Iluminarea la suprafața Pământului variază cu >10 ordine de mărime în timpul ciclului normal zi-noapte, iar sistemul vizual al vertebratelor acoperă toată această gamă de intensități luminoase cu două subsisteme neuronale care se bazează pe activitatea a două tipuri de celule fotoreceptoare, bastonașe și conuri. Vederea umană cu bastonașe funcționează pe aproximativ șapte ordine zecimale de iluminare. Sistemul vizual cu conuri funcționează pe o gamă și mai largă (Rodieck 1998). Adaptarea la lumină are loc la toate nivelurile sistemului vizual, de la fotoreceptori la neuronii centrali. Cu toate acestea, funcția întregului sistem vizual depinde de capacitatea fotoreceptorilor înșiși de a-și ajusta sensibilitatea la situația de iluminare ambientală. Astfel, fotoreceptorii trebuie să genereze semnale fiabile pe timp de noapte, atunci când fotonii unici sunt captați între intervale lungi de întuneric, și trebuie, de asemenea, să continue să semnalizeze la intensitățile luminoase foarte mari întâlnite într-o zi însorită. Este probabil ca adaptarea fotoreceptorilor la lumină să fie mediată de mecanisme moleculare multiple și poate redundante (Detwiler și Gray-Keller 1992; Lagnado și Baylor 1992; Bownds și Arshavsky 1995; Pugh et al. 1999). Recent, Pugh et al. 1999 au rezumat nouă mecanisme moleculare individuale despre care se crede că sunt implicate în adaptare și au discutat contribuțiile lor relative la întregul proces de adaptare. Un studiu al acelorași autori, publicat la pagina 795 (Nikonov et al. 2000, acest număr), oferă suportul experimental pentru ideile lor și dezvoltă în continuare un cadru teoretic care va avea un impact asupra viitoarelor studii de adaptare la lumină a fotoreceptorilor.
Mecanismele moleculare care stau la baza adaptării la lumină pot fi discutate în contextul reacțiilor care guvernează cGMP în citoplasma fotoreceptorilor (Hodgkin și Nunn 1988):
Concentrația intracelulară de cGMP este determinată de viteza de sinteză a acestuia de către guanililciclaza și de viteza de hidroliză a acestuia de către fosfodiesterază (PDE) cGMP. Această concentrație este monitorizată în mod constant de către canalele cGMP-gated situate în membrana plasmatică a fotoreceptorului. În fotoreceptorul adaptat la întuneric, se menține o concentrație constantă de cGMP de câțiva micromoli. Acest lucru menține deschisă o fracțiune din canalele cationice portate de cGMP din membrana plasmatică externă și celula este depolarizată. Lumina determină scăderea cGMP prin activarea PDE prin intermediul cascadei enzimatice care include rodopsina fotoactivată, proteina G numită transducină și enzima efectoare PDE. Reducerea concentrației de cGMP are ca rezultat închiderea canalului și hiperpolarizarea fotoreceptorului. Recuperarea răspunsului la lumină are loc atunci când cascada excitatorie este inactivată, nivelul de cGMP este restabilit de guanililciclaza, iar canalele se redeschid. În timpul fotoreacționării, concentrația intracelulară de Ca2+ scade, de asemenea, deoarece intrarea acestuia prin canalele portate de cGMP este blocată, în timp ce acesta continuă să fie extrudat de o moleculă de schimb Na2+/Ca2+-K+, situată în membrana plasmatică. Această scădere a Ca2+ este cea care a fost implicată ca fiind principalul factor care stă la baza adaptării la lumină, deoarece duce la reglarea prin feedback a diferitelor componente ale cascadei de fototransducție.
