Fotorreceptores: os bastonetes (rod)

(1)

38

Fotorreceptores: os bastonetes (rod)

• Os bastonetes são responsáveis pela visão nocturna (em baixas condições de

luminosidade).

• Os seus pigmentos apresentam uma grande capacidade de absorção em todos os

comprimentos de onda.

• À luz do dia, a luminosidade é tão elevada, que todos os pigmentos dos bastonetes se encontram degradados.

• Vários bastonetes enviam

informação para a mesma célula bipolar.

• Os bastonetes respondem mais lentamente do que os cones, de tal maneira que as suas respostas

reflectem o efeito conjunto dos fotões absorvidos durante 100 ms.

• Como se trata de um único tipo de

fotorreceptores, a visão nocturna é a preto e branco, com inúmeras gradações intermédias de cinza.

• Existem 20 bastonetes por cada cone. • Os bastonetes contêm mais fotopigmento do que os cones (Kandel et al, 2000, Principles of

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39

Fotorreceptores: os cones (cone)

http://www.fz-juelich.de/

• Os cones são responsáveis pela visão diurna e pela visão a cores.

• Os cones são melhores do que os bastonetes em todas a tarefas visuais com excepção da detecção de objectos em situações de muito pouca luz.

• A visão mediada pelos cones tem maior acuidade visual, e maior capacidade para a detecção de alterações rápidas na imagem.

• O sistema de cones tem maior resolução espacial por duas razões: (1) Menor convergência do circuito neuronal. Por exemplo, na fóvea o centro do campo receptivo das células ganglionares e bipolares recebe informação de um único cone; (2) Os cones tendem a concentrar-se na fóvea, onde a imagem visual é menos distorcida.

• Existem três populações, cujos picos máximos de absorção se encontram respectivamente na zona azul, verde e

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40

Distribuição dos bastonetes e dos cones na retina

http://micro.magnet.fsu.edu

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41

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42

Estrutura dos fotorreceptores

Cílio Mitocôndrio Discos Espaço citoplasmático Segmento externo Segmento interno Terminal sináptico Bastonete Cone Bastonete Cone Membrana citoplasmática Segmento externo Segmento interno Terminal sináptico Núcleo Discos soltos Dobras da membrana celular externa Dobras da membrana celular externa Cílio conectivo A B

Um fotorreceptor é formado por três segmentos distintos:

• SEGMENTO EXTERNO é constituído por um sistema formado por discos membranares empilhados onde se encontram os pigmentos que sob acção da luz sofrem alterações

químicas reversíveis;

• SEGMENTO INTERNO constituído pelo corpo celular, núcleo e organelos

citoplasmáticos;

• TERMINAL SINÁPTICO constituído pela maquinaria necessária à libertação do

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Espectros de absorção dos pigmentos

• Existem 4 tipos de fotorreceptores: um único tipo de bastonetes e três tipos de cones. • Cada tipo de fotorreceptores é constituído por uma espécie particular de pigmentos (cromóforos), possuindo por isso um espectro de absorção característico.

• O pigmento dos bastonetes é a rodopsina e o pigmentos dos cones é a iodopsina.

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44

Renovação do segmento externo dos fotoreceptores

O processo de regeneração do segmento externo dos fotoreceptores começa na base do cílio por invaginação da membrana.

As extensões membranares separam-se e tornam-se discos flutuantes no interior do citoplasma no caso dos bastonetes. No caso dos cones, os

segmentos dos discos permanecem ligados à membrana externa.

A molécula de opsina é produzida no aparelho de Golgi do segmento interno e introduzida no segmento externo através do cílio.

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45

Rodopsina

Nos bastonetes, o pigmento visual rodopsina tem duas partes. A porção proteica, scotopsina (a opsina dos bastonetes: hélices a amarelo), está embebida na membrana do disco e não absorve luz. A porção não proteica, o retinal (a laranja), absorve luz.

http://www.ks.uiuc.edu/

A activação da rodopsina começa com a absorção de luz, que faz com que o retinal modifique a sua conformação, de 11-cis-retinal para trans-retinal (all trans). Como resultado a scotopsina sofre uma alteração conformacional para uma conformação semiestável designada meta-rodopsina II.

