Célula fotorreceptora

Una célula fotorreceptora es un tipo especializado de célula neuroepitelial que se encuentra en la retina y que es capaz de realizar fototransducción visual. La gran importancia biológica de los fotorreceptores es que convierten la luz (radiación electromagnética visible) en señales que pueden estimular procesos biológicos. Para ser más específicos, las proteínas fotorreceptoras de la célula absorben fotones, lo que provoca un cambio en el potencial de membrana de la célula.

Actualmente existen tres tipos conocidos de células fotorreceptoras en los ojos de los mamíferos: bastones, conos y células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles. Las dos células fotorreceptoras clásicas son bastones y conos, cada uno de los cuales aporta información utilizada por el sistema visual para formar una imagen del entorno, la vista. Los bastones median principalmente la visión escotópica (condiciones de luz oscura), mientras que los conos median principalmente la visión fotópica (condiciones de luz), pero los procesos en cada uno que apoyan la fototransducción son similares. Durante la década de 1990 se descubrió una tercera clase de células fotorreceptoras de mamíferos: las células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles. Se cree que estas células no contribuyen directamente a la visión, pero tienen un papel en el control del ritmo circadiano y el reflejo pupilar.

Fotosensibilidad

Cada fotorreceptor absorbe luz según su sensibilidad espectral (absortancia), que está determinada por las proteínas fotorreceptoras expresadas en esa célula. Los humanos tenemos tres clases de conos (L, M, S) y cada uno difiere en sensibilidad espectral y "prefiere" la sensibilidad espectral. fotones de diferentes longitudes de onda (ver gráfico). Por ejemplo, la longitud de onda máxima de la sensibilidad espectral del cono S es de aproximadamente 420 nm (nanómetros, una medida de longitud de onda), por lo que es más probable que absorba un fotón a 420 nm que a cualquier otra longitud de onda. La luz de una longitud de onda más larga también puede producir la misma respuesta desde un cono S, pero tendría que ser más brillante para lograrlo.

De acuerdo con el principio de univariancia, la señal de salida de un fotorreceptor es proporcional únicamente al número de fotones absorbidos. Los fotorreceptores no pueden medir la longitud de onda de la luz que absorben y, por tanto, no detectan el color por sí solos. Más bien, son las proporciones de respuestas de los tres tipos de células cónicas las que pueden estimar la longitud de onda y, por lo tanto, permitir la visión del color.

Histología

La anatomía de varillas y conos varía ligeramente.

Los fotorreceptores de bastones y conos se encuentran en la capa más externa de la retina; Ambos tienen la misma estructura básica. Lo más cercano al campo visual (y más alejado del cerebro) es la terminal del axón, que libera un neurotransmisor llamado glutamato a las células bipolares. Más atrás está el cuerpo celular, que contiene los orgánulos de la célula. Más atrás aún está el segmento interno, una parte especializada de la célula llena de mitocondrias. La función principal del segmento interno es proporcionar ATP (energía) para la bomba de sodio-potasio. Finalmente, el más cercano al cerebro (y el más alejado del campo de visión) está el segmento externo, la parte del fotorreceptor que absorbe la luz. Los segmentos externos son en realidad cilios modificados que contienen discos llenos de opsina, la molécula que absorbe fotones, así como canales de sodio dependientes de voltaje.

La proteína fotorreceptora membranosa opsina contiene una molécula de pigmento llamada retina. En los bastones, estos elementos en conjunto se denominan rodopsina. En las células de los conos existen diferentes tipos de opsinas que se combinan con la retina para formar pigmentos llamados fotopsinas. Tres clases diferentes de fotopsinas en los conos reaccionan a diferentes rangos de frecuencia de luz, una diferenciación que permite al sistema visual calcular el color. La función de la célula fotorreceptora es convertir la información luminosa del fotón en una forma de información comunicable al sistema nervioso y fácilmente utilizable por el organismo: esta conversión se llama transducción de señales.

La opsina que se encuentra en las células ganglionares intrínsecamente fotosensibles de la retina se llama melanopsina. Estas células participan en diversas respuestas reflejas del cerebro y el cuerpo a la presencia de luz (diurna), como la regulación de los ritmos circadianos, el reflejo pupilar y otras respuestas no visuales a la luz. La melanopsina funcionalmente se parece a las opsinas de invertebrados.

