مسیر سیگنالینگ سلول‌های استوانه‌ای شبکیه چشم
سلول‌های استوانه‌ای (Rods) فتورسپتورهای تخصص‌یافته شبکیه هستند که مسئول دید اسکوتوپیک (Scotopic vision) یا دید در نور کم می‌باشند. مسیر سیگنالینگ این سلول‌ها نمونه کلاسیک یک آبشار تقویت‌شونده G-protein coupled receptor signaling است که در آن جذب حتی یک فوتون می‌تواند پاسخ الکتریکی قابل‌توجهی ایجاد کند. این فرآیند تحت عنوان فوتوترانسداکشن (Phototransduction) شناخته می‌شود.
نمای کلی مسیر سیگنالینگ سلول استوانه‌ای
در تاریکی، سلول استوانه‌ای در حالت دپلاریزه قرار دارد و به‌طور مداوم گلوتامات آزاد می‌کند. جذب نور موجب فعال شدن آبشار مولکولی‌ای می‌شود که در نهایت منجر به بسته شدن کانال‌های سدیمی وابسته به cGMP، هیپرپلاریزاسیون سلول و کاهش آزادسازی گلوتامات می‌گردد.
مراحل مولکولی فوتوترانسداکشن در سلول‌های استوانه‌ای
1. جذب فوتون توسط رودوپسین
در دیسک‌های بخش خارجی سلول استوانه‌ای، رنگدانه بینایی رودوپسین (Rhodopsin) قرار دارد که از:
پروتئین اپسین (Opsin)
و کروموفور 11cis retinal
تشکیل شده است.
با جذب فوتون:
11cis retinal به all-trans retinal تبدیل می‌شود.
این ایزومریزاسیون موجب فعال شدن رودوپسین و تشکیل متارودوپسین II می‌شود که فرم فعال گیرنده است.
2. فعال شدن ترنسدوسین
رودوپسین فعال مانند یک GPCR عمل می‌کند و پروتئین G اختصاصی شبکیه یعنی ترنسدوسین (Transducin) را فعال می‌سازد.
در این مرحله:
GDP روی زیرواحد α ترنسدوسین با GTP جایگزین می‌شود،
زیرواحد α فعال از کمپلکس جدا می‌شود.
3. فعال شدن فسفودی‌استراز (PDE6)
زیرواحد α فعال ترنسدوسین، آنزیم:
cGMP phosphodiesterase (PDE6)
را فعال می‌کند.
PDE6، گوانوزین مونوفسفات حلقوی (cGMP) را به GMP تجزیه می‌کند.
4. کاهش غلظت cGMP
در تاریکی، cGMP بالا موجب باز ماندن کانال‌های دریچه‌دار وابسته به نوکلئوتیدهای حلقوی (CNG channels or Cyclic nucleotide-gated channels) است. اما با فعال شدن PDE6:
سطح cGMP کاهش می‌یابد،
کانال‌های CNG بسته می‌شوند.
5. بسته شدن کانال‌های +Na+/Ca²
کانال‌های CNG در بخش خارجی سلول مسئول ورود:
+Na
و +Ca²
هستند.
بسته شدن این کانال‌ها سبب توقف جریان تاریکی (Dark Current) می‌شود.
در حالی‌که:
خروج +K از بخش داخلی ادامه دارد.
6. هیپرپلاریزاسیون سلول استوانه‌ای
با کاهش ورود کاتیون‌ها و ادامه خروج +K:
پتانسیل غشایی از حدود 40- mV به حدود 65- تا 70- mV می‌رسد.
بنابراین سلول هیپرپلاریزه می‌شود.
7. کاهش آزادسازی گلوتامات
هیپرپلاریزاسیون موجب بسته شدن کانال‌های +Ca² وابسته به ولتاژ در پایانه سیناپسی شده و در نتیجه:
آزادسازی گلوتامات کاهش می‌یابد.
این تغییر سیگنال به سلول‌های دوقطبی ON و OFF منتقل می‌شود.
تقویت سیگنال (Signal Amplification)
یکی از ویژگی‌های مهم مسیر استوانه‌ای، تقویت بسیار زیاد سیگنال است:
یک مولکول رودوپسین فعال،
صدها ترنسدوسین را فعال می‌کند،
هر PDE تعداد زیادی cGMP را تجزیه می‌کند،
و در نهایت تعداد زیادی کانال یونی بسته می‌شوند.
به همین دلیل، سلول‌های استوانه‌ای قادرند به جذب تنها یک فوتون نیز پاسخ دهند.
خاموش شدن پاسخ نوری (Recovery)
برای جلوگیری از تداوم پاسخ:
مکانیسم‌های خاتمه سیگنال:
1. فسفریلاسیون رودوپسین
توسط Rhodopsin kinase
2. اتصال Arrestin
که مانع فعال‌سازی بیشتر ترنسدوسین می‌شود.
3. هیدرولیز GTP ترنسدوسین
زیرواحد α، گوانوزین تری‌فسفات (GTP) را به GDP تبدیل می‌کند و غیرفعال می‌شود.
4. بازسازی cGMP
کاهش +Ca² داخل سلولی موجب فعال شدن:
Guanylate cyclase
و سنتز مجدد cGMP می‌شود.
در نتیجه کانال‌های CNG دوباره باز شده و سلول به حالت تاریکی بازمی‌گردد.
اهمیت فیزیولوژیک مسیر استوانه‌ای
سلول‌های استوانه‌ای:
حساسیت بسیار بالایی به نور دارند،
مسئول دید شبانه‌اند،
تفکیک فضایی پایینی دارند،
و در تشخیص حرکت و نور ضعیف نقش مهمی ایفا می‌کنند.
همگرایی زیاد Rodها روی سلول‌های دوقطبی باعث افزایش حساسیت ولی کاهش دقت فضایی می‌شود.
جمع‌بندی
مسیر سیگنالینگ سلول‌های استوانه‌ای بر پایه فوتوترانسداکشن وابسته به رودوپسین است. جذب فوتون موجب ایزومریزاسیون 11-cis retinal و فعال شدن رودوپسین می‌شود. رودوپسین فعال، ترنسدوسین را فعال کرده و ترنسدوسین نیز PDE6 را تحریک می‌کند. PDE6 با کاهش cGMP باعث بسته شدن کانال‌های CNG وابسته به cGMP می‌شود. توقف ورود +Na و +Ca² همراه با ادامه خروج +K موجب هیپرپلاریزاسیون سلول و کاهش آزادسازی گلوتامات می‌گردد. این مسیر نمونه‌ای از یک آبشار GPCR با تقویت سیگنال بسیار بالا است که اساس دید در نور کم را تشکیل می‌دهد.