(9)

46

A meta-rodopsina II activa o segundo passo da fototransdução.

A meta-rodopsina II é instável e decompõem-se em scotopsina e trans-retinal.

O trans-retinal é reduzido a trans-retinol (all trans) (vitamina A) por acção da retinal redutase, e depois transportado dos bastonetes para as células da camada pigmentar, onde é o percursor da síntese de 11-cis-retinal, que é transportado de novo para os bastonetes (Muniz et al, 2007, Exp Eye Res, 85: 175-184).

Rodopsina

(10)

47

Nathans et al, 1986, Science 232, 203-210.

Iodopsina

• Os pigmentos visuais dos cones,

designados por iodopsina, são compostos por duas partes: a fotopsina (ou opsina dos cones) e o retinal.

• Há fotopsinas diferentes para os cones sensíveis a vermelho, verde e azul que se chamam respectivamente fotopsina I, II e III. O 11-cis-retinal interaje de forma

ligeiramente diferente com as várias opsinas, daí resultando três espectros de absorção distintos.

• A activação da iodopsina começa com a absorção de luz, que faz com que o retinal modifique a sua conformação, de 11-cis-retinal para trans-retinal (all

trans). Como resultado a fotopsina sofre uma alteração conformacional para uma

conformação semiestável designada meta-iodopsina II. A meta-iodopsina II activa o segundo passo da fototransdução antes de se decompor em fotopsina e

trans-retinal.

• A reciclagem do retinal começa nos cones, com a conversão a trans-retinol, e contínua nas células Müller (Muniz et al, 2007, Exp Eye Res, 85: 175-184).

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48

A transducina é um membro da família das proteínas G triméricas, constituída pelas subunidades α, β e γ. A sua unidade α fica activada aquando da interacção da proteína G com as formas Meta II da scotopsina e da fotopsina (Kandel et al, 2000, Principles of

Neuroscience, Cap 26).

O segundo passo da fototransdução

• Uma molécula activada de rodopsina difunde-se na membrana do disco

activando centenas de transducinas, que por sua vez estimulam a fosfodiesterase. • A cauda C-terminal e a segunda e a terceira ança (loop) da rodopsina estão

envolvidas na activação da transducina (Chen, 2005, Rev Physiol Biochem Pharmacol, 155:101–121).

• Cada molécula de fosfosdiesterase é por sua vez capaz de hidrolisar 103

(12)

49

Tal como acontece com outras proteínas G, a activação da transducina envolve uma interacção com nucleótidos de guanina. A transducina inactiva liga-se fortemente a uma molécula de GDP (difosfato de guanosina).

Quando a transducina interage com a rodopsina activada, a transducina troca o seu GDP por GTP, ficando activa. A subunidade α ligada ao GTP liberta-se das subunidades β e γ. α-GTP interage com a subunidade inibitória γ da fosfodiesterase activando-a. São necessárias 2 unidades α-GTP para activar completamente a fosfodiesterase.

Activação da fosfodiesterase

Pugh et al, 2000, Handbook of Biological Physics, Vol 3, Chap 5, Elsevier.

Cote RH, 2004, Characteristics of Photoreceptor PDE (PDE6): similarities and differences to PDE5, International Journal of Impotence Research (2004) 16, S28–S33.

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50

cGMP e a luz

A activação dos pigmentos por luz conduz à redução da concentração do segundo mensageiro cGMP. A concentração de cGMP é controlada por dois enzimas. É sintetizado a partir do GTP (guanosina trifosfato) pela guanilato ciclase (também conhecida por guanilciclase), e é decomposto a 5´-GMP (monofosfato de

guanosina) pela cGMP fosfodiesterase, uma proteína periférica associada à membrana dos discos.

• A concentração do cGMP é afectada pela luz porque a actividade do enzima fosfodiesterase é controlada pelos pigmentos visuais.

