Óptica de Fotorreceptores Fototransducción

Óptica de Fotorreceptores
Fototransducción
Clase del 8 de mayo de 2012
Prof. Maria L. Calvo
I.- Óptica de fotorreceptores
• Estudia el comportamiento de los conos y
bastones de la retina como guías de onda
ópticas.
• Estas guías de onda biológicas tienen la
capacidad de confinar la luz de una forma
eficiente.
• Se caracterizan por ser guías de onda
absorbentes e inhomogéneas con una
geometría particular.
Estructura de la retina
Anatomía de los bastones y los conos
Segmento externo (OS: outer segment)
– Compuesto por discos o estructuras de
membranas biológicas.
– Un total de 1000 discos
– Contiene pigmentos visuales
• rodopsina - bastones
• iodopsina - conos
– Está embebido en la capa pigmentaria de
la retina
Bastones
• Más numerosos que los conos, 130 milliones/retina
• Detectan la presencia (o ausencia) de fotones con
independencia de la longitud de onda de emisión.
Dando lugar a mecanismos para:
• Visión nocturna y visión periférica
– Percepción de los niveles de grises
• Molécula: Rodopsina ------> escotopsina + retinal
– Retinal: es un derivado de la vitamina A
– Se necesitan del orden de 5 minutos para
regenerar el 50% de la rodopsina blanqueada en
los bastones.
– La estimulación de un bastón es casi instantánea
en la recepción de fotones.
Fotorrecepción - Conos
• Visión de color
• 6,5 millones de conos en la retina
• La fotoquímica de los conos tiene casi las misma
composición química que la rodopsina de los
bastones.
• Proteina: fotopsina
– iodopsina ------> fotopsina + retinal
– Tiempo: 90 s. para regenar el 50% de
iodopsina en los conos
• 3 tipos diferentes de fotoquímicos:
– Red (erythrolobe)- 74% - 558 nm
– Green (chlorolobe)- 10% - 531 nm
– Blue (cyanolobe)- 16% - 420 nm
JW 1 deg nasal
AN 1 deg nasal
JW 1 deg temporal
5 arc min macaque 1.4 deg nasal
Estructura de un fotorreceptor
Antecedentes históricos
En 1958 Jay M. Enoch descubrió el comportamiento de los
fotorreceptores de la retina como guías de onda óptica.
La radiación óptica se confina en los conos y los bastones
cuando incide sobre la apertura de entrada.
Resultado fundamental: Observación de la estructura de
los modos confinados. Estudio en muestras de retina de
salamandra.
Algunas características fundamentales:
* Los fotorreceptores son células biológicas altamente
modificadas. Son responsables de una parte del
mecanismo de procesado de la información visual: óptico
+ electro-óptico.
Confinamiento de modos
Luz
dispersada
Plano de salida
Z=0
En la luz dispersada contribuyen la suma de modos transversales confinados y
el scattering por la guía.
Ángulo crítico:
 C= sin -1(n4/n2).
Fotoreceptores de la retina (salamandra): cono sección externa: n2= 1.39. Bastón: n2= 1.41
Tejido intersticial: n4=1.34
Observación de los modos en una
muestra de retina de salamandra
Efecto Stiles-Crawford (1933)
Un observador presenta diferente
sensibilidad hacia la luz
dependiendo del punto por el que el
haz luminoso entra en la pupila del
ojo.
Se muestra la variación del
logaritmo de la luminancia relativa
en función de la localización
espacial en la pupila de un
observador sin patologías (V.
Lakshminarayanan, 1986).
• Consecuencia:
Los fotorreceptores de la retina se
comportan como centros de
scattering.
Sensitividad espectral de los
fotorreceptores
Estimulación del Fotopigmento
Photoisomerization
Isomerase
Fotoreceptores:
FOTOTRANSDUCCION
En oscuridad los fotoreceptores liberan neurotransmisores (glutamato).
El glutamato hiperpolariza algunas células bipolares y despolariza otras.
.....
...
.
En
oscuridad
Se produce una señal hiperpolarizada/depolarizada en las células ganglionares.
Procesamiento de la señal en las células
ganglionares
Cada célula ganglionar responde SOLO a la
presencia o no de señal a través del campo
receptivo. field is the area of visual space
•Receptive
• El campo receptivo de la celular
ganglionar se puede representar como un
área circular.
• Este campo receptivo tiene una zona
circundante de respuesta antagónica.
•on-center cells excitación con luz que cae
en la zona central.
•off-center cell  excitación con luz que cae en
la zona circundante.
mlc1
Transducción
Diapositiva 18
mlc1
m l calvo, 5/28/2010
Hiperpolarización de los bastones
En oscuridad las puertas de Na+
permanecen abiertas
NOTA: cGMP es una enzima presente en la retina (Guanosín
monofosfato cíclico: cyclic Guanosin Mono Phosphate).
Grado de
polarizabilidad:
determina la
cantidad de
neurotransmisor
sináptico liberado
por el receptor
(glutamato).
Mecanismo de
generación de respuesta
del fotorreceptor:
A: Invertebrados
Se produce una despolarización
en el mecanismo de transducción
B. Vertebrados:
Se produce una hiperpolarización
Amplificación
• El proceso químico inherente a
la transducción posibilita la
amplificación del impulso
neuronal.
• Una sola molécula isomerizada
de fotopigmento puede activar
500 PDE.
• Una mólecula de PDE puede
inactivar muchas moléculas
cGMP.
• Puesto que las reacciones son
casi instantáneas, una señal
generada por respuesta a baja
intensidad puede ser
igualmente amplificada.
Regeneración de la rodopsina en la
oscuridad después de un proceso de
blanqueo total (saturación)*
*: M. Alpern, J. Physiol. (1971), 217, pp. 447-471
• El mecanismo se repite.