시각광전도

Visual phototransduction
시각적 주기. hν = 입사광자

시각 광전도는 시각계의 감각 전달이다. 그것은 빛이 눈의 망막의 막대 세포, 원추 세포, 감광성 갱도 세포에서 전기 신호로 변환되는 과정이다. 이 주기는 조지 월드가 1967년 노벨상을 받은 것으로 해명하였다. 그의 뒤를 이어 이른바 '월드의 시각 사이클'이다.

시각 주기는 광자가 망막의 전기 신호로 생물적으로 변환되는 것이다. 이 과정은 색소포레 11-cis 레티날을 포함하는 opsin이라고 불리는 G-단백질 결합 수용체를 통해 발생한다. 11-cis 레티닐리덴 단백질을 형성하는 쉬프 베이스에 의해 opsin 수용체와 공칭적으로 연결되어 있다. 광자에 부딪히면 11-cis 망막은 전체 망막으로 광등화되며, 이는 주기적인 GMP-gated cation 채널의 폐쇄를 초래하는 신호 전달 폭포와 광수용체 셀의 초극화를 야기하는 신호 전달 폭포로 이어진다.

이소머라이징과 오신단백질에서 방출된 후, 모든 전이 망막은 모든 전이 망막으로 감소하고 망막색소 상피로 다시 이동하여 "충전"된다. 처음에는 레시틴 레티놀 아킬트랜스퍼레이즈(LRAT)에 의해 에스테르화되었다가 이소메로하이드롤라아제 RPE65에 의해 11-cis 레티놀로 전환된다. RPE65의 이소메라제 활성이 보여졌다. 이 활성이 하이드롤라제 역할도 하는지 여부는 여전히 불확실하다. 마지막으로, 로드 외측 부분으로 다시 이동하기 전에 11-cis 망막으로 산화되며, 여기서 다시 opsin으로 결합되어 새롭고 기능적인 시각 색소(roodopsin)를 형성한다.

광수용체

시력에 관여하는 광수용체 세포는 막대기와 원뿔이다. 이 세포들은 세포막 단백질인 opsin과 결합한 색소포레(11-cis 레티날, 비타민 A1의 알데히드, 빛 흡수 부분)를 함유하고 있다. 로드는 낮은 조도를 다루며 색시력을 조정하지 않는다. 반면에 콘은 세 종류의 콘의 출력물 비교를 통해 이미지의 색상을 코딩할 수 있다. 각 원뿔형은 각 타입이 약간 다른 opsin을 가지고 있기 때문에 빛의 특정 파장, 즉 색에 가장 잘 반응한다. 원뿔의 세 종류는 롱 파장(빨간색), 중파장(녹색색), 짧은 파장(블루이시색)에 각각 최적으로 반응하는 L-콘, M-콘, S-콘이다. 인간은 로드, 중파장 민감(빨간색 및 녹색) 원추, 단파장 민감(파란색) 원추 등 3개의 독특한 계통으로 구성된 삼색시계를 가지고 있다.[1]

과정

빛의 흡수는 망막 분자의 이질적 변화로 이어진다.

광강도에 대한 광수용체의 행동을 이해하기 위해서는 다른 전류의 역할을 이해할 필요가 있다.

비농축 K-선택+ 채널을 통해 외부 칼륨 전류가 진행 중이다. 이 외부 전류는 약 -70 mV(K의 평형전위+)에서 광수용체를 과극화하는 경향이 있다.

cGMP 게이트 나트륨 채널에 의해 운반되는 내부 나트륨 전류도 있다. 소위 '암류'라고 불리는 이 전류는 셀을 약 -40mV로 탈극시킨다. 이것은 대부분의 다른 뉴런들에 비해 현저하게 더 탈분극화되어 있다는 점에 주목하라.

높은 Na-K++ 펌프는 광수용체가 Na와+ K의+ 세포내 농도를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.

어둠 속에서

광수용체 세포는 자극의 부재나 스코티시 조건(어두움)에 대응하여 탈극화한다는 점에서 특이한 세포다. 광학 조건(빛)에서는 광수용체를 -60mV의 전위로 극화시킨다.