• Na escuridão a fosfodiesterase está pouco activa, e a concentração de cGMP é relativamente elevada. Activação da molécula de pigmento pela luz conduz à activação da fosfodiesterase. A fotoactivação duma única molécula de

rodopsina pode conduzir à hidrólise de mais de 105 _{moléculas de cGMP por}

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51

Término da resposta luminosa

• Ao fim de algum tempo a unidade α-GTP da transducina fica inactivada porque tem actividade GTPásica, que decompõem a molécula de GTP em GDP. Uma vez dada a hidrólise do GTP, a sub-unidades α libertam-se da fosfodiesterase, inactivando-a.

Activated rhodopsin (R*); Recoverin (Rec); Rhodopsin kinase (RK); Arrestin (Arr).

• Uma vez activada, a rodopsina é fosforilada pela rodopsina cinase (um enzima similar promove a fosforilação da iodopsina). Esta rodopsina cinase é inibida

pelo complexo Ca2+_{-recoverina na}

escuridão. A rodopsina fosforilada interage então como uma proteína regulatória

específica (arrestina), que promove a sua inactivação final.

(15)

52

• A acção GTPase da α-GTP no complexo α-GTP-fosfodiesterase é estimulada por um complexo proteico designado GAP (GTPase accelerating protein) constituído pelas subunidades RGS9-Gβ5.

• A concentração do GAP é muito superior nos cones do que nos bastonetes (10 × menor), e esta é uma das razões pelas quais os cones respondem mais rapidamente à luz. A desactivação da transducina é o passo limitante da fototransdução nos

bastonetes (Zhang et al, 2003, J Neurosci, 23(4):1287–1297).

(16)

53

Acção do cGMP

• A diminuição da concentração plasmática de cGMP conduz ao fecho de canais iónicos dependentes da ligação do cGMP.

• O cGMP abre os canais ao ligar-se directamente à porção citoplasmática dos

mesmos. O canal é activado pela ligação cooperativa de pelo menos 3 moléculas de

cGMP (na ordem dos ms). O valor de K_m½ _{é de 10-80 µM. Este valor é superior às}

concentrações livres de cGMP encontradas no meio intracelular no escuro (3-10 µ M) (Chen, 2005, Rev Physiol Biochem Pharmacol, 155:101–121).

• Na ausência de luz, os canais dependentes de cGMP estão abertos, conduzindo uma corrente catiónica.

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54

Guanilato ciclase

O cGMP é sintetizado a partir do GTP pela guanilato ciclase (também conhecida por guanilciclase), um enzima que se encontra ancorado às membranas dos

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55

A corrente de escuridão

http://www.unmc.edu/Physiology/

Na escuridão predominam duas correntes num fotorreceptor:

• Uma corrente de entrada de Na+ (e Ca2+)

através dos canais dependentes da ligação de cGMP, (segmento externo do fotorreceptor).

• Uma corrente de saída de K+ através dos

canais selectivos de K+ _{(segmento interno do}

fotorreceptor).

• Os fluxos iónicos intracelulares são

compensados pela acção de bombas Na+ _{- K}+,

que existem em elevada densidade no segmento interno.

• No escuro, potencial membranar do

fotorreceptor está entre –35 a –40 mV. Sob acção da luz a célula hiperpolariza –70 mV

(Krizaj et al, 2002, Front Biosci, 7: 2023–2044.).

• Os fotorreceptores não respondem com um potencial de acção, mas ao invés duma forma gradual.

(19)

56

Adaptação à escuridão

Os olhos operam numa gama larga de intensidades luminosas.

A sensibilidade do olho pode ser medida por determinação do limiar absoluto da

visão, ou seja, o valor mínimo de luminância que um ponto de luz deve ter para

produzir uma sensação visual.

A intensidade luminosa é medida em candelas (cd).

A candela é a intensidade luminosa, numa dada direcção, de uma fonte que emite um radiação monocromática de

frequência 540 × 1012 _{Hz e cuja intensidade nessa}

direcção é 1/683 Watt/Esterradiano.

