Fisiologia dos Fotorreceptores e Transdução da Luz

A fototransdução é o processo pelo qual as células fotorreceptoras — bastonetes e cones na retina de vertebrados — convertem a luz absorvida em um sinal elétrico. Ao contrário da maioria das células receptoras, os fotorreceptores de vertebrados respondem à luz hiperpolarizando: a luz fecha canais que estão abertos na escuridão. Este tópico aborda a cascata molecular que realiza isso e como ela confere à visão sua notável sensibilidade e faixa dinâmica.

Definition

Fototransdução é a conversão da luz absorvida em uma resposta elétrica em um fotorreceptor, mediada por um pigmento visual que ativa uma cascata de proteína G que diminui o cGMP citoplasmático e fecha os canais catiônicos regulados por nucleotídeos cíclicos, hiperpolarizando a célula.

Scope

A entrada abrange o pigmento visual e sua ativação pela luz, a cascata da proteína G (transducina) e os canais controlados por cGMP que ela regula, a resposta hiperpolarizante à luz dos fotorreceptores de vertebrados e as diferenças entre a fisiologia dos bastonetes e dos cones. É um tópico de referência em fisiologia sensorial e não fornece orientação clínica.

Core questions

• Como a absorção de luz por um pigmento visual gera um sinal elétrico?
• Por que os fotorreceptores de vertebrados hiperpolarizam à luz em vez de despolarizar?
• Como a cascata amplifica um único fóton absorvido em uma resposta mensurável?
• Como os bastonetes e os cones diferem em sensibilidade e velocidade?

Key concepts

• Pigmento visual (rodopsina e opsinas dos cones)
• Fotoisomerização do retinal
• Cascata da transducina (proteína G)
• GMP cíclico e fosfodiesterase
• Canais regulados por nucleotídeos cíclicos
• Corrente escura e hiperpolarização evocada pela luz
• Sensibilidade a fótons únicos e amplificação
• Fisiologia dos bastonetes versus cones

Mechanisms

Na escuridão, os fotorreceptores de vertebrados mantêm uma 'corrente escura' de entrada constante, transportada por canais catiônicos regulados por cGMP, mantidos abertos por um alto nível basal de cGMP. A absorção de um fóton isomeriza o cromóforo retinal do pigmento visual, ativando o pigmento; o pigmento ativado catalisa a troca na transducina da proteína G, que estimula uma fosfodiesterase que hidrolisa o cGMP. À medida que o cGMP diminui, os canais catiônicos se fecham, a corrente de entrada é reduzida e a célula hiperpolariza — a resposta à luz. Yau e Hardie descrevem os motivos conservados desta cascata acoplada à proteína G e suas variações entre os animais, incluindo o contraste com os fotorreceptores de invertebrados que despolarizam à luz. As etapas enzimáticas da cascata fornecem amplificação que permite aos bastonetes sinalizar a absorção de fótons únicos, enquanto os cones trocam alguma sensibilidade por respostas mais rápidas e menos saturantes.

Clinical relevance

A fisiologia dos fotorreceptores sustenta a visão normal e fornece a estrutura para a compreensão de distúrbios retinianos herdados e adquiridos e o conceito de próteses retinianas. Esta entrada apresenta mecanismos normais para referência educacional e não é uma base para decisões de diagnóstico ou tratamento.

Evidence & guidelines

Os mecanismos resumidos baseiam-se na caracterização bioquímica e eletrofisiológica da cascata de fototransdução em bastonetes e cones em diversas espécies. Estes são achados mecanicistas, e não recomendações clínicas, e nenhuma diretriz de tratamento está implícita.

History

O trabalho do século XX estabeleceu a química dos pigmentos visuais e a fotoisomerização do retinal, e posteriormente a eletrofisiologia revelou que os fotorreceptores de vertebrados respondem à luz hiperpolarizando. A cascata enzimática da proteína G que liga a ativação do pigmento ao fechamento do canal foi desvendada nas décadas seguintes, explicando a alta amplificação e a sensibilidade a fótons únicos dos bastonetes. Estudos comparativos, sintetizados por Yau e Hardie, mostraram tanto a lógica conservada da fototransdução quanto suas implementações divergentes em olhos de vertebrados e invertebrados.

Key figures

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

Seminal works

• yau-hardie-2009

Frequently asked questions

Por que os fotorreceptores respondem à luz hiperpolarizando?

Na escuridão, uma corrente regulada por cGMP mantém os fotorreceptores de vertebrados despolarizados; a luz ativa uma cascata que diminui o cGMP e fecha esses canais, de modo que a resposta à luz é uma redução da corrente de entrada e, portanto, uma hiperpolarização.

Como um bastonete pode detectar um único fóton?

A cascata de fototransdução é enzimática e amplificadora: uma molécula de pigmento ativada ativa muitas moléculas de transducina, cada uma impulsionando a destruição de muitas moléculas de cGMP, de modo que um único fóton absorvido produz uma mudança mensurável na corrente da célula.