어두운 곳에서는 cGMP 레벨이 높고 cGMP-gated sodium channel을 열어두면 암전류라고 불리는 안정적인 내부 전류가 가능하다. 이 어두운 전류는 세포의 분극화를 약 -40 mV로 유지시켜, 글루타민테 방출로 이어져 뉴런의 분리를 억제한다.

스코토픽 조건에서의 세포막의 탈극화는 전압에 의한 칼슘 채널을 개방한다. 세포내 Ca의2+ 농도가 증가하면 신경전달물질인 글루탐산염을 함유한 음낭이 세포막과 합쳐져 글루탐산염을 세포 끝과 다른 뉴런의 시작 사이의 영역인 시냅스 구획으로 방출하게 된다. 글루탐산염은 대개 흥분성이 있지만 여기서 억제 신경전달물질로 기능한다.

글루탐산염 원뿔 경로에서:

  • 중앙의 양극성 세포를 극지방화한다. 어둠 속에서 광수용체로부터 방출되는 글루타민산염은 메타보틱성 글루타민 수용체(mGluR6)에 결합되는데, 이는 G-단백 결합 메커니즘을 통해 세포 내 비특정 양이온 채널을 폐쇄시켜 양극성 세포를 과극화시킨다.
  • 중심에서 벗어난 양극 세포를 분해한다. 글루탐산염을 이온성 글루탐산염 수용체에 결합하면 양극 세포를 탈극화하는 내부 양이온 전류가 발생한다.

밝은 데서

요약하면: 빛은 cGMP로 게이트된 나트륨 채널을 닫아 Na와+ Ca2+ 이온의 유입을 모두 감소시킨다. Na+ 이온의 유입을 막으면 암류가 효과적으로 차단된다. 이 어두운 전류를 줄이면 광수용체가 과극성을 일으켜 글루타민테 방출이 감소하여 망막신경의 억제를 감소시켜 이러한 신경의 흥분으로 이어진다. 이렇게 감소된 광전도 중2+ Ca 유입은 시각 광전도#광전도 캐스케이드의 비활성화 및 광전도 복구가 가능하다.

광활성화에서 분자단계의 표현(Leskov 등, 2000년[2]) 로드의 바깥쪽 막 원반을 묘사하고 있다. 1단계: 입사광자(hν)가 흡수되어 디스크 막의 순응적 변화에 의해 R*로 로돕신을 활성화한다. 2단계: 다음으로, R*는 변환기 분자와 반복적으로 접촉하여 세포질 GTP와 교환하여 바운드 GDP의 방출에 의해 활성화가 G*로 촉진되며, 이는 β와 and 서브유닛을 배출한다. 3단계: G*는 α 및 β 서브유닛을 활성화하는 PDE(인산염화효소)의 억제 γ 서브유닛을 결합한다. 4단계: 활성화된 PDE는 cGMP를 가수 분해한다. 5단계: Guanyl cyclase(GC)는 광전도 캐스케이드의 두 번째 메신저인 cGMP를 합성한다. Cytosolic cGMP의 감소된 레벨은 주기적인 뉴클레오티드 게이트 채널을 닫게 하여 Na+와 Ca2+의 추가 유입을 방지한다.
  1. 광광자는 광수용체 세포에서 망막과 상호작용한다. 망막은 11-cis에서 전체 트랜스포트 구성으로 변화하면서 등소체를 겪는다.
  2. 따라서 Opsin은 메타호독신 II에 대한 순응적 변화를 겪는다.
  3. Metarhodopsin II는 변환기로 알려진 G 단백질을 활성화시킨다. 이것은 변환기가 그것의 결합된 GDP로부터 분리되게 하고, 그리고 나서 변환기의 알파 서브 유닛이 베타 및 감마 서브유닛으로부터 분리되는, 알파 서브 유닛과 알파 서브 유닛이 알파 서브 유닛에 여전히 바인딩되게 한다.
  4. 알파 서브유닛 GTP 콤플렉스는 PDE6라고도 알려진 인산염화효소를 활성화한다. 그것은 (그 자체가 테트라머인) PDE의 두 가지 규제 하위 요소 중 하나에 결합하고 그것의 활동을 자극한다.
  5. PDE는 cGMP를 가수분해하여 GMP를 형성한다. 이는 cGMP의 세포내 농도를 낮춰 나트륨 채널을 닫는다.[3]
  6. 나트륨 통로가 폐쇄되면 칼륨 이온의 지속적인 유출로 인해 세포의 극지방화가 발생한다.
  7. 세포의 극지방화는 전압에 의한 칼슘 채널을 닫게 한다.
  8. 광수용체 세포의 칼슘 수치가 떨어지면서 세포가 방출하는 신경전달물질 글루탐산염의 양도 감소한다. 글루탐산염 함유 염소가 세포막과 융합해 내용물을 배출하기 위해서는 칼슘이 필요하기 때문이다(GROGP 단백질 참조).
  9. 광수용체에 의해 방출되는 글루탐산염의 양이 감소하면 중앙의 양극성 세포(로드와 콘 온 양극성 세포)의 탈극화와 원뿔의 중앙 밖의 양극성 세포의 초극화가 일어난다.