O esterradiano é o ângulo sólido que, tendo o vértice no centro de uma esfera, intersecta na superfície desta uma área igual à de um quadrado tendo por lado o raio da esfera.

A luminância é a intensidade luminosa emitida numa dada direcção por elemento de superfície emissora (cd/m2_).

(20)

57

O termo adaptação ao escuro refere-se à forma como o

sistema visual recupera a sua sensibilidade ao escuro, após ter estado num ambiente iluminado (Guyton & Hall, 2005, Cap 50).

Adaptação à escuridão

Quando num ambiente iluminado durante várias horas:

• Uma elevada proporção dos fotopigmentos encontram-se degradados (bleached), a retinal e a opsina.

• Para além disso, muito do retinal terá sido convertido em vitamina A.

É por estes dois factos que uma pessoa fica instantaneamente “cega” quando passa, em fracções de segundo, de uma situação de dia para uma situação de noite.

• A rodopsina demora a ser regenerada.

• A intensidade luminosa não é suficiente para activar os cones.

São necessários cerca de 40 minutos para o sistema de

bastonetes ficar aproximadamente à sua sensibilidade máxima.

Orion in

(21)

58

Adaptação à escuridão

Nos estudos de adaptação ao escuro a pessoa é colocada num ambiente de luz controlada. Após ter exposto a pessoa ao ambiente bem iluminado, fecha-se a luz. Determina-se, em vários instantes de tempo (min) após o fecho da luz, a luminância mínima que um ponto de luz deve ter para a pessoa reportar a sua presença.

Nos minutos iniciais não existem bastonetes disponíveis, pelo que o estímulo tem de ser

suficientemente forte para activar os cones (visão fotópica).

Cerca de 10 minutos depois do começo da

escuridão, a quantidade de rodopsina regenerada é suficiente para que os bastonetes consigam substituir os cones (visão escotópica).

Uma diferença significativa quando o sistema de bastonetes toma o “controlo” é a passagem da visão a cores para preto e branco.

Visão mesópica – zona intermédia onde operam os cones e os bastonetes.

Curva de adaptação ao escuro

(22)

59

Efeito de Purkinje

À medida que a luminosida baixa o comprimento de onda ao qual o sistema de fotoreceptores é mais sensível diminui – portanto os objectos que

reflectem comprimentos de onda mais baixos (ex. 500 nm) parecerão mais brilhantes do que os

objectos que reflectem comprimentos de onda mais elevados (ex. 560 nm).

(23)

60

Adaptação à luz

O termo adaptação à luz refere-se à forma como o sistema visual se adapta a diferentes condições de iluminação. Tem como objectivo distinguir bem os objectos ligeiramente mais claros ou mais escuros do que o nível médio de iluminação do meio ambiente (à custa de discriminar mal objectos muito mais brilhantes ou escuros que essa média).

• A adaptação a diferentes condições de iluminação é mediada,

nos fotorreceptores, pela acção do Ca2+_{na maquinaria de}

fototransdução. O Ca2+ _{controla a adaptação da maquinaria da}

fototransdução à iluminação de fundo em virtualmente todos os níveis da cascata de fototransdução (excepção:

fosfodiesterase).

Quando a diferença de luminosidade entre os dois ambientes é elevada (como quando se passa dum ambiente de escuridão para um ambiente iluminado), a pessoa fica encadeada. Isto deve-se ao excesso de

estimulação dos fotorreceptores, quer bastonetes (se for o caso), quer cones. O excesso de fotopigmento é rapidamente degradado (bleached) e atinge-se um estado estável no qual só se encontra a operar uma

(24)

61

Adaptação à luz

1. O limiar é determinado com um

flash de luz (diferencial) que é apresentado sobre um fundo de intensidade uniforme;

2. A intensidade do fundo é aumentada e repete-se a medida do limiar.

http://webvision.med.utah.edu/

• Na escuridão a detecção é limitada pelo ruído neuronal (dark light).

• Na zona da lei de Weber-Fechner o declive da recta é constante (∆I/I = K, K = 0.14 para os bastonetes e 0.015 para os cones). Ou seja, quanto mais intensa for a luz de fundo, maior tem de ser o estímulo, para que este seja detectável (Schwartz, 2004, Visual Perception, McGraw-Hill).