Mosaico retiniano

La mayoría de los fotorreceptores de los vertebrados se encuentran en la retina. La distribución de bastones y conos (y clases de ellos) en la retina se denomina mosaico retiniano. Cada retina humana tiene aproximadamente 6 millones de conos y 120 millones de bastones. En el "centro" de la retina (el punto directamente detrás del cristalino) se encuentra la fóvea (o fóvea central), que contiene sólo conos; y es la región capaz de producir mayor agudeza visual o mayor resolución. En el resto de la retina, los conos y bastones se entremezclan. No se encuentran fotorreceptores en el punto ciego, el área donde las fibras de las células ganglionares se acumulan en el nervio óptico y salen del ojo. La distribución de las clases de conos (L, M, S) tampoco es homogénea, no hay conos S en la fóvea y la proporción entre conos L y M difiere entre individuos.

El número y la proporción de bastones y conos varía entre especies, dependiendo de si un animal es principalmente diurno o nocturno. Ciertos búhos, como el cárabo nocturno, tienen una enorme cantidad de bastones en la retina. Otros vertebrados también tendrán un número diferente de clases de conos, desde monocromáticos hasta pentacromáticos.

Señalización

El camino de una señal visual se describe mediante la cascada de fototransducción, el mecanismo por el cual la energía de un fotón señala un mecanismo en la célula que conduce a su polarización eléctrica. Esta polarización conduce en última instancia a la transmitancia o inhibición de una señal neuronal que se enviará al cerebro a través del nervio óptico. Los pasos que se aplican a la vía de fototransducción de los fotorreceptores de conos y bastones de vertebrados son:

1. El olfato visual Vertebrate en la membrana discal del segmento exterior absorbe un fotono, cambiando la configuración de un cofactor base Schiff retinal dentro de la proteína de la forma cis a la forma trans, causando que la retina cambie la forma.
2. Esto resulta en una serie de intermedios inestables, el último de los cuales se une más fuerte a una proteína G en la membrana, llamada transducina, y la activa. Este es el primer paso de amplificación – cada opsin fotoactivado activa la activación de alrededor de 100 transductores.
3. Cada transducina activa la fosfodiesterasa específica de la enzima cGMP (PDE).
4. PDE luego cataliza la hidrolisis de cGMP a 5' GMP. Este es el segundo paso de amplificación, donde un solo PDE hidroliza alrededor de 1000 moléculas CGMP.
5. La concentración neta de cGMP intracelular se reduce (debido a su conversión a GMP de 5' a través de PDE), lo que resulta en el cierre de Natación cíclica⁺ Canales de iones ubicados en la membrana del segmento exterior fotoreceptor.
6. Como resultado, los iones de sodio ya no pueden entrar en la célula, y la membrana del segmento exterior fotorreceptor se hiperpolariza, debido a que la carga dentro de la membrana se vuelve más negativa.
7. Este cambio en el potencial de la membrana de la célula hace que se cierren los canales de calcio obtenidos por tensión. Esto conduce a una disminución de la afluencia de iones de calcio en la célula y por lo tanto la concentración intracelular de iones de calcio cae.
8. Una disminución de la concentración intracelular de calcio significa que menos glutamato se libera a través de la exocitosis inducida por calcio a la célula bipolar (ver abajo). (El nivel de calcio reducido retrasa la liberación del glutamato neurotransmisor, que excita las células bipolar postinápticas y las células horizontales).
9. ATP proporcionado por el segmento interno potencia la bomba de sodio-potásico. Esta bomba es necesaria para restablecer el estado inicial del segmento exterior tomando los iones de sodio que están entrando en la célula y bombeándolos de vuelta.

Hiperpolarización

A diferencia de la mayoría de las células receptoras sensoriales, los fotorreceptores en realidad se hiperpolarizan cuando se estimulan; y por el contrario se despolarizan cuando no se estimulan. Esto significa que el glutamato se libera continuamente cuando la célula no está estimulada y el estímulo hace que se detenga la liberación. En la oscuridad, las células tienen una concentración relativamente alta de guanosina cíclica 3'-5' monofosfato (cGMP), que abre canales iónicos activados por cGMP. Estos canales son inespecíficos y permiten el movimiento de iones de sodio y calcio cuando están abiertos. El movimiento de estos iones cargados positivamente hacia el interior de la célula (impulsado por su respectivo gradiente electroquímico) despolariza la membrana y conduce a la liberación del neurotransmisor glutamato.

