• Descripción
• Mecanismo molecular de la percepción visual
• Papel del cuerpo ciliar en la renovación de los segmentos externos de los fotorreceptores
  

Descripción

Fig.1. Corte transversal de las capas de la retina (Darnell y cols. 1990).

El estado despolarizado en oscuridad de la membrana plasmática de los bastones es debido a la cantidad elevada de canales de Na+ abiertos. La luz, mediante la cascada de la fototransducción, cierra los canales de Na+. Cuantos más fotones son absorbidos, más canales son cerrados, mayor hiperpolarización y menor liberación de neurotransmisores. Sólo un flash de luz de 6-10 veces el mínimo detectable causa la mitad de la hiperpolarización máxima estimada. Los fotorreceptores experimentan el fenómeno de la adaptación. Es decir, si los bastones están expuestos a la luz continuamente, son necesarios más fotones para causar la hiperpolarización que si los bastones permanecen en oscuridad.

Mecanismo molecular de la percepción visual

1. cómo la luz es absorbida
2. cómo se traduce esta luz en los sucesos que regulan los canales de sodio
3. cómo se adaptan los bastones a la gran variación de intensidad de luz y cómo se produce la neurotransmisión

1. La absorción de un fotón desencadena la isomerización del retinal y la activación de la opsina.
La rodopsina es una proteína de la transmembrana de los bastones que presenta dos componentes: una apoproteína opsina y un cromóforo 11-cis-retinal. La opsina es capaz de interactuar con la proteína G transducina. El 11-cis-retinal absorbe la luz visible (400-600 nm) en una secuencia de eventos hasta la formación de All-trans-retinal. En oscuridad, se produce la isomerización formando nuevamente 11-cis-retinal en una reacción catalizada en las membranas de los bastones, para ligarse nuevamente a la opsina y reformar la rodopsina (Figura 2).

Figura 2. Fotoestimulación de la rodopsina. (Darnell y cols. 1990).

2. La llave del GMP cíclico en la fototransducción.
En oscuridad, el bastón está despolarizado y el Na+ fluye desde el exterior al interior del segmento externo. Para que esto suceda, es necesario que los canales proteicos estén abiertos, lo que se consigue con el GMPc. Cuando un fotón excita la rodopsina, ésta colisiona con la proteína G (transducina) activando así a la GMPc fosfodiesterasa (PDE) (figura 3). Al descender bruscamente el nivel de GMPc disponible, el canal iónico se cierra y la membrana se hiperpolariza al cesar el influjo de Na+. Este hecho presenta una paradoja en la teoría general de la sinapsis, puesto que los bastones transmiten el estímulo tras la hiperpolarización de la membrana, en lugar de ser activada mediante despolarizaciones. Tanto la hiperpolarización como la regeneración de la rodopsina son dos procesos dependientes de GMPc y ATP.

La rodopsina fotoactivada afecta a varios cientos de moléculas de GMPc a través de una PDE que implica la disociación del todo-trans retinal de su opsina conectada a la proteína G modificada. La rodopsina activada puede activar en un primer paso a 500 moléculas de transducina que posee tres unidades, alfa, beta, gamma. Las subunidades beta y gamma (similar a otras proteínas G) al contrario que la subunidad alfa, tienen mucha menor afinidad por el GDP en oscuridad. La enzima PDE, posee cuatro subunidades, alfa, beta y dos gamma. La activación se produce por la separación de las dos subunidades gamma, permitiendo la hidrólisis del GMPc ligado a la PDE.

Figura 3. Activación de la GMPc fosfodiesterasa (Darnell y cols. 1990).

3. Adaptación de los bastones a la variación de los niveles de iluminación
Los conos son insensibles a bajos niveles de iluminación y la actividad de los bastones es inhibida a altos niveles de luz. La actividad de los bastones es inversamente proporcional a la luz ambiental, capaces de adaptarse a una variación de más de 100.000 veces el nivel de luz, de modo que más que la cantidad de luz absorbida, las diferencias en los niveles de luz son las responsables de las imágenes visuales.

Un proceso contribuye a esta adaptación y el Ca++ forma parte del mismo. La enzima guanilato ciclasa, que sintetiza GMPc a partir de GMP, es inhibida por bajos niveles de Ca++ (figura 4). La GMPc que abre los canales de Na+ también abre los canales de Ca++. La luz reduce el GMPc y cierra ambos canales y la disminución del Ca++ causa activación de la guanilato ciclasa y la síntesis de más GMPc. Los iones de Ca++ continúan siendo bombeados fuera de la célula por una glicoproteína intercambiadora de Na+/Ca++. El descenso del calcio provocará la activación de la proteína recoverina, la cual activa la guanilato ciclasa que permitirá la síntesis del GMPc el cual permitirá reabrir los canales de sodio y potasio provocando nuevamente la despolarización o estado de reposo de los bastones. De esta manera, cuanto mayor sea el cambio de intensidad lumínica mayor será el número de canales que se cierran y los fotorreceptores serán menos sensibles a cambios de intensidad lumínica más pequeños.

Figura 4. Papel de la guanilato ciclasa en la regulación del nivel de luz (Darnell y cols. 1990).

El sistema de la rodopsina debe ser al mismo tiempo regenerativo, lo que se realiza mediante la rodopsina cinasa (RK), pero ésta debe activarse también con GMPc. Para ello es necesario la activación de la RK con GMPc y la presencia de ATP, así la fosforilación de la rodopsina previene la unión de esta última a la proteína G y el bastón vuelve al estado de reposo. Este segundo proceso participa también en la adaptación de los bastones a distintos niveles de luz y previene la excesiva estimulación de los bastones bajo muy altos niveles de luz. Sólo se fosforila la opsina estimulada, no así la opsina en reposo (o adaptada a la oscuridad). La opsina se irá fosforilando progresivamente al nivel de intensidad lumínica, siendo cada vez mayor la necesidad de luz para generar la señal visual. Cuando se adquiere un nivel máximo de fosforilación, una proteína, la arrestina o antígeno S, bloquea la fosforilación causando un bloqueo de la actividad de los bastones (figura 5). El fallo de la fosforilación de la opsina es la primera consecuencia de la degeneración de los fotorreceptores (Schmidt y Berson, 1990).

