Sinh lý thụ thể cảm quang và truyền tín hiệu ánh sáng

Truyền tín hiệu quang là quá trình các tế bào thụ thể cảm quang – tế bào que và tế bào nón trong võng mạc động vật có xương sống – chuyển đổi ánh sáng hấp thụ thành tín hiệu điện. Không giống như hầu hết các tế bào thụ thể, các thụ thể cảm quang của động vật có xương sống phản ứng với ánh sáng bằng cách siêu phân cực: ánh sáng đóng các kênh vốn mở trong bóng tối. Chủ đề này bao gồm chuỗi phân tử thực hiện quá trình này và cách nó mang lại cho thị giác độ nhạy và dải động đáng kinh ngạc.

Definition

Truyền tín hiệu quang là sự chuyển đổi ánh sáng hấp thụ thành phản ứng điện trong một thụ thể cảm quang, được trung gian bởi một sắc tố thị giác kích hoạt một chuỗi G-protein làm giảm cyclic GMP trong tế bào chất và đóng các kênh cation cổng nucleotide vòng, làm siêu phân cực tế bào.

Scope

Mục này bao gồm sắc tố thị giác và sự kích hoạt của nó bởi ánh sáng, chuỗi G-protein (transducin) và các kênh cổng cyclic-GMP mà nó kiểm soát, phản ứng siêu phân cực với ánh sáng của các thụ thể cảm quang động vật có xương sống, và sự khác biệt giữa sinh lý tế bào que và tế bào nón. Đây là một chủ đề tham khảo trong sinh lý học cảm giác và không cung cấp hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Sự hấp thụ ánh sáng bởi một sắc tố thị giác tạo ra tín hiệu điện như thế nào?
• Tại sao các thụ thể cảm quang của động vật có xương sống siêu phân cực với ánh sáng thay vì khử cực?
• Chuỗi khuếch đại một photon hấp thụ đơn lẻ thành một phản ứng có thể đo được như thế nào?
• Tế bào que và tế bào nón khác nhau về độ nhạy và tốc độ như thế nào?

Key concepts

• Sắc tố thị giác (rhodopsin và cone opsins)
• Quang đồng phân hóa của retinal
• Chuỗi Transducin (G-protein)
• Cyclic GMP và phosphodiesterase
• Các kênh cổng nucleotide vòng
• Dòng điện tối và sự siêu phân cực do ánh sáng gây ra
• Độ nhạy với photon đơn lẻ và sự khuếch đại
• Sinh lý tế bào que so với tế bào nón

Mechanisms

Trong bóng tối, các thụ thể cảm quang của động vật có xương sống duy trì một 'dòng điện tối' ổn định đi vào, được mang bởi các kênh cation cổng cyclic-GMP được giữ mở bởi mức cyclic GMP cao ở trạng thái nghỉ. Sự hấp thụ một photon làm đồng phân hóa nhóm mang màu retinal của sắc tố thị giác, kích hoạt sắc tố; sắc tố được kích hoạt xúc tác trao đổi trên G-protein transducin, chất này kích thích một phosphodiesterase thủy phân cyclic GMP. Khi cyclic GMP giảm, các kênh cation đóng lại, dòng điện đi vào giảm, và tế bào siêu phân cực – đây là phản ứng với ánh sáng. Yau và Hardie mô tả các motif được bảo tồn của chuỗi liên kết G-protein này và các biến thể của nó ở các loài động vật, bao gồm sự tương phản với các thụ thể cảm quang không xương sống bị khử cực khi có ánh sáng. Các bước enzyme của chuỗi cung cấp sự khuếch đại cho phép các tế bào que báo hiệu sự hấp thụ của các photon đơn lẻ, trong khi các tế bào nón đánh đổi một phần độ nhạy để có phản ứng nhanh hơn, ít bão hòa hơn.

Clinical relevance

Sinh lý thụ thể cảm quang là nền tảng của thị giác bình thường và cung cấp khuôn khổ để hiểu các rối loạn võng mạc di truyền và mắc phải cũng như khái niệm về các bộ phận giả võng mạc. Mục này trình bày các cơ chế bình thường để tham khảo giáo dục và không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị.

Evidence & guidelines

Các cơ chế được tóm tắt dựa trên đặc điểm sinh hóa và điện sinh lý của chuỗi truyền tín hiệu quang trong tế bào que và tế bào nón ở các loài. Đây là những phát hiện cơ chế chứ không phải khuyến nghị lâm sàng, và không có hướng dẫn điều trị nào được ngụ ý.

History

Công trình nghiên cứu thế kỷ XX đã thiết lập hóa học của các sắc tố thị giác và sự quang đồng phân hóa của retinal, và sau đó điện sinh lý học đã tiết lộ rằng các thụ thể cảm quang của động vật có xương sống phản ứng với ánh sáng bằng cách siêu phân cực. Chuỗi G-protein enzyme liên kết sự kích hoạt sắc tố với việc đóng kênh đã được làm rõ trong các thập kỷ tiếp theo, giải thích sự khuếch đại cao và độ nhạy với photon đơn lẻ của tế bào que. Các nghiên cứu so sánh, được tổng hợp bởi Yau và Hardie, đã chỉ ra cả logic được bảo tồn của truyền tín hiệu quang và các cách thực hiện khác nhau của nó trong mắt động vật có xương sống và không xương sống.

Key figures

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

Seminal works

• yau-hardie-2009

Frequently asked questions

Tại sao các thụ thể cảm quang phản ứng với ánh sáng bằng cách siêu phân cực?

Trong bóng tối, một dòng điện cổng cyclic-GMP giữ cho các thụ thể cảm quang của động vật có xương sống bị khử cực; ánh sáng kích hoạt một chuỗi làm giảm cyclic GMP và đóng các kênh này, do đó phản ứng với ánh sáng là sự giảm dòng điện đi vào và do đó là sự siêu phân cực.

Làm thế nào một tế bào que có thể phát hiện một photon đơn lẻ?

Chuỗi truyền tín hiệu quang là enzyme và có tính khuếch đại: một phân tử sắc tố được kích hoạt sẽ kích hoạt nhiều phân tử transducin, mỗi phân tử này thúc đẩy sự phá hủy nhiều phân tử cyclic-GMP, do đó một photon hấp thụ đơn lẻ tạo ra một thay đổi có thể đo được trong dòng điện của tế bào.