Los canales controlados por nucleótidos cíclicos no estimulados (en la oscuridad) en el segmento externo están abiertos porque el GMP cíclico (cGMP) está unido a ellos. Por lo tanto, los iones cargados positivamente (es decir, iones de sodio) ingresan al fotorreceptor y lo despolarizan a aproximadamente −40 mV (el potencial de reposo en otras células nerviosas suele ser de −65 mV). Esta corriente de despolarización se conoce a menudo como corriente oscura.

Células bipolares

Los fotorreceptores (bastones y conos) transmiten a las células bipolares, que luego transmiten a las células ganglionares de la retina. Los axones de las células ganglionares de la retina forman colectivamente el nervio óptico, a través del cual se proyectan hasta el cerebro.

Los fotorreceptores de bastones y conos señalan su absorción de fotones mediante una disminución en la liberación del neurotransmisor glutamato a las células bipolares en su terminal axónico. Dado que el fotorreceptor se despolariza en la oscuridad, se libera una gran cantidad de glutamato a las células bipolares en la oscuridad. La absorción de un fotón hiperpolarizará el fotorreceptor y, por lo tanto, dará como resultado la liberación de menos glutamato en la terminal presináptica a la célula bipolar.

Cada fotorreceptor de bastón o cono libera el mismo neurotransmisor, el glutamato. Sin embargo, el efecto del glutamato difiere en las células bipolares, dependiendo del tipo de receptor incrustado en la membrana de esa célula. Cuando el glutamato se une a un receptor ionotrópico, la célula bipolar se despolarizará (y por lo tanto se hiperpolarizará con la luz a medida que se libere menos glutamato). Por otro lado, la unión del glutamato a un receptor metabotrópico produce una hiperpolarización, por lo que esta célula bipolar se despolarizará a la luz a medida que se libere menos glutamato.

En esencia, esta propiedad permite que una población de células bipolares se excite con la luz y otra población que se inhiba, aunque todos los fotorreceptores muestren la misma respuesta a la luz. Esta complejidad se vuelve importante y necesaria para detectar color, contraste, bordes, etc.

Ventajas

La fototransducción en bastones y conos es algo inusual en el sentido de que el estímulo (en este caso, la luz) reduce la respuesta de la célula o la tasa de activación, a diferencia de la mayoría de los otros sistemas sensoriales en los que un estímulo aumenta la velocidad de la célula. s respuesta o tasa de disparo. Esta diferencia tiene importantes consecuencias funcionales:

1. el fotorreceptor clásico (rod o cono) es depolarizado en la oscuridad, lo que significa que muchos iones sodio están fluyendo en la célula. Así, la apertura o cierre aleatorio de canales de sodio no afectará el potencial de membrana de la célula; sólo el cierre de un gran número de canales, mediante la absorción de un fotón, lo afectará y señalará que la luz está en el campo visual. Este sistema puede tener menos ruido en relación con el esquema de transducción sensorial que aumenta la tasa de disparos neuronales en respuesta al estímulo, como el tacto y la olfacción.
2. hay un montón de amplificación en dos etapas de fototransducción clásica: un pigmento activará muchas moléculas de transducina, y un PDE clavará muchos cGMPs. Esta amplificación significa que incluso la absorción de un fotón afectará el potencial de la membrana y la señal al cerebro que la luz está en el campo visual. Esta es la característica principal que diferencia los fotoreceptores de barras de fotoreceptores de cono. Las barras son extremadamente sensibles y tienen la capacidad de registrar un solo fotón de luz, a diferencia de los conos. Por otro lado, se sabe que los conos tienen kinetics muy rápidos en términos de tasa de amplificación de fototransducción, a diferencia de varillas.

Diferencia entre bastones y conos

Comparación de células de conos y bastones humanos, de Eric Kandel et al. en Principios de la ciencia neuronal.