• Na zona de saturação, os fotoreceptores saturam-se deixando de detectar incrementos luminosos.

log ∆I = log I + log K Y = 1. X + b, recta com declive 1 Nos bastonetes, I = 100, ∆I=14

Nos cones, I = 100, ∆I=1.5 – mt mais sensíveis.

A adaptação à luz é estudada com um

procedimento de limiar diferencial:

(25)

62

(entre 1.5 e 8 mm de diâmetro) provoca uma adaptação à luz numa fracção de segundo, podendo variar a

intensidade luminosa que atinge a retina em cerca de 30 × . Quando a luz incide num dos olhos,

provoca a constrição da pupila nesse olho (resposta directa) e a constrição da pupila no outro olho

(resposta consensual).

• Adaptação neuronal envolvendo os neurónios da cadeia visual, da retina até ao cérebro.

Quando a intensidade da luz aumenta de repente, as células aumentam de actividade, disparando com uma frequência mais elevada. No entanto, se a intensidade luminosa se mantiver ao mesmo nível, as células progressivamente voltam ao seu estado de disparo basal (Guyton & Hall, 2005, Textbook of

Medical Physiology, Cap 50).

Outros mecanismos de adaptação à luz e à escuridão

• Alteração do tamanho da pupila

• Os reflexos pupilares são mediados pelas células ganglionares que projectam para o

pretectum (no mesencéfalo). Do pretectum a

informação segue para núcleo de

Edinger-Westphal, e chega via nervos parasimpáticos ao músculo esfíncter da íris, que ao contrair,

promove a constrição da pupila.

(26)

63

Adaptação dos fotorreceptores ao ambiente de fundo

NA ESCURIDÃO – O fotorreceptor está despolarizado –35 a –40 mV.

Para que o fotorreceptor detecte a recepção de LUZ, o estímulo luminoso tem de produzir uma alteração de potencial significativa, de

(– 35 a –40 mV) → – 70 mV

Existem mecanismos regulatórios no fotorreceptor (mediados pela concentração

intracelular de Ca2+_{) que tornam mais negativo ou mais positivo o potencial do}

fotorreceptor:

• Aumento concentração intracelular de Ca2+ _{tende a hiperpolarizar o fotorreceptor}

(ou seja, o potencial fica mais negativo, mais próximo dos – 70 mV).

• A diminuição concentração intracelular de Ca2+ _{tende a despolarizar o}

fotorreceptor (ou seja, o potencial fica mais positivo, mais próximo dos – 40 mV).

(27)

64

Adaptação dos fotorreceptores ao ambiente de fundo

Quais são as consequências do potencial do fotorreceptor estar mais

próximo ou mais distante de –40 mV (estado escuridão)?

Em que medida é que isto se relaciona com o nível médio de

iluminação do meio ambiente?

Logo o fotorreceptor está menos sensível a estímulos com baixa luminância.

Logo o fotorreceptor está mais sensível a estímulos com baixa luminância.

Quando o potencial está mais distante dos – 40 mV (e próximo dos –70 mV) o estímulo luminoso não precisa de ser tão intenso (luminância mais baixa) para que o potencial consiga descer até aos – 70 mV.

Quando o potencial está mais próximo dos –40 mV é necessário um estímulo luminoso mais intenso (luminância mais elevada) para que o potencial consiga descer até aos – 70 mV.

(28)

65

Adaptação dos fotorreceptores ao ambiente de fundo

Vamos supor que passamos dum ambiente de interior (com menos luz) para um ambiente de exterior (com mais luz).

Como há mais luz, os fotorreceptores tendem inicialmente a hiperpolarizar (- 70 mV).

Senão houvesse adaptação, o sistema visual não conseguiria detectar os objectos mais claros ou escuros que o nível médio de iluminação do meio ambiente.

É o mecanismo de adaptação que promove uma subida progressiva do potencial do fotorreceptor.