Figura 5. Bloqueo de la fosforilación por la arrestina (Darnell y cols. 1990).

Papel del cuerpo ciliar en la renovación de los segmentos externos de los fotorreceptores

La diferencia fundamental entre los dos tipos de fotorreceptores de la retina es su segmento externo, consistente en una pila de cientos de láminas paralelas (discoides únicamente en el caso de los bastones) de la membrana que contienen una alta fluidez, siendo especialmente rica en DHA y moléculas del pigmento visual. La morfología de los dos fotorreceptores de la retina difiere esencialmente en que las membranas de los bastones no son continuas y se engloban en un mismo espacio extracelular (discos), mientras que en los conos, las membranas de dichas láminas, llamadas lamelas, son continuas y encierran un espacio intracelular.

Estudios autoradiográficos revelan que las proteínas sintetizadas en los segmentos internos son trasportadas a los segmentos externos a través del cuerpo ciliar dentro de los segmentos externos de los bastones (ROS), y los discos nuevos son insertados en la base desplazándose progresivamente hacia la zona distal, mientras que los discos más viejos son fagocitados por el epitelio pigmentario (figura 6).

Figura 6. a) Esquema de un bastón y de los discos de los ROS (Darnell y cols. 1990). b) Microfotografía del corte longitudinal del cuerpo ciliar de un bastón. b: axonema, O: segmento externo, I: segmento interno, mt: microtúbulos. (Barrong y cols. 1992).

El cuerpo basal ciliar del fotorreceptor o axonema es inmóvil y no tiene brazos de dineína ni uniones radiales, su función principal es el mantenimiento y desarrollo del segmento externo e interno de los fotorreceptores (De Robertis, 1956) (figura 7). Dentro de este papel, está asumida la función de comunicación entre los segmentos interno y externo, mediante información eléctrica desde el segmento externo y el transporte de constituyentes y metabolitos de la membrana y citoplasma del segmento interno al ROS (Bok, 1987).

El cuerpo ciliar es importante para la función normal del fotorreceptor debido básicamente a:

• Durante el desarrollo embriológico, los segmentos externos surgen de la elaboración del cuerpo ciliar (Shaly y cols., 1997).
• En fotorreceptores maduros, el cuerpo ciliar es retenido como el elemento principal del citoesqueleto de los segmentos externos. Es la única conexión citoplasmática entre los segmentos externos e internos, y por ello la ruta principal por la cual todas las proteínas y productos de síntesis en los segmentos internos son llevados a los segmentos externos para su renovación.
• Las degeneraciones de la retina humana y la ceguera nocturna, como es el caso de la RP, pueden ser el resultado de defectos ciliares (Brown y cols., 1963; Nilsson, 1964; Cohen, 1965; Young, 1977; Anderson y cols., 1978; Arden y Fox, 1979; Ripps y cols., 1984; Besharse y Horst, 1990; Barrong y cols., 1992; Berson y Adamian, 1992; Bonneau y cols., 1993; Hasson y cols., 1995; Weil y cols., 1995; Weil y cols., 1996)

Figura 7. Esquema del axonema y microfotografía del axonema de un cuerpo ciliar móvil (Darnell y cols. 1990).

Microfotografía del axonema de un bastón (cuerpo ciliar inmóvil) sin microtúbulos centrales (central pair), cuerpos radiales (radial spoke) y brazos de dineína (dynein arms); en su lugar se interconectan los microtúbulos por un nexo circular (flechas) y unidos a la membrana por uniones en forma de Y (asteriscos) (Barrong y cols., 1992).

Cualquier diferencia en el cuerpo ciliar podría repercutir en la diferente distribución entre las membranas de los segmentos externos de los conos (COS) y ROS durante su renovación. Esta hipótesis predice que en los conos, pero no en los bastones, el axonema ciliar se extendería por toda la extremidad de los segmentos externos, y los microtúbulos del axonema estarían presentes dentro de los fragmentos fagocitados dentro de la extremidad de los segmentos externos, sugiriendo que el axonema ciliar puede ser reemplazado durante la renovación de los COS pero no en los ROS.

Las diferencias entre la renovación de los segmentos externos en conos y bastones puede ser de una gran relevancia clínica en la RP, ya que los bastones y conos se ven afectados de una manera diferente. El axonema ciliar tiene una función crítica en el citoesqueleto de los COS y su renovación. Un defecto del axonema ciliar puede provocar disfunción de la visión fotópica, tal y como ocurre en la degeneración senil (Marshall, 1991). Si los axonemas son renovados en los COS pero no en los ROS, tal y como ocurre en los modelos animales, los conos podrían ser capaces de reemplazar la lesión del axonema, mientras que en el axonema ciliar de los bastones la lesión podría ser irreversible (Eckmiller, 1997).

Para la conexión de la rodopsina (discos) con la membrana exterior es necesaria la liberación de un transmisor que interaccione con los canales iónicos, presumiblemente el Ca++, por la diferencia de potencial generada como señales electroquímicas hasta el nervio óptico. Paralelamente se puede producir un cambio de la permeabilidad (Figura 8).

Figura 8. Esquema general de la fototransducción. (Humphries y cols. 1992)