Phototransduction visuelle - Visual phototransduction

Le cycle visuel. hν = Photon incident

La phototransduction visuelle est la transduction sensorielle du système visuel . C'est un processus par lequel la lumière est convertie en signaux électriques dans les bâtonnets , les cônes et les cellules ganglionnaires photosensibles de la rétine de l' œil . Ce cycle a été élucidé par George Wald (1906-1997) pour lequel il a reçu le prix Nobel en 1967. C'est ce qu'on appelle le « cycle visuel de Wald » en son honneur.

Le cycle visuel est la conversion biologique d'un photon en un signal électrique dans la rétine. Ce processus se produit via des récepteurs couplés aux protéines G appelés opsines qui contiennent le chromophore 11-cis rétinal . Le rétinal 11-cis est lié de manière covalente au récepteur de l' opsine via la protéine rétinylidène formant la base de Schiff . Lorsqu'il est frappé par un photon , le rétinal 11-cis subit une photoisomérisation en rétinal tout-trans qui modifie la conformation de l'opsine GPCR conduisant à des cascades de transduction de signal qui provoquent la fermeture du canal cationique cyclique GMP et une hyperpolarisation de la cellule photoréceptrice.

Après l'isomérisation et la libération de la protéine opsine , le rétinal tout-trans est réduit en rétinol tout-trans et retourne à l' épithélium pigmentaire rétinien pour être "rechargé". Il est d'abord estérifié par la lécithine rétinol acyltransférase (LRAT) puis converti en 11-cis rétinol par l'isomérohydrolase RPE65 . L'activité isomérase de RPE65 a été démontrée ; il n'est pas encore certain qu'il agisse également comme hydrolase. Enfin, il est oxydé en 11-cis rétinien avant de revenir vers le segment externe du bâtonnet où il est à nouveau conjugué à une opsine pour former un nouveau pigment visuel fonctionnel ( rhodopsine ).

Photorécepteurs

Les cellules photoréceptrices impliquées dans la vision sont les bâtonnets et les cônes . Ces cellules contiennent un chromophore ( 11-cis rétinal , l' aldéhyde de la vitamine A1 et la partie absorbant la lumière) lié à la protéine de la membrane cellulaire, l' opsine . Les bâtonnets traitent un faible niveau de lumière et ne modifient pas la vision des couleurs. Les cônes, quant à eux, peuvent coder la couleur d'une image en comparant les sorties des trois différents types de cônes. Chaque type de cône répond mieux à certaines longueurs d'onde ou couleurs de lumière car chaque type a une opsine légèrement différente. Les trois types de cônes sont les cônes L, les cônes M et les cônes S qui répondent de manière optimale aux longueurs d'onde longues (couleur rougeâtre), aux longueurs d'onde moyennes (couleur verdâtre) et aux longueurs d'onde courtes (couleur bleuâtre) respectivement. Les humains ont un système visuel trichromatique composé de trois systèmes uniques, des bâtonnets, des cônes sensibles aux moyennes et longues longueurs d'onde (rouge et vert) et des cônes sensibles aux courtes longueurs d'onde (bleus).

Traiter

L'absorption de la lumière entraîne une modification isomérique de la molécule rétinienne.

Pour comprendre le comportement du photorécepteur aux intensités lumineuses, il est nécessaire de comprendre le rôle des différents courants.

Il existe un courant potassique sortant continu à travers des canaux sélectifs K + non contrôlés. Ce courant sortant a tendance à hyperpolariser le photorécepteur à environ -70 mV (le potentiel d'équilibre pour K + ).

Il existe également un courant sodique entrant transporté par les canaux sodiques dépendants du cGMP . Ce soi-disant « courant d'obscurité » dépolarise la cellule à environ -40 mV. Notez que celui-ci est significativement plus dépolarisé que la plupart des autres neurones.

Une haute densité de pompes Na + -K + permet au photorécepteur de maintenir une concentration intracellulaire stable de Na + et K + .

Dans le noir

Les cellules photoréceptrices sont des cellules inhabituelles en ce sens qu'elles se dépolarisent en réponse à l'absence de stimuli ou de conditions scotopiques (obscurité). Dans des conditions photopiques (lumière), les photorécepteurs s'hyperpolarisent à un potentiel de -60 mV.

Dans l'obscurité, les niveaux de cGMP sont élevés et maintiennent les canaux sodiques dépendants du cGMP ouverts, permettant un courant entrant constant, appelé courant d'obscurité. Ce courant d'obscurité maintient la cellule dépolarisée à environ -40 mV, conduisant à la libération de glutamate qui inhibe l'excitation des neurones.

La dépolarisation de la membrane cellulaire dans des conditions scotopiques ouvre des canaux calciques voltage-dépendants. Une concentration intracellulaire accrue de Ca 2+ provoque la fusion de vésicules contenant du glutamate, un neurotransmetteur , avec la membrane cellulaire, libérant ainsi du glutamate dans la fente synaptique , une zone située entre la fin d'une cellule et le début d'un autre neurone . Le glutamate, bien que généralement excitateur, fonctionne ici comme un neurotransmetteur inhibiteur.

