ativação, inativação e adaptação
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Moreira Jr Editora | RBM Revista Brasileira de Medicina Home Busca Avançada CopyRight Grupo Editorial Moreira Jr Proibida a reprodução sem autorização expressa Página 1 de 4 Edições por Data de Publicação RBM Revista Brasileira de Medicina Pediatria Moderna Normas de Publicação Assinaturas Fale Conosco Contact Us Gostou do artigo? curta nossa página no Facebook: Revisão Fototransdução: ativação, inativação e adaptação Maria Kiyoko Oyamada Médica-assistente doutora da Clínica Oftalmológica do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo. Unitermos: Fototransdução Numeração de páginas na revista impressa: 68 à 72 Pela discriminação de incrementos e decréscimos de estímulos luminosos, em ambientes com diferentes níveis de iluminação, o complexo sistema visual humano permite, através da visão, a interação do sistema biológico com o mundo externo. Tendo-se nos fotorreceptores o início dos principais eventos, a seguir descritos de forma sucinta. Fototransdução é a transformação de energia luminosa em sinais elétricos biologicamente reconhecíveis, que se processa no segmento externo dos cones e bastonetes. O evento inicial é constituído pela absorção de luz pelos pigmentos visuais e pelas alterações de conformações moleculares resultantes. Os mecanismos pelos quais a transdução se processa nos fotorreceptores dos vertebrados são complexos e envolvem a interação de vários sistemas fisiológicos dentro da célula. Pelo processo de adaptação, os receptores retinianos respondem, de forma graduada, com aumento da amplitude de resposta proporcionalmente à intensidade do estímulo. Processo este responsável pelo ajuste na sensibilidade dos fotorreceptores e do sistema visual, tornando possível a detecção de objetos no ambiente, mesmo com grandes alterações no nível de iluminação de fundo. Muito do que se conhece sobre como os sinais são gerados em cones e bastonetes e transmitidos ao longo da via visual foi possível com o desenvolvimento de técnicas de captação de resposta com microeletrodos intracelulares, ao redor de 1970(36). Apesar da maioria dos experimentos serem realizados em células retinianas de vertebrados inferiores(13), muito do que tem sido observado se aplica às células da retina humana. Na retina humana há cerca de 4.6 milhões de cones e 92 milhões de bastonetes(8). A membrana do segmento externo contém os fotopigmentos, com características diferentes em cones e bastonetes, sendo mais abundantes e estáveis nestes últimos. Os bastonetes são sensíveis à luz, pois contêm a rodopsina, que é capaz de absorver fótons de cerca de 500 nm. Os cones contêm a iodopsina e são determinados especificamente pelo tipos de opsina presentes em sua membrana em: cones azul (450 nm), verde (530 nm) e laranja (565 nm)(4). Os pigmentos visuais são compostos por uma apo-proteína denominada opsina ligada a uma molécula cromófora, o 11-cis-retinaldeído, derivada da vitamina A1(6). No escuro, a rodopsina está ligada ao cromóforo 11-cis-retinal que regula sua atividade(37). A absorção de um fóton por este último produz sua fotoisomerização para all-trans-retinal, alterando-se a conformação da primeira através de reações químicas e térmicas, iniciando-se o processo de detecção visual(14,15,22,33). A forma ativa do fotopigmento que desencadeia a cascata da transdução é um intermediário denominado metarodopsina II ou Rh*(11). Esta é inativada por processos de fosforilação por quinases específicas como a rodopsina quinase e provavelmente a proteína quinase C(21,25). Este processo aumenta a afinidade da rodopsina pela proteína regulatória denominada arrestina, finalizando a resposta à luz(27,42). O tempo deste processo determina o tempo de vida da Rh* e difere consideravelmente entre cones e bastonetes(35). Após a inativação do Rh* , o fotopigmento deve ser regenerado para que um novo fóton possa ser absorvido, com a redução do all-trans-retinal para all-trans-retinol e quebra de sua ligação com a arrestina. O processo de regeneração do pigmento, denominado ciclo visual, inicia-se no seguimento externo do fotorreceptor, no qual o retinol é reduzido para all-trans-retinol pela deidrogenase all-trans-retinol(21,24). O cromóforo então é transportado provavelmente por uma proteína carreadora para a camada