Pentru a ilustra importanța adaptării la lumină pentru funcția normală a fotoreceptorilor, luați în considerare următoarele. Pentru ca fotoreceptorii bastonașilor să înregistreze stimuli luminoși minimi, trebuie să se realizeze un grad ridicat de amplificare a semnalului în cascada rodopsină-transducină-PDE. De exemplu, la vârful răspunsului tijei de broască la un singur foton, care are loc la ∼1 s după absorbția fotonului, ∼5% din canalele deschise, sensibile la lumină, devin închise. Acest lucru implică faptul că o iluminare constantă care livrează doar ∼100 de fotoni pe secundă ar închide toate canalele, ceea ce ar face ca celula să nu răspundă la nicio altă stimulare luminoasă. Dar, deoarece bastonașele se adaptează la lumină, această saturație este evitată până când iluminarea ambientală produce o rată de captare a fotonilor de ∼10.000 de fotoni pe secundă. Efectul adaptării este și mai profund în cazul conurilor: aceștia practic nu se saturează niciodată.
Tranziția dintre starea de adaptare la lumină și cea de adaptare la întuneric a fotoreceptorilor este însoțită de două schimbări semnificative în proprietățile fiziologice ale fotoreceptorilor. În primul rând, fotoreceptorii adaptați la lumină sunt mai puțin sensibili la lumină, împiedicându-i să devină orbi la niveluri ridicate de intensitate luminoasă. În al doilea rând, fotoreceptorii adaptați la lumină produc fotoreacții mai rapide, îmbunătățind rezoluția temporală în sistemul vizual. Termenul de „adaptare la lumină” a fost cel mai des aplicat acestor două caracteristici, iar opinia predominantă în literatura de specialitate sugerează că sistemele de feedback Ca2+ stau la baza ambelor caracteristici. O contribuție extrem de importantă a lui Nikonov et al. 2000 este de a contesta acest punct de vedere. Autorii au examinat procesul de adaptare la lumină în fotoreceptorii bastonașelor de salamandră și oferă dovezi experimentale că atât desensibilizarea fotoreceptorilor, cât și accelerarea răspunsului sunt în mare măsură independente de feedback-ul Ca2+. În schimb, acestea rezultă din activitatea ridicată a PDE cauzată de iluminarea de fond constantă.
Un efect al activării constante a PDE asupra sensibilității absolute a răspunsului este destul de simplu. Deoarece sensibilitatea absolută a răspunsului este proporțională cu numărul absolut al canalelor deschise înainte de flash, reducerea numărului de canale deschise cauzată de iluminarea constantă duce automat la o comprimare a amplitudinii răspunsului. Cu toate acestea, comprimarea răspunsului este o parte relativ mică din efectul total al activării constante a PDE. Principala sursă de reducere a sensibilității la flash se datorează accelerării recuperării semnalului cauzată de activarea PDE. În mod formal, această accelerare apare deoarece constanta de timp a reacției care guvernează modificarea cGMP indusă de flash este invers proporțională cu activitatea specifică a PDE pe volum citoplasmatic. Această constantă de timp este exact aceeași constantă de timp care guvernează reînnoirea întregului fond citoplasmatic de cGMP în aceleași condiții de iluminare.
Cel din urmă concept nu este intuitiv, iar Nikonov et al. 2000 oferă o analogie hidrodinamică cu „cada de baie” pentru a ilustra acest efect în discuția din lucrarea lor. Noi oferim o altă analogie care ar putea atrage cititorul familiarizat cu proprietățile circuitelor electrice. Luați în considerare un circuit electric format dintr-un rezistor variabil, un condensator și o sursă de curent constant. Tensiunea (V) pe condensator reprezintă concentrația de cGMP. Curentul (i) care încarcă condensatorul (C) reprezintă rata de sinteză a cGMP de către guanilililciclaza (α, conform Nikonov et al. 2000), în timp ce condensatorul reprezintă volumul celular. Activitatea PDE este reprezentată de rezistența variabilă (R(I)), care este reglată de lumină (I). Conductivitatea rezistenței, 1/R, reprezintă suma dintre activitatea PDE bazală în întuneric și activitatea PDE stimulată de lumină. Tensiunea pe condensator este stabilită prin echilibrul dintre fluxul de curent care intră în circuit și scurgerea prin rezistor. Ecuațiile care descriu modificările tensiunii din circuit sunt identice cu cele care descriu dinamica concentrației de cGMP în bastonaș.