Dans la voie conique du glutamate :

  • Hyperpolarise les cellules bipolaires centrées . Le glutamate qui est libéré des photorécepteurs dans l'obscurité se lie aux récepteurs métabotropiques du glutamate ( mGluR6 ), qui, grâce à un mécanisme de couplage de la protéine G, provoque la fermeture des canaux cationiques non spécifiques dans les cellules, hyperpolarisant ainsi la cellule bipolaire.
  • Dépolarise les cellules bipolaires excentrées. La liaison du glutamate aux récepteurs ionotropes du glutamate entraîne un courant cationique entrant qui dépolarise la cellule bipolaire.

Dans la lumière

En résumé : la lumière ferme les canaux sodiques dépendants du cGMP, réduisant ainsi l'afflux d'ions Na + et Ca 2+ . L'arrêt de l'afflux d' ions Na + coupe efficacement le courant d'obscurité. La réduction de ce courant d'obscurité provoque une hyperpolarisation du photorécepteur , ce qui réduit la libération de glutamate ce qui réduit ainsi l' inhibition des nerfs rétiniens, conduisant à l' excitation de ces nerfs. Cet afflux réduit de Ca 2+ pendant la phototransduction permet la désactivation et la récupération de la phototransduction, comme indiqué dans Phototransduction visuelle#Désactivation de la cascade de phototransduction .

Représentation des étapes moléculaires de la photoactivation (modifiée de Leskov et al., 2000). Représenté est un disque de membrane externe dans une tige. Étape 1 : Le photon incident (hν) est absorbé et active une rhodopsine par changement de conformation de la membrane du disque en R*. Étape 2 : Ensuite, R* établit des contacts répétés avec des molécules de transducine, catalysant son activation en G* par la libération de GDP lié en échange de GTP cytoplasmique, qui expulse ses sous-unités β et . Étape 3 : G* lie les sous-unités inhibitrices de la phosphodiestérase (PDE) en activant ses sous-unités α et . Étape 4 : La PDE activée hydrolyse le cGMP. Étape 5 : La guanylyl cyclase (GC) synthétise le cGMP, le deuxième messager de la cascade de phototransduction. Des niveaux réduits de cGMP cytosolique provoquent la fermeture des canaux nucléotidiques cycliques, empêchant ainsi un nouvel afflux de Na+ et de Ca2+.
  1. Un photon lumineux interagit avec la rétine dans une cellule photoréceptrice . La rétine subit une isomérisation , passant de la configuration 11- cis à la configuration tout- trans .
  2. L'opsine subit donc un changement de conformation en métarhodopsine II.
  3. La métarhodopsine II active une protéine G connue sous le nom de transducine . Cela provoque la dissociation de la transducine de son GDP lié et la liaison du GTP , puis la sous-unité alpha de la transducine se dissocie des sous-unités bêta et gamma, le GTP étant toujours lié à la sous-unité alpha.
  4. Le complexe sous-unité alpha-GTP active la phosphodiestérase , également connue sous le nom de PDE6. Il se lie à l'une des deux sous-unités régulatrices de la PDE (qui est elle-même un tétramère) et stimule son activité.
  5. La PDE hydrolyse le cGMP , formant le GMP . Cela abaisse la concentration intracellulaire de cGMP et donc les canaux sodiques se ferment.
  6. La fermeture des canaux sodiques provoque une hyperpolarisation de la cellule due à l'efflux continu d'ions potassium.
  7. L'hyperpolarisation de la cellule provoque la fermeture des canaux calciques voltage-dépendants.
  8. À mesure que le niveau de calcium dans la cellule photoréceptrice diminue, la quantité de glutamate, un neurotransmetteur, qui est libérée par la cellule diminue également. En effet, le calcium est nécessaire pour que les vésicules contenant du glutamate fusionnent avec la membrane cellulaire et libèrent leur contenu (voir protéines SNARE ).
  9. Une diminution de la quantité de glutamate libérée par les photorécepteurs provoque une dépolarisation des cellules bipolaires centrées (tige et cône sur cellules bipolaires) et une hyperpolarisation des cellules bipolaires excentrées en cône.