de células epiteliais do epitélio pigmentar da retina, onde é isomerizado para 11-cis-retinol e oxidado para forma 11-cis-retinal(7,33). Desta forma é retransportado para o fotorreceptor em que se recombina, de forma não enzimática, com a opsina fosforilada para que a regeneração da rodopsina se complete. A recuperação, no sistema visual humano, após degradação dos pigmentos com luz intensa se faz em duas fases, uma lenta, com duração entre 20 e 30 minutos(38), correspondente à regeneração dos pigmentos nos bastonetes e uma rápida, com duração menor que 10 minutos(39), correspondente a cones. Para se entender a forma como o fotorreceptor produz uma resposta à luz, é necessário conhecer o estado elétrico das células em repouso. Há uma diferença de potencial ao longo da membrana dos fotorreceptores de tal forma que o seguimento externo da célula é mais negativo do que o interno. O potencial de membrana resulta da permeabilidade seletiva da membrana aos íons e da diferença de concentração dos mesmos no espaço intra e extracelular. A concentração de K+ no espaço intracelular é maior que no extracelular e o inverso ocorre com os íons de Na. Este gradiente iônico é mantido ativamente pela bomba de Na+/K+, localizado no segmento interno do fotorreceptor, cuja energia é suprida por ATP. Figura 1 - Representação esquemática do ciclo visual. No escuro canais de nucleotídeos cíclicos sensíveis à luz, localizados na superfície da membrana do segmento externo do fotorreceptor, estão abertos permitindo a entrada de cátions, principalmente de Na+ e a membrana do segmento interno tem canais que permitem a saída seletiva de K+ 34. O Na+, que entra no seguimento externo retorna ao seguimento interno por via citoplasmática, determinando uma circulação contínua de íons, denominada de "dark current" ou corrente escura, responsável pelo alto metabolismo oxidativo da retina. Como a permeabilidade ao sódio é alta e os íons Na carregam cargas positivas, o fotorreceptor está relativamente despolarizado em repouso no escuro. A fotoisomerização dos pigmentos visuais resulta no fechamento dos canais iônicos do segmento externo, desencadeando a fototransdução. Com a interrupção da circulação de cátions (dark current) a célula é transitoriamente hiperpolarizada. Aumento gradativo da intensidade do estímulo provoca bloqueios crescentes na circulação de íons, até o bloqueio completo da "dark current", assim os fotorreceptores respondem à estimulação luminosa não com potencial de ação, mas com hiperpolarização gradativa cuja magnitude é proporcional à intensidade do estímulo. http://www.moreirajr.com.br/revistas.asp?fase=r003&id_materia=2158 20/11/2015 Moreira Jr Editora | RBM Revista Brasileira de Medicina Página 2 de 4 Como os pigmentos estão embebidos nas dobras de membranas discais, portanto separados da membrana plasmática, há necessidade do envolvimento de um transmissor interno mediando o efeito da luz(46). Este mediador é o monofosfato de guanosina cíclica (cGMP), presente nos segmentos externos dos fotorreceptores(16). No escuro mantém os canais de íons do segmento externo abertos, permitindo a circulação de íons. A fotoisomerização dos pigmentos visuais leva à hidrólise de cGMP através da ativação da fosfodiesterase pela transducina. Tanto a transducina quanto a fosfodiesterase são compostos por múltiplas subunidades no seu estado inativo, que se dissociam em complexos menores quando ativados. No estado inativo ambas são compostas pelas subunidades protéicas a, b e g, sendo que esta última fração, quando presente, determina o estado de inativação da molécula(2). Após ativação, a Rh* liga-se ao complexo formado por transducina e GDP (Tabg.GDP), promovendo a metabolização deste último para GTP. Esta reação bioquímica é seguida pela dissociação das subunidades b e g e liberação de Rh*, resultando no complexo ativo Ta.GTP. O Rh* liberado vai reagir com novas moléculas Tabg.GDP, produzindo uma considerável amplificação do sinal original(19). A fosfodiesterase é ativada pela Ta.GTP, com a liberação das duas subunidades g. Novamente há uma ampliação dos sinais, uma vez que cada molécula enzimática ativada pode catalizar a hidrólise de centenas de moléculas de cGMP por segundo(2,45), determinando o fechamento de canais e o declínio da fotocorrente(40). Figura 2 - Representação esquemática dos