În această analogie, un răspuns flash este reprezentat prin introducerea unei scăderi scurte și tranzitorii a R(I). Aceasta face ca tensiunea să scadă până la un anumit nivel, iar apoi revine exponențial la nivelul stabil cu o constantă de timp τ = RC. Deoarece 1/RC este echivalent cu raportul dintre activitatea în stare stabilă a PDE și volumul citoplasmatic (β, conform Nikonov et al. 2000), RC reprezintă constanta de timp a schimbării rezervei citoplasmatice de cGMP. Atunci este clar că o activitate mai mare a PDE în regim staționar reduce această constantă de timp și duce la o recuperare mai rapidă a cGMP la nivelul său de bază. Nikonov și colab. 2000 demonstrează că acest al doilea efect cinetic al activității constante a PDE pre-flash este principalul factor responsabil pentru accelerarea fotoreacției în timpul adaptării la lumină. Este important de remarcat faptul că, deoarece circuitul este liniar, evoluția în timp a recuperării răspunsului „flash” este independentă de valoarea constantă a curentului i. Modificările lui i nu fac decât să scaleze amplitudinea răspunsului de tensiune (cGMP) fără a modifica timpul său caracteristic de recuperare. Astfel, nivelul activității ciclazei în regim staționar, i în această analogie, nu are nicio influență asupra vitezei de recuperare a fotoreacției.
Recuperarea accelerată înseamnă că răspunsul flash se dezvoltă pe o perioadă mai scurtă de timp, iar acest lucru reduce sensibilitatea la un flash suprapus pe un fond stabil. Astfel, activarea PDE în stare staționară reduce sensibilitatea fotoreceptorului prin efectele combinate de reducere a fracției de canale deschise și de scurtare a fotoreacției. Experimentele elegante au permis lui Nikonov et al. 2000 să cuantifice gradul de activare a PDE de către luminile de fond stabil. Aceștia arată că, din reducerea de ∼100 de ori a sensibilității flash-ului observată cu cele mai luminoase intensități de fond ale lor (a se vedea Fig. 6 în Nikonov et al. 2000), ∼5 de ori se datorează comprimării răspunsului și ∼15 de ori se datorează efectului cinetic al activării PDE, restul fiind probabil datorat efectului recoverinei care acționează asupra duratei de viață a rodopsinei activate.
După ce am atribuit cea mai mare parte a reducerii sensibilității fotoreceptorilor și a accelerării fotorespunsului la activitatea crescută a PDE înainte de flash, se pune întrebarea: ce rol joacă feedback-ul Ca2+ în adaptarea la lumină? Răspunsul este clar dacă ținem cont de faptul că activitatea constantă a PDE produsă de lumina de fond determină o creștere substanțială a activității hidrolitice a cGMP. Dacă nu ar exista mecanisme de compensare, concentrația de cGMP ar fi redusă dramatic, chiar și în condiții de iluminare de fond moderată, lăsând în cele din urmă niciun canal deschis pentru a înregistra modificările ulterioare ale luminii. Astfel, rolul cel mai fundamental al Ca2+ în adaptarea la lumină este acela de a se opune acestei saturații prin angajarea unui număr de mecanisme moleculare care, în cele din urmă, conduc la redeschiderea canalelor și, prin urmare, la extinderea gamei de intensități luminoase în care fotoreceptorul funcționează (vezi Pugh et al. 1999 pentru referințe și discuții detaliate).
Efectul major de extindere a gamei de Ca2+ este mediat de un feedback asupra guanililciclazei prin intermediul proteinelor de legare a Ca2+ numite proteine de activare a guanilciclazei. Scăderea Ca2+ dependentă de lumină determină o creștere a ratei de sinteză a cGMP care contracarează activitatea constantă ridicată a PDE în timpul iluminării de fond. Acest efect al iluminării de fond constante nu trebuie confundat cu reacția dinamică a Ca2+ asupra guanililciclazei în timpul răspunsului la flash, care accelerează recuperarea răspunsului la flash. Nikonov et al. 2000 susțin că efectul activării dinamice a ciclazei variază puțin în funcție de condițiile de iluminare de fond și, prin urmare, nu ar trebui să fie considerat un factor important în adaptarea la lumină.