(29)

66

Adaptação dos fotorreceptores ao ambiente de fundo

Vamos supor que passamos dum ambiente de exterior (com mais luz) para um ambiente de interior (com menos luz).

Como há menos luz, os fotorreceptores não conseguem inicialmente hiperpolarizar o suficiente (- 70 mV).

Senão houvesse adaptação, o sistema visual não conseguiria detectar os objectos mais claros ou escuros que o nível médio de iluminação do meio ambiente. Neste caso são todos em média mais escuros do que aqueles que se encontravam no ambiente exterior.

É o mecanismo de adaptação que promove uma hiperpolarização gradual do potencial do fotorreceptor (ou seja, facilita que um estímulo menos luminoso active os fotorreceptores).

(30)

67

Regulação da concentração intracelular de Ca

2+

_{no Segmento}

Externo

Concentração intracelular de Ca2+ _{na escuridão ~ 300 a 500 nM, enquanto que a}

extracelular ~ 1.500.000 nM (Krizaj et al, 2002, Front Biosci, 7: 2023–2044).

Na escuridão o fotorreceptor encontra-se despolarizado devido à corrente de

escuridão, esta corrente é composta por Na+_{, mas também por Ca}2+ _{que entra pelo}

mesmo canal que o Na+_.

No decorrer do tempo a saída de Ca2+ _{iguala a entrada, resultando num estado}

estável que determina o estado funcional da célula, ou seja, a sua sensibilidade à luz.

Ao nível do segmento externo existe um trocador electrogénico de catiões, o trocador Na+_/Ca2+_{, K}+_{. Saem 1 K}+ _{e 1 Ca}2+ _{por cada 4}

Na+ _{que entram.}

Nos bastonetes, o Ca2+ _{é também bombeado}

para o interior dos discos membranares, pensa-se que através de bombas Ca2+_-ATPase_{(Krizaj et al,}

(31)

68

O Ca

2+

_{e a Guanilato Ciclase}

A actividade da guanilato ciclase é modulada por ligação duma proteína

activadora (GCAP guanylyl cyclase activating protein). Esta proteína activadora

só é capaz de se ligar à guanilato ciclase quando está isolada. Quando as

concentrações intracelulares de Ca2+ _{aumentam, este liga-se à proteína activadora,}

impedindo-a de interagir com a Guanilato Ciclase.

Luz fundo ↑ → cGMP diminui

→ Fecham canais dependentes de cGMP

→ Ca2+ diminui

→ GCAP activa Guanilato Ciclase → cGMP aumenta

→ Abrem canais dependentes de cGMP → Célula tende a despolarizar

→ É necessário que o estímulo luminoso tenha uma intensidade luminosa suficientemente

superior à iluminação de fundo, para que consiga promover um fecho significativo de canais

(32)

69

O Ca

2+

_{e a Guanilato Ciclase}

Luz fundo ↓

A actividade da guanilato ciclase é também modulada por ligação duma

proteína inibidora (GCIP guanylyl cyclase inhibitor-protein). Esta proteína

inibidora liga-se ao guanilato ciclase na presença de Ca2+_{. Portanto, em}

situações de baixa luminosidade, quando a concentração de Ca2+ _{está elevada, o}

enzima que produz cGMP está inibido. → cGMP aumenta

→ Abrem canais dependentes cGMP

→ Ca2+ aumenta

→ GCIP inactiva Guanilato Ciclase → cGMP diminui

→ Fecham canais dependentes de cGMP → Célula tende a hiperpolarizar

Isto aproxima o fotorreceptor de estados mais “activos” (ou seja, hiperpolarizados),

permitindo que estímulos luminosos de menor intensidade possam produzir uma

(33)

70

O Ca

2+

_{e os pigmentos visuais: os bastonetes.}

A capacidade da rodopsina activada pela luz interagir com a transducina diminui quando a rodopsina é fosforilada pela rodopsina cinase (RK).

A rodopsina cinase é inibida pela acção da recoverina (Rec). A recoverina só se liga à rodopsina cinase quando se

encontra ligada ao Ca2+_.

