Cykl wizualny
Cykl wzrokowy to proces w siatkówce, który uzupełnia cząsteczkę siatkówki do jej wykorzystania w widzeniu . Siatkówka jest chromoforem większości wizualnych opsyn , co oznacza, że przechwytuje fotony , aby rozpocząć kaskadę fototransdukcji . Kiedy foton jest absorbowany, siatkówka 11-cis fotoizomeryzuje do siatkówki all-trans , gdy jest wyrzucana z białka opsyny. Każda cząsteczka siatkówki musi podróżować z komórki fotoreceptorowej do RPE iz powrotem, aby odświeżyć się i połączyć z innym opsinem. Ten zamknięty szlak enzymatyczny siatkówki 11-cis jest czasami nazywany cyklem wizualnym Walda na cześć George'a Walda (1906–1997), który otrzymał Nagrodę Nobla w 1967 r. Za pracę nad jego odkryciem.
siatkówki
Retinal jest chromoforem , który tworzy światłoczułe białka retinylidenowe , gdy są kowalencyjnie związane z białkami zwanymi opsynami . Siatkówka może sama ulegać fotoizomeryzacji , ale wymaga związania z białkiem opsyny, aby zarówno uruchomić kaskadę fototransdukcji , jak i dostroić czułość widmową do dłuższych fal, które umożliwiają widzenie kolorów .
Retinal jest rodzajem retinoidu i aldehydową formą witaminy A. Retinal jest wzajemnie konwertowalny z retinolem , formą transportu i magazynowania witaminy A. Podczas cyklu wzrokowego siatkówka porusza się między kilkoma różnymi izomerami, a także jest przekształcana w retinol i ester retinylu . Retinoidy mogą pochodzić z utleniania karotenoidów , takich jak beta-karoten , lub mogą być spożywane bezpośrednio. Aby dotrzeć do siatkówki, wiąże się z białkiem wiążącym retinol (RBP) i transtyretyną , co zapobiega jego filtracji w kłębuszkach nerkowych .
Podobnie jak w przypadku transportu szlakiem RBP-transtyretyna, retinoidy zawsze muszą być związane z cząsteczkami opiekuńczymi z kilku powodów. Retinoidy są toksyczne, nierozpuszczalne w roztworach wodnych i podatne na utlenianie, dlatego muszą być wiązane i chronione, gdy znajdują się w organizmie. Organizm wykorzystuje różne białka opiekuńcze, szczególnie w siatkówce, do transportu retinoidów.
Przegląd
Cykl wizualny jest spójny u ssaków i podsumowuje go w następujący sposób:
- ester all- trans -retinylu + H2O → 11- cis -retinol + kwas tłuszczowy ; izomerohydrolazy RPE65 ;
- 11- cis -retinol + NAD + → 11- cis -retinal + NADH + H + ; dehydrogenazy 11- cis -retinolu;
- 11- cis -retinal + aporodopsyna → rodopsyna + H2O ; tworzy zasady Schiffa z lizyną , -CH=N + H-;
- rodopsyna + hν → metarhodopsyna II (tj. 11- cis fotoizomeryzuje do all- trans ):
- (rodopsyna + hν → fotorodopsyna → batorodopsyna → lumirhodopsyna → metarhodopsyna I → metarhodopsyna II);
- metarhodopsyna II + H 2 O → aporodopsyna + all- trans -retinal;
- all- trans -retinal + NADPH + H + → all- trans -retinol + NADP + ; dehydrogenazy all- trans -retinolu ;
- all- trans -retinol + kwas tłuszczowy → ester all- trans -retinylu + H 2 O; acylotransferazy lecytynowo-retinolowe (LRAT).
Kroki 3, 4, 5 i 6 występują w zewnętrznych segmentach pręcików ; Kroki 1, 2 i 7 występują w nabłonka barwnikowego siatkówki (RPE).
Opis
Kiedy foton światła jest absorbowany, siatkówka 11-cis przekształca się w siatkówkę all-trans i przemieszcza się do miejsca wyjścia rodopsyny . Nie opuści białka opsyny, dopóki nie pojawi się inny świeży chromofor, który go zastąpi, z wyjątkiem szlaku ABCR. Wciąż związany z opsyną, all-trans retinal jest przekształcany w all-trans retinol przez all-trans dehydrogenazę retinolu. Następnie przechodzi do błony komórkowej pręcika, gdzie jest opiekuńczy do nabłonka barwnikowego siatkówki (RPE) przez białko wiążące retinoid między fotoreceptorami (IRBP). Następnie wchodzi do komórek RPE i jest przenoszony do białka opiekuńczego Cellular Retinol Binding Protein (CRBP).
