مسیر سیگنالینگ سلول‌های مخروطی شبکیه چشم

ساختار کلی سلول مخروطی

سلول مخروطی شامل این بخش‌هاست:

• بخش خارجی (Outer segment): دارای رنگدانه‌های نوری

• بخش داخلی

• پایانه سیناپسی: ارتباط با سلول‌های دوقطبی و افقی

در مخروط‌ها سه نوع رنگدانه وجود دارد که به طول موج‌های مختلف حساس‌اند:

• مخروط‌های S → نور آبی

• مخروط‌های M → نور سبز

• مخروط‌های L → نور قرمز

مسیر سیگنالینگ سلول مخروطی

1. حالت تاریکی (Dark state)

در تاریکی، سلول مخروطی نسبتاً دپلاریزه است.

اتفاقات اصلی:

1. غلظت cGMP در سیتوپلاسم زیاد است.

2. cGMP به کانال‌های سدیمی وابسته به cGMP متصل می‌شود.

3. کانال‌ها باز می‌مانند و ⁺Na و مقداری ⁺Ca² وارد سلول می‌شوند.

4. این جریان را Dark current می‌نامند.

5. پتانسیل غشا حدود 40- میلی‌ولت باقی می‌ماند.

6. در این حالت سلول به طور مداوم گلوتامات آزاد می‌کند.

2. جذب نور

وقتی فوتون به رنگدانه مخروطی برخورد می‌کند:

الف) فعال شدن فوتوپیگمنت

رنگدانه مخروطی شامل:

• اپسین (Opsin)

• رتینال (11-cis retinal)

نور باعث تبدیل:

11-cis retinal به all-trans retinal

می‌شود و اپسین فعال می‌گردد.

ب) فعال شدن پروتئین G (ترانسدوسین)

اپسین فعال شده، پروتئین G به نام ترانسدوسین (Transducin) را فعال می‌کند.

ترانسدوسین:

• GDP را با GTP جایگزین می‌کند.

• زیرواحد α فعال می‌شود.

ج) فعال شدن فسفودی‌استراز (PDE)

زیرواحد فعال ترانسدوسین، آنزیم:

• cGMP phosphodiesterase (PDE)

را فعال می‌کند.

PDE:

• cGMP → GMP

تبدیل می‌کند.

3. کاهش cGMP

با کاهش cGMP:

• کانال‌های وابسته به cGMP بسته می‌شوند.

• ورود  ⁺Na و ⁺Ca² کاهش می‌یابد.

اما خروج ⁺K ادامه دارد.

نتیجه:

• سلول هایپرپلاریزه می‌شود.

پتانسیل غشا ممکن است به حدود 65- میلی‌ولت برسد.

4. کاهش آزادسازی گلوتامات

هایپرپلاریزاسیون باعث می‌شود:

• ورود ⁺Ca² به پایانه سیناپسی کم شود.

• ترشح گلوتامات کاهش یابد.

این تغییر توسط سلول‌های دوقطبی (Bipolar cells) تفسیر می‌شود.

انتقال پیام به مسیر بینایی

سلول‌های دوقطبی

دو نوع مهم:

ON bipolar cells

• با کاهش گلوتامات فعال می‌شوند.

• در نور دپلاریزه می‌شوند.

OFF bipolar cells

• با کاهش گلوتامات مهار می‌شوند.

• در نور هایپرپلاریزه می‌شوند.

سپس پیام به:

1. سلول‌های گانگلیونی

2. عصب بینایی

3. هسته زانویی جانبی تالاموس (LGN)

4. قشر بینایی اکسی‌پیتال

منتقل می‌شود.

خاموش شدن سیگنال و بازیابی

برای جلوگیری از فعال‌ماندن دائمی مسیر:

مکانیسم‌ها

• اپسین توسط Rhodopsin kinase فسفریله می‌شود.

• Arrestin به اپسین متصل می‌شود.

• ترانسدوسین GTP را هیدرولیز می‌کند.

• guanylate cyclase دوباره cGMP می‌سازد.

• کانال‌ها مجدداً باز می‌شوند.