Luz fundo ↑

Luz fundo ↓ → ... →

Luz fundo ↑ → ... → Ca2+ diminui →

Luz fundo ↑ → ... → Ca2+ diminui → Recoverina liberta-se da rodopsina cinase

→ A rodopsina cinase fosforila a rodopsina activada pela luz →

→ A rodopsina cinase fosforila a rodopsina activada pela luz → A rodopsina fosforilada liga-se à arrestina ficando impossibilitada de interagir com a

transducina →

transducina → Fosfodiesterase inactiva →

transducina → Fosfodiesterase inactiva → cGMP aumenta → … →

transducina → Fosfodiesterase inactiva → cGMP aumenta → … → Célula tende a despolarizar

Luz fundo ↓ → ... → Ca2+ aumenta →

Luz fundo ↓ → ... → Ca2+ aumenta → Recoverina inibe rodopsina cinase → Luz fundo ↓ → ... → Ca2+ aumenta → Recoverina inibe rodopsina cinase →

Rodopsina continua a activar transducina →

Luz fundo ↓ → ... → Ca2+ aumenta → Recoverina inibe rodopsina cinase →

Rodopsina continua a activar transducina → Fosfodiesterase activa →

Rodopsina continua a activar transducina → Fosfodiesterase activa → cGMP diminui → ... →

Rodopsina continua a activar transducina → Fosfodiesterase activa → cGMP diminui → ... → Célula tende a hiperpolarizar

(34)

71

http://fig.cox.miami.edu/

O Ca

2+

_{e os canais dependentes de cGMP}

A condutância do canal dependente do cGMP é

regulada através da calmodulina (CM). A calmodulina

associada ao Ca2+ _{liga-se à subunidade β do canal,}

diminuindo a sua afinidade para cGMP [este processo também ocorre nos cones, o modulador específico é a CNG-modulina (Rebrik et al, 2012, J Neurosci., 32: 3142-3153)].

Luz fundo ↑ → ... → Ca2+ diminui →

In Out

Luz fundo ↓ → ... → Ca2+ aumenta →

Luz fundo ↓ → ... → Ca2+ aumenta → Calmodulina

liga-se ao Ca2+ _→

liga-se ao Ca2+ _{→ Afinidade do canal por cGMP}

diminui →

diminui → Canal fecha → ... →

diminui → Canal fecha → ... → Célula tende a hiperpolarizar

Luz fundo ↑ → ... → Ca2+ diminui → Calmodulina

dissocia-se do Ca2+ _→

dissocia-se do Ca2+ _{→ Calmodulina dissocia-se do}

canal de cGMP →

canal de cGMP → Afinidade do canal por cGMP aumenta →

canal de cGMP → Afinidade do canal por cGMP aumenta → Canal abre → Célula tende a despolarizar

(35)

72

O mecanismo de fototransdução no Segmento Externo

R* _{– Rodopsina activada;}

G – Transducina (αβγ-GDP);

R* _{G – Rodopsina a interagir com a transducina;}

G* _α_α_α_{α – Unidade α da transducina ligada a GTP (α-GTP);}

G* α_α_αα-E – Fosfodiesterase (γαβγ) activada pela G* α;

GC – Guanilato ciclase;

GCAP - Proteína activadora da GC (ñ a activa na escuridão); CM – Calmodulina;

cG – cGMP;

ββββ5 – Parte visível do GAP (GTPase accelerating protein);

Rec – Recoverina (na escuridão inactiva RK);

RK – Rodopsina cinase (qd níveis Ca2+ baixam, fosforila R); Arr – Arrestina (inactiva rodopsina fosforilada).

(36)

73

O Segmento Interno (SI) e o Terminal Sináptico (TS)

O segmento interno filtra e modifica o sinal eléctrico produzido no segmento externo. O terminal sináptico é o compartimento de saída da informação para o

sistema nervoso central. O segmento interno e o terminal sináptico possuem várias classes de canais iónicos e transportadores (a realçar) (Krizaj et al, 2002, Front

Biosci, 7: 2023–2044):

• Na+_/K+ _{ATPase – o Na}+ _{sai e o K}+ _entra.

