NOTAS SOBRE OS MECANISMOS DA VISÃO DE SERES VIVOS

NOTAS SOBRE OS MECANISMOS DA VISÃO DE SERES VIVOS

Um seminário sobre o processo de visão, para Engenheiros Biomédicos. Abordagem preliminar de fatos anatômicos, fisiológicos, e bioquímicos.

Olho: Anatomia e Funcionamento

A anatomia humana foi por cerca de 15.000 anos baseada nos

trabalhos pioneiros de

Galeno de Pergamum

(130-200 AD). Devido à

proibição das dissecações e autopsias, a compreensão só avançou

após a Renascença, particularmente com

Andreas Vesalius

ESTRUTURA DO OLHO HUMANO

• As principais estruturas são:

íris, lente, pupila, córnea, retina, humor vítreo, disco óptico e nervo.

O globo ocular é revestido (córnea à parte) de uma parede com três camadas concêntricas: esclerótica, caróide, retina.

1. Esclerótica: confere estabilidade mecânica,

2. Caróide: irrigação sangüínea e a

3. Retina: células sensoriais.

Dentro do globo há um líquido transparente: o humor aquoso.

• A pupila é um orifício circular de diâmetro ajustável, através da ação dos músculos, para regular a quantidade de luz que penetra no olho.

• Estes músculos (íris) exercem esforços radiais sobre a pupila.

Já no século XVII, descobriu-se que a retina e não a córnea era

responsável pela detecção da luz.

Johannes Kepler

e

René

Descartes

efetuaram os principais avanços da época.

Kepler propôs que a imagem era focalizada na retina. Poucas décadas após, Descartes mostrou que Kepler estava correto. Para a demonstração, ele removeu cirurgicamente o olho de um boi. Ele postulou também que a imagem era invertida, além de concluir que o astigmatismo é conseqüência de curvatura imprópria da córnea.

Células bastonetes e células cones na retina

Muito embora o microscópio tenha suas primeiras aplicações científicas no final do Século XVI e inicio do Século XVII, estas técnicas só se tornaram sofisticadas no Século XIX e foram de auxílio no entendimento da estrutura do olho.

Na década de 1830, vários pesquisadores alemães usaram microscópio para examinar a retina. Dois tipos de células foram descobertos na retina – os bastonetes e os cones – assim chamados devido ao seu formato quando vistos no microscópio.

Uma visão microscópica de bastonetes de um peixe é exibida a seguir para indicar como tais células são nos animais. Ambas são fotossensíveis.

Max Schultze (1825-1874) descobriu que os cones são os receptores de cores nos olhos e os bastonetes não são sensíveis à cor, mas muito sensíveis a baixos níveis de luminosidade (vide figura). No olho humano há abundantemente mais bastonetes do que cones.

Figura. Sensibilidade dos bastonetes (rod) e dos cones (cone) à

incidência de fótons de luz.

Pigmentos Visuais

Durante o século XIX, os pigmentos visuais foram descobertos na retina.

Dissecando os olhos de rãs, verificou-se que a cor modificava-se com a

incidência de luz (a retina é fotossensível). Os discos de membrana

situados nos bastonetes contêm

rodopsina

(Mr 40.000), uma proteína

sensível à luz. Nos cones, há tipos diferentes de rodopsina, o que

possibilita a visão colorida.

A sensibilidade é devida a um pigmento chamado rodopsina. Estudos posteriores mostraram que esta é uma proteína e a opsina foi também descoberta. Pigmentos também são encontrados nos cones e há três tipos de células cone, de acordo com o pigmento que elas contêm.

Uma teoria original para a visão colorida foi proposta por Thomas Young (1773-1829)

circa 1790, antes mesmo da descoberta das células cone na retina. Young foi pioneiro

em propor que o olho humano vê somente as três cores primárias, R, B e Y e que todas as cores são combinações destas. Ora, apesar de simplista como teoria, o trabalho de Young estabeleceu as bases da teoria da visão colorida.

Há menos células cones que células bastonetes na retina. Nos cones, há tipos diferentes de rodopsina, o que possibilita a visão colorida. O fotorreceptor nos bastonetes é a rodospsina, constituída de uma apoproteína transmembranar (opsina) ligada covalentemente ao pigmento absorvedor de luz (11-cis-retinal).

A percepção de cores em mamíferos se faz através de receptores (células cones) contendo pigmentos em diferentes sensibilidades espectrais.

•

No

homem

, há usualmente três tipos de cones, conferindo uma visão

tricromática

. Nos mamíferos, há cones com sensibilidade (máxima)

nos comprimentos de onda 424 nm, 530 nm e 560 nm.

