. این مبحث آبشار مولکولی که این فرآیند را محقق می‌سازد و چگونگی اعطای حساسیت و دامنه دینامیکی قابل توجه به بینایی را پوشش می‌دهد.

Definition

انتقال سیگنال نوری (Phototransduction) تبدیل نور جذب‌شده به پاسخ الکتریکی در یک گیرنده نوری است که توسط یک رنگدانه بینایی واسطه می‌شود. این رنگدانه یک آبشار پروتئین G را فعال می‌کند که cGMP سیتوپلاسمی را کاهش داده و کانال‌های کاتیونی وابسته به نوکلئوتید حلقوی را می‌بندد و سلول را هایپرپولاریزه می‌کند.

Scope

این مدخل شامل رنگدانه بینایی و فعال‌سازی آن توسط نور، آبشار پروتئین G (ترانسدوسین) و کانال‌های وابسته به cGMP که توسط آن کنترل می‌شوند، پاسخ هایپرپولاریزه کننده به نور در گیرنده‌های نوری مهره‌داران، و تفاوت‌های فیزیولوژی سلول‌های میله‌ای و مخروطی است. این یک مبحث مرجع در فیزیولوژی حسی است و راهنمایی بالینی ارائه نمی‌دهد.

Core questions

• چگونه جذب نور توسط یک رنگدانه بینایی یک سیگنال الکتریکی تولید می‌کند؟
• چرا گیرنده‌های نوری مهره‌داران به جای دپولاریزه شدن، به نور هایپرپولاریزه می‌شوند؟
• چگونه این آبشار یک فوتون جذب‌شده منفرد را به یک پاسخ قابل اندازه‌گیری تقویت می‌کند؟
• سلول‌های میله‌ای و مخروطی در حساسیت و سرعت چه تفاوت‌هایی دارند؟

Key concepts

• رنگدانه بینایی (رودوپسین و اپسین‌های مخروطی)
• فوتوایزومریزاسیون رتینال
• آبشار ترانسدوسین (پروتئین G)
• سیکلیک GMP و فسفودی‌استراز
• کانال‌های وابسته به نوکلئوتید حلقوی
• جریان تاریکی و هایپرپولاریزاسیون ناشی از نور
• حساسیت تک‌فوتونی و تقویت
• فیزیولوژی سلول‌های میله‌ای در مقابل مخروطی

Mechanisms

در تاریکی، گیرنده‌های نوری مهره‌داران یک 'جریان تاریکی' ورودی ثابت را حفظ می‌کنند که توسط کانال‌های کاتیونی وابسته به cGMP که توسط سطح بالای cGMP در حالت استراحت باز نگه داشته شده‌اند، حمل می‌شود. جذب یک فوتون، کروموفور رتینال رنگدانه بینایی را ایزومریزه کرده و رنگدانه را فعال می‌کند؛ رنگدانه فعال‌شده تبادل روی پروتئین G ترانسدوسین را کاتالیز می‌کند، که یک فسفودی‌استراز را تحریک می‌کند که cGMP را هیدرولیز می‌کند. با کاهش cGMP، کانال‌های کاتیونی بسته می‌شوند، جریان ورودی کاهش می‌یابد و سلول هایپرپولاریزه می‌شود — این پاسخ به نور است. یائو و هاردی موتیف‌های حفظ‌شده این آبشار مرتبط با پروتئین G و تغییرات آن در حیوانات مختلف، از جمله تفاوت با گیرنده‌های نوری بی‌مهرگان که در پاسخ به نور دپولاریزه می‌شوند، را توصیف می‌کنند. مراحل آنزیمی این آبشار تقویت را فراهم می‌کند که به سلول‌های میله‌ای اجازه می‌دهد جذب فوتون‌های منفرد را سیگنال دهند، در حالی که سلول‌های مخروطی مقداری از حساسیت خود را برای پاسخ‌های سریع‌تر و کمتر اشباع‌شونده معاوضه می‌کنند.

Clinical relevance

فیزیولوژی گیرنده‌های نوری زیربنای بینایی طبیعی است و چارچوبی برای درک اختلالات ارثی و اکتسابی شبکیه و مفهوم پروتزهای شبکیه فراهم می‌کند. این مدخل مکانیسم‌های طبیعی را برای مرجع آموزشی ارائه می‌دهد و مبنایی برای تشخیص یا تصمیمات درمانی نیست.

Evidence & guidelines

مکانیسم‌های خلاصه‌شده بر اساس توصیف بیوشیمیایی و الکتروفیزیولوژیکی آبشار انتقال سیگنال نوری در سلول‌های میله‌ای و مخروطی در گونه‌های مختلف استوار است. این‌ها یافته‌های مکانیکی هستند تا توصیه‌های بالینی، و هیچ دستورالعمل درمانی ضمنی نیست.

History

کارهای قرن بیستم شیمی رنگدانه‌های بینایی و فوتوایزومریزاسیون رتینال را تثبیت کرد، و بعدها الکتروفیزیولوژی نشان داد که گیرنده‌های نوری مهره‌داران با هایپرپولاریزه شدن به نور پاسخ می‌دهند. آبشار آنزیمی پروتئین G که فعال‌سازی رنگدانه را به بسته شدن کانال‌ها مرتبط می‌کند، در دهه‌های بعدی کشف شد و تقویت بالا و حساسیت تک‌فوتونی سلول‌های میله‌ای را توضیح داد. مطالعات تطبیقی، که توسط یائو و هاردی جمع‌بندی شد، هم منطق حفظ‌شده انتقال سیگنال نوری و هم پیاده‌سازی‌های واگرای آن در چشم مهره‌داران و بی‌مهرگان را نشان داد.

Key figures

• King-Wai Yau
• Roger Hardie
• Denis Baylor
• Lubert Stryer
• George Wald

Seminal works

• yau-hardie-2009

Frequently asked questions

چرا گیرنده‌های نوری با هایپرپولاریزه شدن به نور پاسخ می‌دهند؟

در تاریکی، یک جریان وابسته به cGMP گیرنده‌های نوری مهره‌داران را دپولاریزه نگه می‌دارد؛ نور یک آبشار را فعال می‌کند که cGMP را کاهش داده و این کانال‌ها را می‌بندد، بنابراین پاسخ به نور کاهش جریان ورودی و در نتیجه هایپرپولاریزاسیون است.

چگونه یک سلول میله‌ای می‌تواند یک فوتون منفرد را تشخیص دهد؟

آبشار انتقال سیگنال نوری آنزیمی و تقویت‌کننده است: یک مولکول رنگدانه فعال‌شده بسیاری از مولکول‌های ترانسدوسین را فعال می‌کند، که هر یک باعث تخریب بسیاری از مولکول‌های cGMP می‌شوند، بنابراین یک فوتون جذب‌شده منفرد تغییر قابل اندازه‌گیری در جریان سلول ایجاد می‌کند.