• Trocador Na+_{/ H}+ _{– o Na}+ _{entra e o H}+ _sai.

• Ca2+_{ATPase – transporta Ca}2+_{para o exterior.}

• Canais de Cl- _{e de K}+ _{dependentes da voltagem e}

canais de Cl- _{e de K}+ _{dependentes do Ca}2+_.

• Canal de Ca2+_{dependente da voltagem no terminal sináptico. Inactiva a elevadas}

concentrações de Ca2+_{. Está aberto quando o fotorreceptor está em repouso ( –40 mV). Fecha}

se o potencial membranar fica abaixo dos –60 mV. Na+_↑

Ca2+_↑ Cl-_↑

K+_↑

Adaptado de Bray et al (1999). Lecture Notes on Human Physiology. Blackwell Publishing.

H

Quando a d.d.p. membranar fica demasiado positiva ou a

concentração intracelular de Ca2+ _{demasiado elevada,}

abrem-se estes canais, o Cl-_{entra e o K}+ _sai,

(37)

74

O Segmento Interno e os fluxos de Ca

2+

_{e Na}

+

O Ca2+ _{que se encontra no segmento interno dos fotorreceptores entra}

fundamentalmente pelos canais de Ca2+ _{dependentes da voltagem.}

O Ca2+ _{é também armazenado nos compartimentos citoplasmáticos internos: o}

retículo endoplasmático e os mitocôndrios.

Em termos de movimento do Ca2+_{, o segmento externo}

encontra-se isolado do segmento interno. O cílio é o

principal responsável por esta limitação à difusão. No cílio

encontram-se proteínas que ligam o Ca2+ _{: a centrina, a}

calmodulina, a quinesina II e a miosina VII. Pensa-se

também que o cílio contém maquinaria especializada para extrusão do Ca2+_.

Pelo contrário, o Na+ _{do segmento externo difunde-se}

livremente para o segmento interno, onde produz as

variações de potencial necessárias à redução ou paragem

(38)

75

Morgans, 2000, Immunol Cell Biol, 78: 442–446.

A entrada de Ca2+ _{através dos canais de Ca}2+

dependentes da voltagem é necessária e suficiente para a libertação de glutamato, que se encontra armazenado em vesículas no terminal sináptico.

O Segmento Interno e a libertação de glutamato

Existem centenas de milhares de vesículas no terminal sináptico dum fotorreceptor. Os terminais sinápticos contém entre 1 (no caso dos bastonetes) a 50 (no caso dos cones) zonas activas, cada qual associada com grupos de vesículas sinápticas, que estão agrupadas formando uma estrutura lamelar designada cinta sináptica (synaptic ribbon).

A libertação de vesículas sinápticas nas sinapses dos fotorreceptores ocorre a grande velocidade, de 30 vesículas por s nos cones a 400 vesículas por s nos bastonetes. Isto é muito mais elevado do que nas sinapses normais, onde a velocidade é de cerca de 20 vesículas por s. O aumento da voltagem no interior do fotorreceptor conduz a um aumento quase linear na velocidade de libertação de vesículas (Krizaj et al, 2002,

(39)

76

A libertação de glutamato, a luz e o potencial membranar

Espécieutilizada: male Xenopus laevis Witkovsky et al, 1997, J Neurosci, 17(19):7297– 7306. E aqui está um Xenopus laevis!

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77

Parte de trás do olho

Parte da frente do olho

4. Células Horizontais (Potenciais gradativos) 5. Células amácrinas (Potenciais gradativos e de acção: vários NT como o GABA e a glicina) 6. Células do epitélio pigmentar 1. Fotorreceptores (Potenciais gradativos: glutamato) (Input) 2. Células Bipolares (Potenciais gradativos: glutamato) 3. Células Ganglionares (Potencial de Acção: glutamato) (Output)

A retina

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78

As famílias de células da retina

Fotorreceptores Cél. Horizontais Cél. Bipolares

Cél. amácrinas

Cél. Ganglionares