• Nas aves e peixes, há cones sensíveis nos comprimentos de onda 370 nm (UV), 445 nm, 508 nm e 565 nm.

• Outros primatas e mamíferos são apenas dicromáticos e muitos outros sequer possuem visão de cor.

• Já nos pássaros e outros seres do reino animal, há evidências definitivas que a luz ultravioleta desempenha papel fundamental na percepção de imagens coloridas. Eles possuem visão tetracromática, com quatro tipos distintos de cones. As aves, lagartos, tartarugas entre outros, possuem capacidade de visão superior aos mamíferos.

Tabela. Cones presentes no olho humano

Cone Nome do pigmento

Faixa de

resposta

Pico de

sensibilidade

S

β (Azul)

400- 500 nm

420 nm

M

γ (Azul esverdeado) 450 - 630 nm

534 nm

L

ρ (Verde amarelado) 500 - 700 nm

564 nm

Figura. Resposta dos cones S, M e L no olho humano em função do comprimento de onda da luz incidente (absorção espectral de rodopsina purificada). A curva central pontilhada corresponde à resposta global.

Figura. Os quatro tipos de pigmentos presentes nas retinas de aves e

Figura. Simulação de detalhes percebidos pela sensibilidade da visão em UV. Detalhes provavelmente percebidos pelas aves, embora não notados pelo

homem. http://en.wikipedia.org/wiki/Color_vision

O gene “azul” da opsina está localizado no cromossomo 7, enquanto que os genes “vermelho” e “verde” estão localizados no cromossomo X.

A cegueira para cores, tais como a inabilidade de distinguir vermelho e verde, é comumente hereditária.

Há vários tipos de cegueira à cor, dependendo da mutação ocorrida na opsina. Algumas vezes, não há resposta em uma dada faixa espectral, conduzindo a uma visão dicromática (dicromáticos vermelho- e dicromáticos verde-).

Em alguns casos, existem os fotoreceptores para R e G, mas a mudança na proteína conduz a uma mudança na faixa espectral absorvida, resultando em visão anormal

Os mecanismos de percepção de cor dependem de fatores

evolucionários, que provavelmente tem ligação com os imperativos na

busca e reconhecimento de fontes de alimentos.

Nos primatas herbívoros, a percepção de cor é essencial para encontrar alimentos adequados (por exemplo, maduros). Por outro lado, mamíferos de hábitos noturnos têm sistemas com sensibilidade reduzida à cor, uma vez que não há luz suficiente para o funcionamento adequado de cones.

Os pigmentos presentes nos cones L e M são codificados no cromossomo X do genoma; e sua deficiência conduz as formas mais comuns de cegueira a cores. As freqüências da luz que estimula cada dentre estes tipos de receptores com uma intensidade variável.

• A luz amarela, por exemplo, estimula ambos os cones L e M com extensão moderada, mas apenas fracamente os cones do tipo S.

• A luz vermelha, por outro lado, estimula quase que exclusivamente os cones do tipo L, e • A luz azul quase que exclusivamente os cones S.

O sistema visual combina a informação dos receptores e dá origem a diferentes percepções para diferentes comprimentos de onda da luz.

Quando um pigmento dos cones absorve fótons de luz, a energia recebida o faz mudar de conformação, o que desencadeia eventos moleculares que conduzem à excitação da célula cônica. Esta célula ativa, por sua vez, neurônios na retina, transmitindo informação sobre a luz recebida através do nervo óptico até o cérebro. Quanto mais intensa a fonte luminosa, mais fótons absorvidos e maior a excitação dos cones.

PERCURSO DA INFORMAÇÃO VISUAL

Bastonetes e cones formam sinapses com vários neurônios interconectores que transportam e integram os sinais elétricos.

As sinapses dos fotorreceptores ocorrem em camadas superpostas de interneurônios que são inervados por diferentes combinações de células fotorreceptoras.

Os sinais passam aos neurônios ganglionares para o nervo óptico e seguem daí até o cérebro.

As células ganglionares transmitem características visuais distintas em via paralelas múltiplas; esse processo permite a interpretação de diferentes características do estimulo visual (forma, cor, profundidade, movimento etc.).

Todos esses sinais são processados e interpretados por uma porção do cérebro denominada córtex visual.

Figura. Detalhes da estrutura de bastonetes. Ligação neuronal para transmissão da informação.

FATOS BIOQUÍMICOS – TRANSDUTORES SENSORIAIS (ÓPTICOS)

O fotorreceptor nos bastonetes é a rodospsina, constituída de uma apoproteína transmembranar (opsina) ligada covalentemente ao pigmento absorvedor de luz

(11-cis-retinal).

Passo no mecanismo da visão.