Cel de-al doilea efect de extindere a gamei de Ca2+ vizează direct canalele portate de cGMP. Scăderea Ca2+ determină canalele să devină mai sensibile la cGMP, astfel încât acestea funcționează la o concentrație mai mică de cGMP. Acest efect este probabil mediat de calmodulină sau de proteine asemănătoare calmodulinei și pare să fie mai semnificativ la conuri decât la bastonașe (Rebrik et al. 2000). Ambele efecte conduc la redeschiderea canalelor portate de cGMP în timpul iluminării constante, fără a provoca efecte de desensibilizare; în schimb, ele resensibilizează fotoreceptorul.
Cea de-a treia reacție de Ca2+ diferă de celelalte pentru că provoacă atât o extindere a domeniului de acțiune, cât și contribuie la desensibilizarea celulei. Scăderea Ca2+ sporește fosforilarea rodopsinei prin intermediul proteinei de legare a Ca2+ recoverin, ceea ce duce la o scădere a duratei de viață a rodopsinei activate. Acest lucru duce la desensibilizare, deoarece reduce numărul de molecule PDE activate de fiecare rodopsină. Intervalul de funcționare este, de asemenea, extins, deoarece numărul redus de PDE-uri active se traduce printr-o rată constantă redusă de hidroliză a cGMP. Atât Nikonov et al. cât și alte literaturi recente discutate de autori demonstrează că, în tije, acest mecanism pare a fi mult mai puțin puternic decât feedback-ul asupra guanilililciclazei.
Un alt rezultat important raportat în articolul lor este că nu există nicio indicație a unui al patrulea mecanism de feedback Ca2+ propus, reglarea adaptivă a câștigului în cascadă între activarea rodopsinei și închiderea canalului. Lamb și Pugh 1992 au dezvoltat o metodă de estimare a câștigului în cascada de fototransducție prin analizarea fazei inițiale de creștere a răspunsurilor flash. Ulterior, alte investigații discutate de Nikonov et al. 2000 au arătat că această pantă a fost diminuată pentru flash-urile prezentate în timpul iluminării de fond sau în timp ce Ca2+ intracelular a fost redus în mod artificial în întuneric, concluzionând că acest lucru a reflectat un sistem de feedback de Ca2+ care a redus câștigul cascadei în timpul adaptării la lumină. În lucrarea de față, Nikonov et al. 2000 arată că pentru intensități de lumină de fond care închid până la 80% din canalele sensibile la lumină și care au ca rezultat o reducere de aproximativ cinci ori a Ca2+ intracelular, faza inițială de creștere a răspunsurilor la flash-uri, de fapt, nu este schimbată. Aceștia concluzionează că reducerea aparentă a amplificării induse de lumina de fond sau de scăderea Ca2+ intracelulară descrisă în literatura de specialitate se datorează probabil nivelului constant crescut al activității PDE și ratei crescute de stingere a rodopsinei fotoexcitate care determină ca fotoreacția să se desprindă de la o traiectorie inițială invariabilă în momente foarte timpurii.
Nikonov și colegii săi avansează acum punctul de vedere că feedback-ul Ca2+ în adaptarea la lumină servește aproape exclusiv la creșterea sensibilității fotoreceptorilor, mai degrabă decât ca un mecanism de desensibilizare a fotoreceptorilor. Deși acest lucru poate părea paradoxal, efectul de sensibilizare al extinderii domeniului de acțiune mediat de feedback-ul Ca2+ a fost evident încă de la primele publicații care au demonstrat importanța declinului Ca2+ indus de lumină pentru adaptarea la lumină (Matthews et al. 1988; Nakatani și Yau 1988). În aceste studii, inhibarea feedback-ului Ca2+ în timpul iluminării de fond constante a provocat o reducere catastrofală a sensibilității la flash. Feedback-ul Ca2+ a prevenit în mare măsură pierderea sensibilității și a extins intervalul de funcționare a fotoreceptorului de ∼100 de ori (a se vedea figura 2 din Matthews et al. 1988). Eleganța articolului lui Nikonov et al. 2000 constă în faptul că au găsit o modalitate clară de a disocia rolurile atât pentru mecanismele de desensibilizare, cât și pentru cele de sensibilizare în procesul general de adaptare.