eventos envolvidos na fototransdução no escuro e da corrente escura intracelular. Figura 3 - Representação esquemática dos eventos que ocorrem nos fotorreceptores após estimulação com um fóton de luz. O retorno à condição de repouso (escuro) envolve a recuperação da concentração de cGMP pela sua síntese através da guanilciclase presente no seguimento externo de cones e bastonetes(9,17,25). A Ta.GTP é convertida para Ta.GDP, que não apresenta afinidade pela subunidade g da fosfodiesterase, retornado tanto a transducina quanto a fosfodiesterase para a forma inativa(45). A taxa de hidrólise de GTP para GDP parece ter importância crítica na determinação do tempo da fotorresposta e parece ser a reação que determina o declínio da fotocorrente para o nível de adaptado ao escuro. A adaptação ao escuro é composta de duas fases, a primeira fotoquímica correspondente a uma fase lenta e proporcional à velocidade de regeneração dos pigmentos visuais e uma mais rápida denominada neural(10). Após quebra dos pigmentos visuais com luz intensa, no sistema visual humano a recuperação também se faz em duas fases, uma rápida correspondendo à resposta de cones e outra lenta correpondendo à resposta de bastonetes. Os cones apresentam menor sensibilidade à luz sendo necessário a absorção de cerca de 40x mais fótons para a obtenção de igual resposta a dos bastonetes, no bloqueio da "dark current". O termo "adaptação à luz" é utilizado para denominar o processo tempo-dependente entre a dessensibilização dos fotorreceptores provocada pela luz e a recuperação de sua responsividade. Aparenta ser um mecanismo de controle de ganho no qual o ganho varia com a intensidade da luz ambiente, sendo necessário estimulações luminosas de intensidade crescentes para sua manutenção. Entretanto a relação entre intensidade de estímulo e resposta não é linear para a maioria dos receptores sensoriais. A transdução sensorial é responsável pelo ajuste na sensibilidade dos fotorreceptores e do sistema visual que permite a detecção de objetos no meio ambiente mesmo com grandes variações no nível de iluminação, habilitando o sistema visual humano a detectar contrastes de cerca de 10 logs de unidades de intensidade. A adaptação à luz ocorre nos cones e bastonetes por mecanismos de "feedback" negativos, que controlam a concentração de cGMP no segmento externo dos fotorreceptores. Os canais de íons abertos pelo cGMP, no escuro, permitem a passagem não só de Na+ e K+, mas também de Ca2+ (43), que constitui um mensageiro interno regulador da sensibilidade do mecanismo de transdução(20,36). A concentração de Ca2+ intracelular é baixa comparativamente ao extracelular, tendendo o Ca2+ a se mover para dentro do segmento externo no escuro(26,31). O nível de Ca2+ livre é mantido por mecanismo de troca Na+/Ca2+-K+, localizado na superfície de membrana do segmento externo, assim como por sua ligação a outros elementos, de forma que sua concentração nos fotorreceptores é relativamente alta no escuro e baixa no claro(44). A atividade da fosfodiesterase aumenta no claro provocando diminuição da concentração de cGMP, que determina o fechamento dos canais de íons e impede a entrada de Ca2+ no espaço intracelular. Sendo este um inibidor da ciclase, a queda de sua concentração no espaço intracelular resulta no aumento de síntese de cGMP, compensando a hidrólise provocada pela fosfodiesterase(12). Como a luz de fundo produz uma estimulação constante da fosfodiesterase, um incremento luminoso sobreposto à luz de fundo deve ser suficientemente brilhante para que produza uma estimulação adicional da fosfodiesterase, que resulte na diminuição da concentração de cGMP e determine o fechamento dos canais. Aumentando-se a luminosidade ambiente, a estimulação da fosfodiesterase pela luz de fundo também aumenta, tornando necessário um estímulo luminoso de maior intensidade para que se produza o mesmo decréscimo fracional na cGMP. Mecanismos bioquímicos regulatórios permitem que não ocorra saturação dos bastonetes e os mesmos continuem respondendo quando de incrementos progressivos de estimulação luminosa. O aumento na taxa de ciclase possibilita que o fotorreceptor atinja o estado estacionário, no qual tanto a fosfodiesterase quanto a ciclase estão aceleradas mantendo uma proporção de canais ligados ao cGMP ainda abertos e responsivos. Portanto, o