광전도 캐스케이드 비활성화

조명에서 낮은 cGMP 레벨은 Na+와 Ca2+ 채널을 닫아 세포내 Na+와 Ca2+를 감소시킨다. 복구(어두운 적응) 중 낮은 Ca2+ 레벨은 다음과 같이 복구를 유도한다(광전도 캐스케이드의 종료).

  1. 세포내 Ca2+가 낮으면 Ca2+가 구아닐레이트 사이클라아제 활성화 단백질(GCAP)과 분리된다. 해방된 GCAP는 궁극적으로 고갈된 cGMP 수준을 회복시켜 cGMP가 연결된 양이온 채널을 다시 개방한다(암류 복원).
  2. 낮은 세포내 Ca2+는 G 단백질 신호의 조절기로도 알려진 GTPase 활성 단백질(GAP)과 Ca2+가 분리되게 한다. 해방된 GAP는 변환기를 비활성화하여 광전도 캐스케이드(암전류 복원)를 종료한다.
  3. 낮은 세포내 Ca2+는 세포내 Ca-recoverin-RK가 Ca2+로 분리되고 recoverin과 rhodopsin kinase(RK)가 된다. 해방된 RK는 그 후 메타호도신 II를 인지화하여 변환기에 대한 결합 친화력을 감소시킨다. 그런 다음 아레스틴은 인산염-메타르호도프신 II를 완전히 비활성화하여 광전도 캐스케이드(암전류 복원)를 종료한다.
  4. 낮은 세포내 Ca2+는 cGMP-gated cation 채널 내의 Ca2+/Calmodulin 콤플렉스를 낮은 cGMP 레벨에 더 민감하게 만든다(따라서 cGMP-gated cation 채널을 낮은 cGMP 레벨에서도 열어두고 어두운 전류를 복원)[4]

자세한 내용:

GTPase Accelerating Protein (GAP) of RGS (regulators of G protein signaling) interacts with the alpha subunit of transducin, and causes it to hydrolyse its bound GTP to GDP, and thus halts the action of phosphodiesterase, stopping the transformation of cGMP to GMP. This deactivation step of the phototransduction cascade (the deactivation of the G 단백질 변환기)는 광전도 캐스케이드를 비활성화하는 과정에서 속도 제한 단계로 밝혀졌다.[5]

즉: 구아닐레이트 사이클라아제 활성화 단백질(GCAP)은 칼슘 결합 단백질로 세포 내 칼슘 농도가 감소함에 따라 결합 칼슘 이온과 분리되어 구아닐레이트 사이클라아제와 상호 작용하여 활성화시킨다. 그런 다음 구아닐레이트 사이클라아제는 GTP를 cGMP로 변환하여 세포의 cGMP 수준을 보충하고 따라서 광전도를 하는 동안 닫혔던 나트륨 채널을 다시 연다.

