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[笔试资源] 视觉光转导

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发表于 2019-8-2 00:01:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
视频:↓  光转导

视觉光转导是视觉系统的感觉转导。这是一种在眼睛视网膜的视杆细胞,视锥细胞和光敏神经节细胞中将光转换成电信号的过程。这一循环由George Wald(1906-1997)阐明,他于1967年获得了诺贝尔奖。在他之后被称为“Wald's Visual Cycle”。

视觉循环是光子在视网膜中的生物转换成电信号。该过程通过称为视蛋白的G蛋白偶联受体发生,其含有发色团11-顺式视黄醛。 11-顺式视黄醛通过席夫碱形成视黄醛蛋白与视蛋白受体共价连接。当被光子撞击时,11-顺式视黄醛经历光反应异构化至全反式视黄醛,其改变视蛋白GPCR的构象,导致信号转导级联,其​​引起环GMP门控阳离子通道的闭合和感光细胞的超极化。

在异构化和从视蛋白蛋白释放后,全反式视黄醛被还原为全反式视黄醇并返回视网膜色素上皮细胞以“再充电”。首先通过卵磷脂视黄醇酰基转移酶(LRAT)酯化,然后通过异构水解酶RPE65转化为11-顺式视黄醇。已显示RPE65的异构酶活性;目前尚不确定它是否也起到水解酶的作用。最后,在返回到杆外部区段之前将其氧化成11-顺式视黄醛,在那里它再次与视蛋白缀合以形成新的功能性视觉色素(视紫红质)。


视觉循环。 hν=入射光子

目录
1 光感受器
2 进程
2.1 在黑暗中
2.2 在光明中
2.3 光转导级联的失活
3 无脊椎动物的光传导
4 参考

光感受器
参与视觉的感光细胞是视杆细胞和视锥细胞。这些细胞含有与细胞膜蛋白质视蛋白结合的发色团(11-顺式视黄醛,维生素A1的醛和光吸收部分)。棒处理低光照水平,不调节色觉。另一方面,锥体可以通过比较三种不同类型锥体的输出来编码图像的颜色。每种锥形类型对光的某些波长或颜色的响应最佳,因为每种类型的视蛋白略有不同。三种类型的锥体是L-锥体,M-锥体和S-锥体,它们分别对长波长(红色),中波长(绿色)和短波长(蓝色)作出最佳响应。人类具有三色视觉系统,包括三个独特的系统,杆,中长波长敏感(红色和绿色)锥体和短波长敏感(蓝色)锥体。[1]

处理


光的吸收导致视网膜分子的异构变化。
要了解光感受器对光强度的行为,有必要了解不同电流的作用。

通过非通道K +选择性通道存在持续的外向钾电流。该向外电流趋于使感光体在约-70mV(K +的平衡电位)超极化。

cGMP门控钠通道还携带有内向钠电流。这种所谓的“暗电流”使细胞去极化至-40 mV左右。请注意,这比其他大多数神经元明显更去极化。

高密度的Na + -K +泵使感光器能够维持稳定的细胞内Na +和K +浓度。

在黑暗中
感光细胞是不寻常的细胞,因为它们响应于没有刺激或暗视条件(黑暗)而去极化。在明视条件下(光),光感受器超极化至-60mV的电位。

在黑暗中,cGMP水平很高并且保持cGMP门控钠通道打开,允许稳定的内向电流,称为暗电流。该暗电流使细胞去极化至约-40mV,导致谷氨酸释放,其抑制神经元的激发。

在暗视条件下细胞膜的去极化打开电压门控钙通道。细胞内Ca2 +浓度增加导致含有谷氨酸(一种神经递质)的囊泡与细胞膜合并,从而将谷氨酸释放到突触间隙中,这是一个细胞末端和另一个神经元开始之间的区域。谷氨酸虽然通常是兴奋性的,但在此起到抑制性神经递质的作用。

在锥形途径谷氨酸:

超极化中心双极细胞。在黑暗中从光感受器释放的谷氨酸与代谢型谷氨酸受体(mGluR6)结合,其通过G蛋白偶联机制导致细胞中的非特异性阳离子通道闭合,从而使双极细胞超极化。
去偏心偏心双极细胞。谷氨酸与离子型谷氨酸受体的结合导致向内阳离子电流使双极细胞去极化。

在光明中
总之:Light关闭了cGMP门控钠通道,减少了Na +和Ca2 +离子的流入。阻止Na +离子的流入有效地切断暗电流。减少这种暗电流导致光感受器超极化,这减少了谷氨酸释放,从而减少了对视网膜神经的抑制,导致这些神经的激发。在光转导期间这种减少的Ca 2+流入使得能够失活并从光转导中恢复,如在视光转导#光转导级联的失活中所讨论的。