Ca2+ interno altera a atividade da fosfodiesterase, provavelmente de forma indireta regulando alguns passos iniciais na cascata de transdução(23,26); controla a atividade da guanilciclase, enzima sintetizadora do cGMP, prevenindo a saturação da resposta do fotorreceptor e aumentando o alcance de intensidades luminosas sob as quais os bastonetes possam operar. Os bastonetes, especializados na detecção de estímulos de pequena intensidade, podem responder a um fóton de luz visível e atingir respostas de amplitude máxima com flashes de luz de intensidade relativamente baixas. Quando da estimulação de fotorreceptores adaptados ao escuro com luz intensa capaz de elicitar resposta de amplitude máxima, a sensibilidade da transdução é rapidamente diminuída para que não ocorra saturação e os receptores possam responder a incrementos ou reduções da iluminação mantendo-se a iluminação de fundo. A sensibilidade dos fotorreceptores é também diminuída pela exposição prévia à luz que degrada uma fração significante dos pigmentos visuais. Estes podem estimular a cascata visual e produzir excitação estacionária semelhante à provocada pela luz estacionária de fundo. O mecanismo ativo de troca iônica é eletrogênica e pode ser registrada tanto em cones quanto em bastonetes. As alterações elétricas geradas nos fotorreceptores pela estimulação luminosa podem ser medidas na córnea como onda negativa, constituindo a onda a do ERG (18,32). Na ativação da cascata de trandução, a magnitude de ativação pelo Rh* é duas vezes menor para os cones em relação aos bastonetes, e, portanto, ondas a de menor amplitude são obtidas na fase fotópica do eletrorretinograma. http://www.moreirajr.com.br/revistas.asp?fase=r003&id_materia=2158 20/11/2015 Moreira Jr Editora | RBM Revista Brasileira de Medicina Página 3 de 4 Figura 4 - Ondas a e b do eletrorretinograma escotópico. Quando estimulados, os fotorreceptores operam em rede, com interconexões entre bastonete e bastonete, entre cone e cone e de forma mais fraca entre cone e bastonete. O fluxo de energia elétrica resultante da estimulação luminosa se faz de forma multidirecional, envolvendo vias centrípeta, centrífuga, lateral e recíproca. A transmissão dos sinais gerados nos fotorreceptores para os neurônios de 2a ordem se faz através de alterações sinápticas químicas(28). Glutamato(1) e outros neurotransmissores alteram a condutância dos canais de íons, e por mecanismos cálcio-dependentes e cálcio independentes provocam alterações no potencial de membrana das células pós-sinápticas(41). Cada cone pode ativar simultaneamente dois tipos diferentes de células bipolares(29). Um que despolariza quando o centro de seu respectivo campo é iluminado, denominado de célula ON-bipolar, e outro que hiperpolariza quando o centro de seu respectivo campo é iluminado, denominado OFF-bipolar. Desta forma, na retina externa o estímulo é segregado em vias paralelas, a via ON, que responde ao aumento do brilho, e a via OFF, que responde à diminuição do brilho(29) permitindo a percepção e acentuando a sensibilidade de contraste. A hiperpolarização dos fotorreceptores induzida pela estimulação luminosa reduz a liberação de neurotransmissores nas sinapses com conseqüente despolarização ou hiperpolarização das células bipolares e horizontais. A despolarização das células bipolares produz um aumento na concentração de K+ extracelular, na camada plexiforme externa, causando a despolarização das células de Müller e gerando a onda b do ERG(18,32). Bibliografia 1. Ayoub, G.S.; Copenhagen, D.R.: Application of a fluorometric method to measure glutamate release from single retinal photoreceptors. J Neurosci Methods 37:7-14, 1991. 2. Baehr, W.; Devlin, M.J.; Applebury, M.L.: Isolation and characterization of cGMP phosphodiesterase from bovine rod outer segments. J Biol Chem 254:11669-11677, 1979. 3. Bownds, D.; Dawes, J.; Miller, J. and Stahlman, M.: Phosphorylarion of frog photoreceptor membranes induced by light. Nature New Biol 237:125-127, 1972. 4. Brown, P.K.; Wald, G.: Visual pigments in single rods and cones of the human retina: direct measurements reveal mechanisms of human night and color vision. Science 144:45-51, 1964. 5. Buczylko, J.; Saari, J.C.; Crouch, R.K. and Palczewski, K.: Mechanisms of opsin activation. 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