ویژگی‌های مهم مخروط‌ها

خلاصه بسیار کوتاه مسیر

نور ← فعال شدن اپسین ← فعال شدن ترانسدوسین ← فعال شدن PDE ← کاهش cGMP ← بسته شدن کانال‌های ⁺Na ← هایپرپلاریزاسیون ← کاهش گلوتامات ← انتقال پیام بینایی.

پاسخ در سطح عالی: 

سلول‌های مخروطی شبکیه، گیرنده‌های نوری تخصص‌یافته‌ای هستند که مسئول دید فوتوپیک (Photopic vision)، تشخیص رنگ و قدرت تفکیک فضایی بالا می‌باشند. مکانیسم انتقال پیام در این سلول‌ها نمونه کلاسیک یک مسیر G-protein coupled signaling cascade است که در آن انرژی فوتون به تغییرات الکتروشیمیایی غشایی تبدیل می‌شود. به عبارت دیگر این مسیر در اصل یک cascade وابسته به G-protein است که با دقت زمانی و تقویت سیگنال بسیار بالا عمل می‌کند.

جایگاه عملکردی مخروط‌ها در شبکیه

سلول‌های مخروطی (Cones) گیرنده‌های نوری تخصص‌یافته شبکیه هستند که:

• در نور زیاد فعال‌اند (Photopic vision)

• مسئول دید رنگی‌اند

• قدرت تفکیک فضایی بالایی دارند

• عمدتاً در فووئا متمرکزند

۱. سازمان مولکولی و ساختمانی سلول مخروطی

سلول مخروطی از چهار بخش عملکردی اصلی تشکیل شده است:

1. Outer Segment

   • حاوی دیسک‌های غشایی مشتمل بر فوتوپیگمنت‌ها

   • محل آغاز فوتوترانسداکشن

   • پروتئین‌های مسیر سیگنالینگ

2. Connecting Cilium

   • انتقال پروتئین‌ها بین بخش داخلی و خارجی

3. Inner Segment

   • غنی از میتوکندری

   • مرکز متابولیسم و سنتز پروتئین

4. Synaptic Terminal

   • آزادسازی تونیک گلوتامات

۲. فوتوپیگمنت‌های مخروطی

فوتوپیگمنت مخروطی از دو جزء تشکیل شده است:

• Opsin (پروتئین غشایی GPCR)

• 11-cis retinal (کروموفور مشتق از ویتامین A)

سه نوع مخروط در انسان وجود دارد:

اساس دید رنگی بر مبنای اصل مقایسه‌ای فعالیت نسبی مخروط‌ها است، نه فعالیت مطلق هر مخروط.

۳. وضعیت تاریکی: Dark Current

برخلاف بسیاری از نورون‌ها، گیرنده‌های نوری در تاریکی نسبتاً دپلاریزه هستند.

مکانیسم:

در تاریکی:

• غلظت داخل سلولی cGMP بالا است.

• cGMP به CNG channels (Cyclic nucleotide-gated channels) متصل می‌شود.

• کانال‌های ⁺Na⁺/Ca² باز باقی می‌مانند.

بنابراین:

• ورود مداوم ⁺Na و ⁺Ca² از Outer Segment

• خروج ⁺K از Inner Segment

• ایجاد پتانسیل غشایی حدود 40- mV

این جریان پایه تحت عنوان: Dark Current

شناخته می‌شود.

در نتیجه سلول مخروطی به طور تونیک گلوتامات آزاد می‌کند.

۴. آغاز فوتوترانسداکشن

مرحله اول: ایزومریزاسیون رتینال

جذب فوتون موجب تغییر ساختار:

11-cis retinal به all-trans retinal

می‌شود.

این تغییر کونفورماسیونی اپسین را فعال می‌کند و متارودوپسین فعال ایجاد می‌شود.

۵. فعال شدن ترانسدوسین

اپسین فعال‌شده به عنوان GPCR عمل کرده و پروتئین G اختصاصی شبکیه یعنی:

Transducin (Gt)

را فعال می‌کند.

روند:

• GDP روی زیرواحد α با GTP جایگزین می‌شود.

• α-GTP از کمپلکس جدا می‌گردد.

۶. فعال شدن فسفودی‌استراز

زیرواحد α فعال‌شده، آنزیم:

cGMP phosphodiesterase (PDE6)

را فعال می‌کند.