Acest lucru ne aduce înapoi la definiția adaptării la lumină în fotoreceptori. Așa cum am menționat mai sus, adaptarea este de obicei definită ca o combinație de desensibilizare celulară și accelerare a răspunsului. Logica lui Nikonov et al. 2000 sugerează că este necesar să redefinim adaptarea pentru a cuprinde trei fenomene interdependente: desensibilizarea celulelor, accelerarea răspunsului și extinderea domeniului de funcționare. Mecanismele moleculare individuale pot contribui la una sau mai multe dintre aceste trei caracteristici. După cum au subliniat Pugh și colegii săi în 1999, desensibilizarea la bastonașe implică o creștere a hidrolizei constante a cGMP, o compresie a semnalului și o scădere a duratei de viață a rodopsinei prin Ca2+/recuperare. Accelerarea răspunsului implică o creștere a hidrolizei constante a cGMP și o scădere a duratei de viață a rodopsinei. Extinderea razei de acțiune implică trei procese dependente de Ca2+: o creștere a sintezei de cGMP; o creștere a sensibilității la cGMP a canalelor; și o scurtare a duratei de viață a rodopsinei fotoactivate.
Nikonov et al. 2000 oferă un model matematic detaliat al fototransducției tijei vertebrate și al adaptării la lumină, bazat pe practic toate mecanismele biochimice bine stabilite. Modelarea de acest tip include în mod natural mulți parametri care lasă mult loc pentru ambiguitate atunci când se adaptează răspunsurile. Cu toate acestea, în articolul de față și într-un articol anterior, Nikonov și colegii săi (Nikonov et al. 1998, Nikonov et al. 2000) au estimat experimental mulți dintre parametrii fiziologici și biochimici cheie în mod independent. Acest lucru elimină aproape complet manipularea arbitrară a parametrilor și crește robustețea concluziilor trase din model.
Cu descrierea cantitativă a fototransducției și a adaptării la lumină pe care Nikonov et al. o oferă, ce a rămas necunoscut? Oferim aici următoarele trei exemple. În primul rând, deși Nikonov et al. nu au găsit nicio dovadă de reglare a câștigului de fototransducție în condițiile lor experimentale, rămâne de văzut dacă reglarea câștigului apare sau nu la niveluri de iluminare mai mari, pe o scară de timp mai lungă sau la specii diferite. Dacă da, aceasta ar implica existența unor mecanisme biochimice și componente moleculare suplimentare care nu sunt incluse în schema actuală de fototransducție. În al doilea rând, se cunosc puține lucruri despre mecanismele moleculare care stau la baza adaptării la lumină la conuri. Conurile sunt capabile să acopere o gamă mai largă decât bastonașele și sunt practic imposibil de saturat cu lumină de fond continuă. Studiile viitoare ar trebui să fie orientate spre înțelegerea faptului dacă întreaga adaptare a conurilor ar putea fi explicată prin mecanisme de adaptare poate mai eficiente, asemănătoare cu cele ale tijelor, sau dacă necesită mecanisme unice suplimentare. În al treilea rând, la un nivel superior al procesării vizuale, nu se cunoaște modul în care adaptarea fotoreceptorilor individuali contribuie la adaptarea întregului sistem vizual. Rămâne de stabilit cum oricare dintre cele trei componente ale adaptării la lumină a fotoreceptorilor, desensibilizarea celulelor, accelerarea răspunsului și extinderea intervalului de sensibilitate, poate face ca vederea noastră adaptată la lumină să funcționeze mai rapid, cu o sensibilitate mai bună la contrast și o rezoluție spațială mai mare.
.