Fototransdukcija i mrežnjača

Fototransdukcija je pretvaranje apsorbovane svjetlosti u električni odgovor fotoreceptora. U mrežnjači, retina, taj odgovor ulazi u lokalnu neuronsku mrežu i postaje signal koji odlazi u mozak. Najvažnija početna razlika u odnosu na mnoge druge receptore jeste smjer promjene potencijala: svjetlost hiperpolarizuje štapiće i čepiće. Da bi se to razumjelo, potrebno je prvo pogledati šta fotoreceptor radi u mraku.

Mrak je aktivno fiziološko stanje

Fotoreceptor ima spoljašnji segment sa fotopigmentima, unutrašnji segment sa metaboličkom opremom i sinaptički završetak. U spoljašnjem segmentu mrakom se održava dovoljno cikličnog guanozin-monofosfata, cGMP, da dio cGMP-zavisnih kationskih kanala bude otvoren. Kroz njih ulaze Na+ i Ca2+.

Istovremeno K+ izlazi kroz kanale unutrašnjeg segmenta. Ove struje povezuju različite dijelove iste ćelije. Ulazna kationska struja u mraku održava fotoreceptor relativno depolarizovanim i omogućava stalno oslobađanje glutamata iz sinaptičkog završetka. Mrak zato ne predstavlja odsustvo svakog signala.

Iz ovoga slijedi korisno pitanje: kako bi se potencijal promijenio kada bi ulazna struja oslabila, a izlazak K+ nastavio? Unutrašnjost bi postala negativnija. Upravo taj odnos struja koristi svjetlosni odgovor.

Od fotona do promjene cGMP

U štapiću fotopigment je rodopsin, spoj proteinskog opsina i retinala. Retinal je molekul povezan sa vitaminom A i dio koji apsorbuje foton. Apsorpcija mijenja njegov prostorni oblik iz 11-cis u all-trans. Ta promjena pokreće promjene opsina i nastanak aktivnog metarodopsina II.

Aktivirani pigment podstiče transducin, G-protein koji prenosi signal prema fosfodiesterazi. Fosfodiesteraza povećava razgradnju cGMP u 5′-GMP. Kako raspoloživi cGMP opada, cGMP-zavisni kanali se zatvaraju i ulaz pozitivnih jona se smanjuje. K+ i dalje može izlaziti kroz unutrašnji segment, pa fotoreceptor hiperpolarizuje.

Time hemijska kaskada povezuje fotopigment sa električnim stanjem membrane. Svjetlost ne mora neposredno vezati kanal niti otvarati depolarizujući otvor. Između apsorbovanog fotona i struje nalazi se niz molekularnih koraka.

Kaskada omogućava pojačanje: jedan aktivirani pigment može podstaći više molekula narednog koraka. Tako mala promjena u apsorpciji izaziva primjetnu promjenu struje. To nije povećavanje energije fotona, već korištenje već raspoloživih ćelijskih molekula i energetskih procesa za nastanak signala.

Receptorski potencijal i oslobađanje glutamata

Hiperpolarizacija predstavlja graduisani receptorski potencijal. Njena veličina i trajanje zavise od nadražaja i stanja adaptacije. Fotoreceptor ne kodira svaki foton istim akcijskim potencijalom. Promjena električnog stanja prenosi se do završetka i smanjuje oslobađanje glutamata.

Za sinapsu je zato važna promjena oko postojećeg nivoa aktivnosti. Svjetlost smanjuje signal iz fotoreceptora, ali to ne znači da svi naredni neuroni postaju manje aktivni. Njihov odgovor zavisi od receptora za glutamat i organizacije mreže.

Ganglijske ćelije predstavljaju izlaz mrežnjače. One prenose informaciju akcijskim potencijalima kroz aksone koji grade n. opticus. Tako se lokalno graduisano kodiranje povezuje sa signalom pogodnim za prenos na veću udaljenost.

ON i OFF putevi i kontrast

Bipolarne ćelije ne odgovaraju jednako na smanjenje glutamata. Kod ON bipolarnih ćelija glutamat preko metabotropnog mehanizma održava inhibicijski uticaj. Kada osvjetljenje smanji njegovo oslobađanje, taj uticaj slabi i ćelija depolarizuje. Kod OFF bipolarnih ćelija jonotropni receptori posreduju pobuđujući uticaj glutamata, pa njegovo smanjenje vodi hiperpolarizaciji.

Dva puta tako daju različit odgovor na istu početnu promjenu fotoreceptora. Povećanje i smanjenje osvjetljenja dobijaju odvojene izlazne obrasce, umjesto jedne nediferencirane poruke o ukupnoj svjetlosti.

Horizontalne ćelije povezuju susjedna područja spoljašnje mreže, a amakrine učestvuju u obradi u unutrašnjoj mreži i u putu štapića. Kod mnogih ganglijskih ćelija osvjetljenje centra receptivnog polja djeluje suprotno osvjetljenju njegove okoline. Takva organizacija podržava razlikovanje kontrasta i granica. Mrežnjača zato već obrađuje prostorni odnos nadražaja prije nego što signal stigne do moždane kore.

Štapići, čepići i fovea

Štapići omogućavaju visoku osjetljivost pri slabom osvjetljenju. Čepići imaju viši prag, ali podržavaju razlikovanje boja i veću prostornu oštrinu u odgovarajućim uslovima. Njihovi pigmenti imaju različitu spektralnu osjetljivost, uz srodan princip molekularnog pretvaranja svjetlosti u signal.

U fovei su čepići gusto raspoređeni, a organizacija mrežnjače pogoduje preciznom razlikovanju detalja. Periferna mreža sa većim udruživanjem signala može povećati osjetljivost, uz drugačiju prostornu preciznost. Zato opažanje slabog svjetla i prepoznavanje sitnog detalja ne koriste potpuno isti funkcijski raspored.

Gašenje odgovora i adaptacija

Da bi sljedeći nadražaj bio prepoznat, aktivacija mora imati završetak. Fosforilacija aktiviranog rodopsina i vezivanje arestina pomažu gašenju njegovog signala. cGMP se ponovo stvara, a smanjen ulazak Ca2+ tokom osvjetljenja mijenja povratnu spregu i pogoduje oporavku sistema. To sprečava da jedan nadražaj beskonačno održava isto stanje.

Regeneracija retinala i fotopigmenta uključuje pigmentni epitel. U adaptaciji na mrak postepeno se obnavlja velika osjetljivost štapića. Čepići, fotoreceptorski mehanizmi i neuronska mreža imaju različite vremenske doprinose prilagođavanju. Adaptacija zato nije samo promjena veličine zjenice niti jedna izolovana hemijska reakcija.

Zapamti

• Svjetlost smanjuje cGMP, zatvara kationske kanale i hiperpolarizuje fotoreceptor.
• Smanjenje glutamata različito utiče na ON i OFF bipolarne puteve.
• Lokalna obrada kontrasta i adaptacija počinju u mrežnjači, prije prenosa ganglijskim akcijskim potencijalima.