PDE6 موجب هیدرولیز:

cGMP→GMP

می‌شود.

۷. بسته شدن کانال‌های CNG

کاهش cGMP باعث بسته شدن کانال‌های وابسته به cGMP می‌شود.

نتیجه:

• کاهش ورود ⁺Na و ⁺Ca²

• تداوم خروج ⁺K

• هایپرپلاریزاسیون غشا تا حدود 65- mV

نکته بسیار مهم:

در سیستم بینایی، نور موجب هایپرپلاریزاسیون گیرنده نوری می‌شود؛ برخلاف بسیاری از سیستم‌های حسی که محرک سبب دپلاریزاسیون می‌گردد.

۸. تغییر آزادسازی نوروترنسمیتر

هایپرپلاریزاسیون موجب بسته شدن کانال‌های کلسیمی وابسته به ولتاژ در پایانه سیناپسی می‌شود.

در نتیجه:

$$\downarrow$$

بنابراین اطلاعات نوری به صورت:

«کاهش نرخ آزادسازی گلوتامات»

کدگذاری می‌شود.

۹. پردازش توسط سلول‌های دوقطبی

ON Bipolar Cells

دارای گیرنده mGluR6 هستند.

در تاریکی:

• گلوتامات زیاد ← مهار

در نور:

• کاهش گلوتامات ← دپلاریزاسیون

OFF Bipolar Cells

دارای گیرنده‌های یونی AMPA/Kainate هستند.

در تاریکی:

• دپلاریزه

در نور:

• هایپرپلاریزه

این سازماندهی اساس:

• contrast detection

• edge enhancement

• center-surround antagonism

را فراهم می‌کند.

۱۰. تقویت سیگنال (Signal Amplification)

ویژگی کلیدی فوتوترانسداکشن:

Amplification Cascade

فعال شدن یک مولکول اپسین می‌تواند:

• صدها ترانسدوسین

• هزاران PDE

• میلیون‌ها مولکول cGMP

را تحت تأثیر قرار دهد.

این amplification دلیل حساسیت فوق‌العاده سیستم بینایی است.

۱۱. خاموش شدن سیگنال (Termination)

برای بازگشت سیستم به baseline:

مکانیسم‌ها

الف) فسفریلاسیون اپسین

توسط:

• Rhodopsin kinase (GRK)

ب) اتصال Arrestin

و جلوگیری از فعال‌سازی بیشتر ترانسدوسین

ج) هیدرولیز GTP روی ترانسدوسین

د) فعال شدن Guanylate Cyclase

و بازسازی cGMP

۱۲. نقش ⁺Ca² در تطابق نوری (Light Adaptation)

کاهش ⁺Ca² داخل سلولی در نور:

در نور:

• Ca²⁺ داخل سلولی کاهش می‌یابد.

این کاهش باعث:

• فعال شدن Guanylate cyclase

• افزایش سنتز cGMP

• تغییر حساسیت گیرنده

می‌شود.

این مکانیسم پایه و اساس مولکولی:

Light adaptation

است.

۱۳. پیام نور چگونه کدگذاری می‌شود؟

نکته بنیادی:

نور موجب کاهش فعالیت الکتریکی گیرنده نوری می‌شود.

هایپرپلاریزاسیون سبب:

• بسته شدن کانال‌های ⁺Ca² سیناپسی

• کاهش ورود کلسیم

• کاهش اگزوسیتوز وزیکول‌های گلوتامات

می‌شود.

پس اطلاعات نوری به صورت:

↓Glutamate Release

رمزگذاری می‌شود.

۱۴. اهمیت بالینی

اختلال در اجزای این مسیر منجر به بیماری‌های مهم شبکیه می‌شود:

جمع‌بندی نهایی در یک زنجیره مفهومی

مسیر فوتوترانسداکشن مخروطی یک cascade وابسته به GPCR است که در آن:

$$Photon\to OpsinActivation\to Transducin\to PDE6\to \downarrow cGMP\to CNGChannelClosure\to Hyperpolarization\to \downarrow Glutamate\to BipolarCellSignaling$$

و نهایتاً سیگنال بینایی به سلول‌های دوقطبی و سپس قشر بینایی منتقل می‌شود.