光活化中分子步骤的表示(修改自Leskov等,2000 [2])。描绘的是杆中的外膜盘。步骤1:入射光子(hν)被吸收并通过盘膜中的构象变化激活视紫红质至R *。步骤2:接下来,R *与转导蛋白分子重复接触,通过释放结合的GDP来催化其活化为G *,以换取细胞质GTP,其排出其β和γ亚基。步骤3:G *结合磷酸二酯酶(PDE)的抑制性γ亚基,激活其α和β亚基。步骤4:活化的PDE水解cGMP。步骤5:鸟苷酸环化酶(GC)合成cGMP,其是光转导级联中的第二信使。细胞溶质cGMP水平降低导致环核苷酸门控通道关闭,阻止Na +和Ca2 +的进一步流入。
光子与感光细胞中的视网膜相互作用。视网膜经历异构化,从11-顺式变为全反式构型。
因此,Opsin经历了对视紫红质II的构象变化。
Metarhodopsin II激活称为转导蛋白的G蛋白。这导致转导蛋白与其结合的GDP解离,并结合GTP,然后转导蛋白的α亚基从β和γ亚基解离,GTP仍然与α亚基结合。
α亚基-GTP复合物激活磷酸二酯酶,也称为PDE6。它与PDE的两个调节亚基之一结合(其本身是四聚体)并抑制其活性。
PDE水解cGMP,形成GMP。这降低了cGMP的细胞内浓度,因此钠通道关闭。[3]
由于持续的钾离子流出,钠通道的闭合导致细胞超极化。
细胞超极化导致电压门控钙通道关闭。
随着感光细胞中的钙水平下降,细胞释放的神经递质谷氨酸的量也下降。这是因为含谷氨酸的囊泡需要钙与细胞膜融合并释放其内容物(参见SNARE蛋白)。
光感受器释放的谷氨酸量的减少引起中心双极细胞(棒和锥上双极细胞)的去极化和锥偏心双极细胞的超极化。

光转导级联的失活
在光照下,低cGMP水平关闭Na +和Ca2 +通道,减少细胞内Na +和Ca2 +。在恢复期间(暗适应),低Ca2 +水平诱导恢复(光转导级联的终止),如下:

低细胞内Ca2 +使细胞内Ca-GCAP(Ca- Gunylate环化酶活化蛋白)解离成Ca2 +和GCAP。释放的GCAP最终恢复耗尽的cGMP水平,其重新打开cGMP门控阳离子通道(恢复暗电流)。
低细胞内Ca2 +使细胞内Ca-GAP(Ca-GTP酶加速蛋白)解离成Ca2 +和GAP。释放的GAP使活化的Transducin失活,终止光转导级联(恢复暗电流)。
低细胞内Ca2 +使细胞内Ca-恢复素-RK解离成Ca2 +并恢复和RK。然后释放的RK使Metarhodopsin II磷酸化,降低其对转导蛋白的结合亲和力。然后,Arrestin完全灭活磷酸化的视紫红质II,终止光转导级联(恢复暗电流)。
低细胞内Ca2 +使cGMP门控阳离子通道内的Ca2 + /钙调蛋白复合物对低cGMP水平更敏感(从而即使在低cGMP水平下保持cGMP门控阳离子通道开放,恢复暗电流)[4]
更详细:

GTP酶加速蛋白(GAP)与转导蛋白的α亚基相互作用,并使其将其结合的GTP水解为GDP,从而停止磷酸二酯酶的作用,阻止cGMP向GMP的转化。

换句话说:鸟苷酸环化酶激活蛋白(GCAP)是一种钙结合蛋白,随着细胞内钙水平的降低,GCAP从其结合的钙离子中解离,并与鸟苷酸环化酶相互作用,激活它。然后,鸟苷酸环化酶将GTP转化为cGMP,补充细胞的cGMP水平,从而重新打开在光转导过程中关闭的钠通道。

最后,Metarhodopsin II失活。当钙存在时,另一种钙结合蛋白Recoverin通常与视紫红质激酶结合。当光转导期间钙水平下降时,钙从恢复中解离,并且当它(什么?)进行磷酸化metarhodopsin II时会释放视紫红质激酶,这会降低其对转导蛋白的亲和力。最后,另一种蛋白质arrestin与磷酸化的视紫红质II结合,使其完全失活。因此,最后,光转导被去活化,并且恢复暗电流和谷氨酸释放。正是这种途径,其中Metarhodopsin II被磷酸化并结合到抑制蛋白并因此失活,这被认为是暗适应的S2成分的原因。 S2分量表示对于所有漂白强度在暗适应开始时存在的暗适应函数的线性部分。

全反式视黄醛被转运至色素上皮细胞,被还原为全反式视黄醇,11-顺式视黄醛的前体。然后将其运回杆。全反式视黄醛不能由人合成,必须由饮食中的维生素A提供。全反式视网膜缺失可导致夜盲症。这是光感受器和视网膜色素上皮中类视黄醇的漂白和再循环过程的一部分。

无脊椎动物的光转导
像果蝇这样的无脊椎动物的光转导过程与脊椎动物不同。 PI(4,5)P2循环是光转导过程的基础。在这里,光诱导构象变为视紫红质并将其转化为视紫红质。这有助于G蛋白复合物的解离。该复合物的α亚单位激活PLC酶(PLC-β),其将PIP2水解成DAG。这种水解导致TRP通道的开放和钙的流入。

参考:
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.
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.
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.
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.
Moiseyev G, Chen Y, Takahashi Y, Wu BX, Ma JX. RPE65 is the isomerohydrolase in the retinoid visual cycle. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005 Article.
Jin M, Li S, Moghrabi WN, Sun H, Travis GH. Rpe65 is the retinoid isomerase in bovine retinal pigment epithelium. Cell. 2005 Article.

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