마지막으로 메타호도신 II가 비활성화된다. 또 다른 칼슘 결합 단백질인 Recoverin은 칼슘이 존재할 때 보통 Rhodopsin Kinase와 결합된다. 광선전도가 진행되는 동안 칼슘 수치가 떨어지면 칼슘이 레베핀과 분리되고 로도신키나아제가 분비돼 인산염 메타호도신Ⅱ가 분비돼 변환기에 대한 친화력이 떨어진다. 마지막으로 또 다른 단백질인 아레스틴은 인산염화된 메타호도신 II를 결합시켜 완전히 비활성화시킨다. 따라서 마지막으로 광전도가 비활성화되고 암류 및 글루타민산 방출이 복원된다. 메타호도신 II가 인광 처리되어 아레스틴에 구속되어 비활성화되는 이 경로가 바로 이 통로인데, 이는 어두운 적응의 S2 성분을 담당하는 것으로 생각된다. S2 구성요소는 모든 표백 강도에 대한 어두운 적응의 시작에 존재하는 어두운 적응 기능의 선형 부분을 나타낸다.

모든 전이 망막은 색소 상피 세포로 운반되어 11-cis 망막의 전구체인 모든 전이 망막으로 감소한다. 그리고 나서 이것은 다시 막대기로 운반된다. 올트랜스 레티널은 사람이 합성할 수 없으며 식단에서 비타민 A가 공급해야 한다. 모든 전이 망막의 결핍은 야맹증으로 이어질 수 있다. 이것은 광수용체와 망막색소 상피에 있는 레티노이드의 표백과 재활용 과정의 일부다.

무척추동물의 광전도에 관한 연구

초파리처럼 무척추동물의 광선전도 과정은 척추동물과 다르다. PI(4,5)P2 사이클은 광전도 과정을 기초로 한다. 여기서 빛은 순응적인 변화를 로도핀으로 유도하고 그것을 메타 로도핀으로 전환시킨다. 이것은 G -단백질 복합체의 분리에 도움이 된다. 이 복합체의 알파 하위 단위는 PIP2를 DAG로 가수 분해하는 PLC 효소(PLC-베타)를 활성화한다. 이러한 가수분해는 TRP 채널의 개방과 칼슘의 유입으로 이어진다.

참조

  1. ^ Ebrey, Thomas; Koutalos, Yiannis (January 2001). "Vertebrate Photoreceptors". Progress in Retinal and Eye Research. 20 (1): 49–94. doi:10.1016/S1350-9462(00)00014-8. PMID 11070368. S2CID 2789591.
  2. ^ Leskov, Ilya; Klenchin, Handy, Whitlock, Govardovskii, Bownds, Lamb, Pugh, Arshavsky (September 2000). "The Gain of Rod Phototransduction: Reconciliation of Biochemical and Electrophysiological Measurements". Neuron. 27 (3): 525–537. doi:10.1016/S0896-6273(00)00063-5. PMID 11055435. S2CID 15573966.CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  3. ^ Arshavsky, Vadim Y.; Lamb, Trevor D.; Pugh, Edward N. (2002). "G Proteins and Phototransduction". Annual Review of Physiology. 64 (1): 153–187. doi:10.1146/annurev.physiol.64.082701.102229. PMID 11826267.
  4. ^ Hsu, Yi-Te; Molday, Robert S. (1993). "Modulation of the CGMP-gated channel of rod photoreceptor cells by calmodulin". Nature. 361 (6407): 76–79. Bibcode:1993Natur.361...76H. doi:10.1038/361076a0. PMID 7678445. S2CID 4362581.
  5. ^ Krispel, CM; Chen, D; Melling, D; Chen, YJ; Martemyanov, KA; Quillinan, N; Arshavsky, VY; Wensel, TG; Chen, CK; Burns, ME (2006). "RGS expression rate-limits recovery of rod photoresponses". Neuron. 51 (4): 409–416. Bibcode:2006Neuro.51...409K. doi:10.1016/j.neuron.2006.07.010. PMID 16908407..
  • 모이세예프 G, 첸 Y, 타카하시 Y, 우 BX, 마 JX. RPE65는 레티노이드 시각 주기의 이소메로하이드롤라아제다. 프로크. 나틀 Acad. Sci. 2005년 기사.
  • 진 M, 리 S, 모그라비 WN, 선 H, 트래비스 GH. Rpe65는 소의 망막색소 상피에 있는 레티노이드 이소머라이즈다. Cell. 2005년 조항

외부 링크