P1. cis-retinol é convertido em todo trans-retinol P2. rodopsina torna-se ativada

P3. A concentração de cGMP decresce (guanosina-monofosfato cíclico) P4. Bloqueio de entrada de Na+ (fechamento do canal)

P5. bastonete hiperpolarizado

P6. Liberação de glutamato (ou aspartato)

P7. Um potencial de ação despolariza a célula adjacente

A incidência de luz dispara mudanças de conformação no receptor rodopsina.

Mudanças conformacionais devidas à absorção de fótons na rodopsina.

E1 – o pigmento 11-cis-retinóico absorve luz visível

E2 – isomerização da porção 11-cis-retinóica para todo-trans-retinal. E3 – opsina ativada é instável e dissocia-se espontaneamente,

liberando opsina e todo-trans-retinol.

Bastonetes e cones tem um potencial transmembranar elétrico produzido pelo bombeamento de Na+, K+ ATPase (segmento interno) e um canal iônico permite a passagem de Na+ ou Ca2+, controlado por cGMP.

cenário Potencial da membrana

Canais iônicos

neurotransmissores

No escuro - 30 mV abertos Secretando continuamente No claro -35 mV fechados Decréscimo da liberação

Na conformação excitada, a rodopsina interage com a transducina que paira próxima aos discos. A transducina (T) pertence à família de proteínas ligantes ao GTP (guanosina-trifosfato) como a Gs e G1. No escuro, a GDP (guanosina

di-fosfato) é liberada e as subunidades Tα , Tβ e Tγ permanecem juntas.

Quando a rodopsina é excitada pela luz dissociando Tα e Tβ,γ.

A T_α ligada à GTP conduz o sinal ao cGMP fosfodiesterase (PDE), uma enzima que converte o cGMP em 5’-GMP.

3’,5’-cGMP + H₂O Æ 5’-GMP

A PDE é uma proteína integral com sítio ativo no lado citosólico do disco membranar. Quando a T_α-GTP liberada e a atividade da enzima cresce em ordens de magnitude.

Cada PDE ativa consegue degradar muitas moléculas de cGMP em 5’-GMP inativo, baixando então a concentração de cGMP no segmento externo.

Com a baixa da concentração, o canal iônico controlado por cGMP fecha e a entrada de Na+ e Ca2+ é bloqueada, hiperpolarizando a membrana do bastonete ou cone. Por este processo, o estímulo inicial (fóton) modifica o potencial membranar da célula.

AMPLIFICAÇÃO

Cada molécula de rodopsina ativa pelo menos 500 moléculas de transducina, cada uma das quais pode ativar uma molécula de PDE. O PDE tem uma enorme quantidade de voltas e pode hidrolisar cerca de 4.200 moléculas de cGMP por segundo. A ligação do cGMP ao canal iônico é cooperativa (≥ 3 moléculas de cGMP devem estar ligadas para abrir o canal). Assim, a absorção de um único fóton leva ao fechamento de milhares de canais iônicos e modifica o potencial da membrana em aproximadamente 1 mV.

Quanto maior a incidência de fótons, mais canais iônicos se fecham e menos Na+ cruza a membrana. Isto implica em menor liberação de neurotransmissores.

Células em humanos podem detectar flash de cinco fótons, bloqueando o influxo de 10.000.000 íons de Na+/fóton devido ao fechamento de centenas de canais.

TERMINAÇÃO

Imediatamente após cessar a iluminação dos fotorreceptores, o sistema fotossensível desliga-se. A subunidade Tα da transducina tem atividade

GTPase intrínseca. Em milissegundos, o GTP é hidrolisado e a T_α ressocia-se com Tβ,γ. A subunidade inibitória I da PDE que tinha se ligado ao Tα-GTP

reassocia-se ao PDE. A concentração de cGMP retrona ao nível do escuro e a enzima gualilil ciclase converte a GTP em cGMP numa reação que é inibida por uma alta concentração de Ca2+.

O domínio carboxil-fosforilado terminal da rodopsina é ligado pela arrestina (evitando interações entre a rodopsina ativada e a transducina).

Após um longo período (segundos ou minutos), o todo-trans-retinol da molécula de rodospsina excitada é removido e substituído pelo 11-cis-retinol, produzindo assim rodopsina pronta para a próxima rodada de excitação óptica.

CONCLUSÃO

Procurou-se apresentar uma visão panorâmica de aspectos ligados à

visão de seres vivos, no intuito de melhor conhecer a abordagem

adotada pela natureza.

A idéia é que tais mecanismos possam auxiliar nos modelos de visão

biônica, artificial e/ou computacional.

Aumento da resolução da imagem