Fisiologi Fotoreseptor dan Transduksi Cahaya

Fototransduksi adalah proses di mana sel fotoreseptor — batang dan kerucut di retina vertebrata — mengubah cahaya yang diserap menjadi sinyal listrik. Tidak seperti kebanyakan sel reseptor, fotoreseptor vertebrata merespons cahaya dengan hiperpolarisasi: cahaya menutup saluran yang terbuka dalam kegelapan. Topik ini mencakup kaskade molekuler yang mencapai hal ini dan bagaimana hal itu memberikan penglihatan sensitivitas dan rentang dinamis yang luar biasa.

Definition

Fototransduksi adalah konversi cahaya yang diserap menjadi respons listrik dalam fotoreseptor, dimediasi oleh pigmen visual yang mengaktifkan kaskade protein-G yang menurunkan cGMP sitoplasma dan menutup saluran kation yang diatur nukleotida siklik, menghiperpolarisasi sel.

Scope

Entri ini mencakup pigmen visual dan aktivasinya oleh cahaya, kaskade protein-G (transdusin) dan saluran yang diatur oleh cGMP yang dikontrolnya, respons cahaya hiperpolarisasi fotoreseptor vertebrata, dan perbedaan antara fisiologi batang dan kerucut. Ini adalah topik referensi dalam fisiologi sensorik dan tidak memberikan panduan klinis.

Core questions

• Bagaimana penyerapan cahaya oleh pigmen visual menghasilkan sinyal listrik?
• Mengapa fotoreseptor vertebrata mengalami hiperpolarisasi terhadap cahaya daripada depolarisasi?
• Bagaimana kaskade menguatkan satu foton yang diserap menjadi respons yang terukur?
• Bagaimana batang dan kerucut berbeda dalam sensitivitas dan kecepatan?

Key concepts

• Pigmen visual (rhodopsin dan opsin kerucut)
• Fotoisomerisasi retinal
• Kaskade transdusin (protein-G)
• GMP siklik dan fosfodiesterase
• Saluran yang diatur nukleotida siklik
• Arus gelap dan hiperpolarisasi yang diinduksi cahaya
• Sensitivitas foton tunggal dan amplifikasi
• Fisiologi batang versus kerucut

Mechanisms

Dalam kegelapan, fotoreseptor vertebrata mempertahankan 'arus gelap' masuk yang stabil yang dibawa oleh saluran kation yang diatur cGMP yang tetap terbuka oleh tingkat cGMP istirahat yang tinggi. Penyerapan foton mengisomerisasi kromofor retinal dari pigmen visual, mengaktifkan pigmen; pigmen yang diaktifkan mengkatalisis pertukaran pada transdusin protein-G, yang merangsang fosfodiesterase yang menghidrolisis cGMP. Saat cGMP menurun, saluran kation menutup, arus masuk berkurang, dan sel mengalami hiperpolarisasi — respons cahaya. Yau dan Hardie menjelaskan motif yang dilestarikan dari kaskade yang digabungkan dengan protein-G ini dan variasinya di seluruh hewan, termasuk kontras dengan fotoreseptor invertebrata yang mengalami depolarisasi terhadap cahaya. Langkah-langkah enzimatik kaskade memberikan amplifikasi yang memungkinkan batang untuk memberi sinyal penyerapan foton tunggal, sementara kerucut menukar sebagian sensitivitas untuk respons yang lebih cepat dan kurang jenuh.

Clinical relevance

Fisiologi fotoreseptor mendasari penglihatan normal dan menyediakan kerangka kerja untuk memahami gangguan retina bawaan dan yang didapat serta konsep prostesis retina. Entri ini menyajikan mekanisme normal untuk referensi pendidikan dan bukan dasar untuk keputusan diagnosis atau pengobatan.

Evidence & guidelines

Mekanisme yang dirangkum didasarkan pada karakterisasi biokimia dan elektrofisiologis dari kaskade fototransduksi pada batang dan kerucut di berbagai spesies. Ini adalah temuan mekanistik daripada rekomendasi klinis, dan tidak ada pedoman pengobatan yang tersirat.

History

Pekerjaan abad kedua puluh menetapkan kimia pigmen visual dan fotoisomerisasi retinal, dan kemudian elektrofisiologi mengungkapkan bahwa fotoreseptor vertebrata merespons cahaya dengan hiperpolarisasi. Kaskade protein-G enzimatik yang menghubungkan aktivasi pigmen dengan penutupan saluran dikerjakan selama beberapa dekade berikutnya, menjelaskan amplifikasi tinggi dan sensitivitas foton tunggal pada batang. Studi komparatif, yang disintesis oleh Yau dan Hardie, menunjukkan logika fototransduksi yang dilestarikan dan implementasi yang berbeda pada mata vertebrata dan invertebrata.

Key figures

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

Seminal works

• yau-hardie-2009

Frequently asked questions

Mengapa fotoreseptor merespons cahaya dengan hiperpolarisasi?

Dalam kegelapan, arus yang diatur cGMP menjaga fotoreseptor vertebrata tetap terdepolarisasi; cahaya mengaktifkan kaskade yang menurunkan cGMP dan menutup saluran-saluran ini, sehingga respons terhadap cahaya adalah pengurangan arus masuk dan dengan demikian hiperpolarisasi.

Bagaimana batang dapat mendeteksi satu foton?

Kaskade fototransduksi bersifat enzimatik dan menguatkan: satu molekul pigmen yang diaktifkan mengaktifkan banyak molekul transdusin, masing-masing mendorong penghancuran banyak molekul cGMP, sehingga satu foton yang diserap menghasilkan perubahan yang terukur dalam arus sel.