Wewnątrz komórki RPE, związany z CRBP, all-trans retinol jest estryfikowany przez acylotransferazę retinolu lecytyny (LRAT), tworząc ester retinylu. Estry retinylu RPE są otoczone białkiem znanym jako RPE65 . W tej formie RPE przechowuje większość swoich retinoidów, ponieważ RPE przechowuje 2-3 razy więcej retinoidów niż sama siatkówka nerwowa. Gdy wymagany jest dalszy chromofor, estry retinylu są poddawane działaniu izomerohydrolazy w celu wytworzenia 11-cis-retinolu, który jest przenoszony do komórkowego białka wiążącego retinaldehyd (CRALBP). 11-cis retinol jest przekształcany w 11-cis retinal przez dehydrogenazę 11-cis-retinolu , a następnie jest transportowany z powrotem do komórek fotoreceptorów przez IRBP . Tam zastępuje zużyty chromofor w cząsteczkach opsyny, czyniąc opsynę światłoczułą.
szlak ABCR
W normalnych warunkach zużyty chromafor jest usuwany z białka przez nadchodzący „naładowany” chromafor. Jednak czasami zużyty chromofor może opuścić białko opsyny przed jego zastąpieniem, gdy jest związany z ABCA4 (znanym również jako ABCR). Na tym etapie jest również przekształcany w retinol all-trans, a następnie opuszcza zewnętrzny segment fotoreceptora za pośrednictwem białka opiekuńczego IRBP. Następnie podąża za konwencjonalnym cyklem wizualnym. To z tego szlaku można wytłumaczyć obecność opsyny bez chromoforu.
Rozporządzenie RGR
Cykl wzrokowy może być regulowany przez siatkówkowy układ receptorów sprzężonych z białkiem G (RGR-opsyna) . Kiedy światło aktywuje RGR-opsynę, recykling chromoforu w RPE jest przyspieszony. Mechanizm ten zapewnia dodatkowy chromofor po intensywnym wybielaniu i może być postrzegany jako ważny mechanizm we wczesnych fazach adaptacji do ciemności i uzupełniania chromoforów.
Cykle alternatywne
Cykl wizualny specyficzny dla stożka
Uważa się, że istnieje alternatywny cykl wizualny, który wykorzystuje komórki glejowe Müllera zamiast nabłonka barwnikowego siatkówki . Na tym szlaku czopki redukują retinal all-trans do retinolu all-trans poprzez dehydrogenazę retinolu all-trans, a następnie transportują retinol all-trans do komórek Müllera. Tam jest przekształcany w 11-cis retinol przez izomerazę all-trans retinolu i może być przechowywany jako estry retinylu w komórkach Müllera lub transportowany z powrotem do fotoreceptorów czopków, gdzie jest przekształcany z 11-cis retinolu w 11-cis retinalu przez 11-cis dehydrogenazę siatkówki. Szlak ten pomaga wyjaśnić szybką adaptację do ciemności w układzie czopków i obecność dehydrogenazy siatkówki 11-cis w fotoreceptorach czopków, ponieważ nie występuje ona w pręcikach, tylko w RPE.
Cykl wizualny melanopsyny
Melanopsyna jest wizualną opsyną obecną w samoistnie światłoczułych komórkach zwojowych siatkówki (ipRGC), również z chromaforem siatkówki. Jednak w przeciwieństwie do pigmentów pręcików i czopków, melanopsyna ma zdolność działania zarówno jako pobudliwy fotopigment, jak i fotoizomeraza . Melanopsyna jest zatem zdolna do izomeryzacji all-trans- retinalu do samego 11-cis- retinalu po stymulacji innym fotonem. Dlatego ipRGC nie opiera się na komórkach Müllera i / lub komórkach nabłonka barwnikowego siatkówki do tej konwersji.
Wrodzona ślepota Lebera
Jako możliwy mechanizm wrodzonej ślepoty Lebera zaproponowano niedobór RPE65 . Bez białka RPE65 RPE nie jest w stanie przechowywać estrów retinylu, w związku z czym cykl wzrokowy zostaje przerwany. W początkowych stadiach choroby komórki czopków pozostają nienaruszone, ponieważ mogą polegać na alternatywnym cyklu widzenia komórek Mullera. Pręty nie mają jednak dostępu do tej alternatywy i stają się obojętne. Dlatego LCA objawia się jako nyctalopia (ślepota nocna). W późniejszych stadiach choroby obserwuje się ogólną retinopatię w postaci pręcików tracą zdolność sygnalizowania. W rezultacie pręciki nieustannie wydzielają glutaminian , neuroprzekaźnik, w tempie, którego komórki Mullera nie są w stanie wchłonąć. Poziomy glutaminianu będą gromadzić się w siatkówce, gdzie osiągną poziomy neurotoksyczne. Niedobór RPE65 byłby pochodzenia genetycznego i jest tylko jedną z wielu proponowanych możliwych patofizjologii choroby. Istnieje jednak terapia genowa siatkówki w celu ponownego wprowadzenia normalnych genów RPE65, która została zatwierdzona przez FDA od 2017 roku.