Desarrollo

Los eventos clave que median la diferenciación de bastones, conos S y conos M son inducidos por varios factores de transcripción, incluidos RORbeta, OTX2, NRL, CRX, NR2E3 y TRbeta2. El destino del cono S representa el programa de fotorreceptores predeterminado; sin embargo, la actividad transcripcional diferencial puede provocar la generación de bastones o conos M. Los conos L están presentes en los primates, sin embargo, no se sabe mucho sobre su programa de desarrollo debido al uso de roedores en la investigación. Hay cinco pasos para desarrollar fotorreceptores: proliferación de células progenitoras de retina (RPC) multipotentes; restricción de competencia de los RPC; especificación del destino celular; expresión de genes fotorreceptores; y por último crecimiento axonal, formación de sinapsis y crecimiento del segmento externo.

La señalización temprana de Notch mantiene el ciclo progenitor. Los precursores de los fotorreceptores se producen mediante la inhibición de la señalización de Notch y el aumento de la actividad de varios factores, incluido el homólogo 1 del achaete-scute. La actividad de OTX2 compromete a las células al destino de los fotorreceptores. CRX define además el panel de genes específico del fotorreceptor que se expresa. La expresión NRL conduce al destino de la barra. NR2E3 restringe aún más las células al destino de los bastones al reprimir los genes de los conos. RORbeta es necesaria para el desarrollo de conos y bastones. TRbeta2 media el destino del cono M. Si alguno de los factores mencionados anteriormente' Cuando se eliminan las funciones, el fotorreceptor predeterminado es un cono S. Estos eventos tienen lugar en diferentes períodos de tiempo para diferentes especies e incluyen un patrón complejo de actividades que dan lugar a un espectro de fenotipos. Si estas redes reguladoras se alteran, pueden producirse retinitis pigmentosa, degeneración macular u otros déficits visuales.

Fotorreceptores de células ganglionares

Las células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (ipRGC) son un subconjunto (≈1–3%) de células ganglionares de la retina; a diferencia de otras células ganglionares de la retina, son intrínsecamente fotosensibles debido a la presencia de melanopsina, una proteína sensible a la luz. Por tanto constituyen una tercera clase de fotorreceptores, además de los bastones y los conos.

En los seres humanos, los ipRGC contribuyen a funciones que no forman imágenes, como los ritmos circadianos, el comportamiento y el reflejo pupilar a la luz. La sensibilidad espectral máxima del receptor está entre 460 y 482 nm. Sin embargo, también pueden contribuir a una vía visual rudimentaria que permite la visión consciente y la detección del brillo. Los fotorreceptores clásicos (bastones y conos) también se alimentan del novedoso sistema visual, lo que puede contribuir a la constancia del color. Los ipRGC podrían ser fundamentales para comprender muchas enfermedades, incluidas las principales causas de ceguera en todo el mundo, como el glaucoma, una enfermedad que afecta a las células ganglionares, y el estudio del receptor ofrecía potencial como una nueva vía a explorar para tratar de encontrar tratamientos para la ceguera.

Las ipRGC solo se detectaron definitivamente en humanos durante experimentos históricos realizados en 2007 en humanos sin conos ni varillas. Como se había descubierto en otros mamíferos, se descubrió que la identidad del fotorreceptor ni de bastón ni de cono en humanos era una célula ganglionar en la retina interna. Los investigadores habían rastreado pacientes con enfermedades raras que eliminaban la función clásica de los fotorreceptores de conos y bastones pero preservaban la función de las células ganglionares. A pesar de no tener bastones ni conos, los pacientes continuaron exhibiendo fotoentrenamiento circadiano, patrones de comportamiento circadianos, supresión de melanopsina y reacciones pupilares, con sensibilidades espectrales máximas a la luz ambiental y experimental que coincidían con las del fotopigmento de melanopsina. Sus cerebros también podrían asociar la visión con luz de esta frecuencia.

Fotorreceptores no humanos

Los fotorreceptores de conos y bastones son comunes a casi todos los vertebrados. Las glándulas pineal y parapineal son fotorreceptivas en los vertebrados no mamíferos, pero no en los mamíferos. Las aves tienen neuronas fotoactivas en contacto con el líquido cefalorraquídeo (LCR) dentro del órgano paraventricular que responden a la luz en ausencia de información de los ojos o neurotransmisores. Los fotorreceptores de invertebrados en organismos como insectos y moluscos son diferentes tanto en su organización morfológica como en sus vías bioquímicas subyacentes. Este artículo describe los fotorreceptores humanos.