Désactivation de la cascade de phototransduction

À la lumière, de faibles niveaux de cGMP ferment les canaux Na+ et Ca2+, réduisant le Na+ et le Ca2+ intracellulaires. Pendant la récupération ( adaptation à l'obscurité ), les faibles niveaux de Ca2+ induisent une récupération (arrêt de la cascade de phototransduction), comme suit :

  1. Un faible Ca2+ intracellulaire provoque la dissociation du Ca2+ de la protéine d'activation de la guanylate cyclase (GCAP). Le GCAP libéré restaure finalement les niveaux de cGMP appauvris, ce qui rouvre les canaux cationiques cGMP-dépendants (restauration du courant d'obscurité).
  2. Faible intracellulaire de Ca2 + provoque Ca2 + de se désolidariser de la protéine d'activation GTPase (GAP), également connu comme régulateur de la signalisation de la protéine G . Le GAP libéré désactive la transducine , mettant fin à la cascade de phototransduction (restauration du courant d'obscurité).
  3. Une faible teneur en Ca2+ intracellulaire fait que la Ca-recoverin-RK intracellulaire se dissocie en Ca2+ et en la récupération et la rhodopsine kinase (RK). La RK libérée phosphoryle ensuite la métarhodopsine II, réduisant son affinité de liaison pour la transducine . L'arrestine désactive alors complètement la métatarhodopsine II phosphorylée, mettant fin à la cascade de phototransduction (restauration du courant d'obscurité).
  4. Un faible Ca2+ intracellulaire rend le complexe Ca2+/Calmoduline dans les canaux cationiques cGMP-dépendants plus sensible aux faibles niveaux de cGMP (de ce fait, gardant le canal cationique cGMP-dépendant ouvert même à de faibles niveaux de cGMP, rétablissant le courant d'obscurité)

Plus en détail:

La GTPase Accelerating Protein (GAP) du RGS (régulateurs de la signalisation de la protéine G) interagit avec la sous-unité alpha de la transducine et l'amène à hydrolyser son GTP lié au GDP, et arrête ainsi l'action de la phosphodiestérase, arrêtant la transformation du cGMP en GMP. Cette étape de désactivation de la cascade de phototransduction (la désactivation du transducteur de protéine G) s'est avérée être l'étape limitant la vitesse dans la désactivation de la cascade de phototransduction.

En d'autres termes : la protéine d'activation de la guanylate cyclase (GCAP) est une protéine de liaison au calcium, et comme les niveaux de calcium dans la cellule ont diminué, la GCAP se dissocie de ses ions calcium liés et interagit avec la guanylate cyclase, l'activant. La guanylate cyclase procède ensuite à la transformation du GTP en cGMP, reconstituant les niveaux de cGMP de la cellule et rouvrant ainsi les canaux sodiques qui étaient fermés pendant la phototransduction.

Enfin, la métarhodopsine II est désactivée. La récupérine, une autre protéine liant le calcium, est normalement liée à la rhodopsine kinase lorsque le calcium est présent. Lorsque les niveaux de calcium chutent pendant la phototransduction, le calcium se dissocie de la récupération, et la rhodopsine kinase est libérée et phosphoryle la métarhodopsine II , ce qui diminue son affinité pour la transducine. Enfin, l'arrestine, une autre protéine, se lie à la métarhodopsine II phosphorylée, la désactivant complètement. Ainsi, enfin, la phototransduction est désactivée, et le courant d'obscurité et la libération de glutamate sont restaurés. C'est cette voie, où la métarhodopsine II est phosphorylée et liée à l'arrestine et donc désactivée, qui serait responsable de la composante S2 de l'adaptation à l'obscurité. La composante S2 représente une section linéaire de la fonction d'adaptation à l'obscurité présente au début de l'adaptation à l'obscurité pour toutes les intensités de blanchiment.

Le rétinal tout- trans est transporté vers les cellules épithéliales pigmentaires pour être réduit en rétinol tout- trans , le précurseur du rétinal 11- cis . Celui-ci est ensuite ramené aux tiges. Le rétinal tout- trans ne peut pas être synthétisé par l'homme et doit être fourni par la vitamine A dans l'alimentation. Une carence en rétinal tout- trans peut entraîner une cécité nocturne . Cela fait partie du processus de blanchiment et de recyclage des rétinoïdes dans les photorécepteurs et l'épithélium pigmentaire rétinien.

Phototransduction chez les invertébrés

Le processus de phototransduction chez les invertébrés comme la mouche des fruits est différent de celui des vertébrés. Le cycle PI(4,5)P 2 sous-tend le processus de phototransduction. Ici, la lumière induit le changement de conformation en Rhodopsine et la convertit en méta-rhodopsine. Cela aide à la dissociation du complexe G-protéine. Alpha sous-unité de ce complexe active l' automate enzyme (PLC-bêta) qui hydrolysent le PIP2 en DAG . Cette hydrolyse conduit à l'ouverture des canaux TRP et à l'afflux de calcium.

Les références

  • Moiseyev G, Chen Y, Takahashi Y, Wu BX, Ma JX. RPE65 est l'isomérohydrolase dans le cycle visuel des rétinoïdes. Proc. Natl. Acad. Sci. Article de 2005 .
  • Jin M, Li S, Moghrabi WN, Sun H, Travis GH. Rpe65 est l'isomérase rétinoïde dans l'épithélium pigmentaire rétinien bovin. Cellule. Article de 2005 .

Liens externes