Structurile opsinelor conice oferă informații despre pierderea vederii
Retina ochiului uman conține între șase și șapte milioane de celule conice.
Aceste celule conțin proteine sensibile la lumină, cunoscute sub numele de opsine conice, care ne permit să percepem detaliile din jur în timpul zilei. O cercetare recentă, coordonată de Polina Isaikina de la Institutul Paul Scherrer (PSI), a reușit pentru prima dată să determine structura moleculară tridimensională a opsinelor conice umane în starea lor de întuneric, adică înainte de a fi activate de lumină.
Opsinele conice ne permit să vedem lumea în mii de culori: căpșuni roșii, frunze verzi, cer albastru. Ele ne ajută, de asemenea, să vedem obiectele din jurul nostru clar și să percepem mișcările rapide, cum ar fi trecerea unui tren sau zborul unei libelule. Totuși, aceste proteine esențiale pentru viziunea diurnă sunt adesea implicate în bolile retiniene. Defectele funcției receptorilor conici, cauzate de mutații genetice sau de alte procese degenerative, pot duce la tulburări precum daltonismul și degenerescența maculară legată de vârstă (AMD), o afecțiune care afectează retina centrală, provocând pierderi progresive ale vederii.
Isaikina și Sarah L. Schmidt, cercetători de la Centrul pentru Științe ale Vieții de la PSI, au reușit, pentru prima dată, să determine structura tridimensională a opsinelor conice umane în starea lor de întuneric și să demonstreze cum arhitectura moleculară le permite activarea rapidă de către lumină. Aceasta oferă noi perspective importante asupra viziunii umane și evoluției acesteia și poate deschide noi direcții pentru studiul bolilor oculare care în prezent nu au tratamente eficiente. Studiul a fost realizat în colaborare cu colegi de la PSI, Infrastructura pentru Lumină Extremă din Republica Cehă și Universitatea din Tokyo, Japonia, și a fost publicat în revista Science.
Opsinele conice sunt proteine fotoreceptoare găsite în celulele conice, care sunt dens populate în fovea centralis. Această zonă a retinei umane este responsabilă pentru vederea clară. Fiecare ochi uman conține între șase și șapte milioane de conuri. Proteinele lor receptor sunt activate de lumină, declanșând o cascadă de semnalizare care produce semnale electrice procesate de creier. Datorită rapidității acestui proces, opsinele conice ne permit să urmărim obiecte în mișcare rapidă. Totuși, ele funcționează în principal pe timpul zilei, când nivelurile de lumină sunt ridicate. În condiții de iluminare scăzută, la amurg și noapte, o rudă evolutiv mai tânără, opsina de bastonaș, preia această sarcină.
Viziunea colorată a oamenilor este mediată de trei tipuri de opsine conice, fiecare sensibilă la o anumită regiune a spectrului vizibil. Conele L sunt cele mai sensibile la lumina roșie, cele M la lumina verde, iar cele S la lumina albastră. Deși există doar trei tipuri de conuri, noi vedem lumea în mai mult decât trei culori, deoarece percepția noastră a culorilor provine din interacțiunea sensibilităților lor spectrale suprapuse.
Structura 3D a opsinelor conice înainte de activarea de către lumină, precum și motivele din spatele răspunsurilor lor excepțional de rapide, au fost greu de determinat. Acești receptori sunt extrem de dinamici și pot suferi activare spontană chiar și în întuneric, ceea ce face extrem de dificilă izolarea lor într-o stare bine definită.
Pentru a evita activarea accidentală, cercetătorii au lucrat exclusiv sub o lumină roșie foarte slabă în laborator, la lungimi de undă departe de sensibilitatea opsinelor conice. „Pentru a determina structura tridimensională a acestor receptori în starea lor de întuneric și a înțelege activarea lor rapidă, a trebuit să depășim obstacole tehnice majore”, afirmă Polina Isaikina. „Am combinat mai multe abordări avansate, inclusiv microscopie crio-electronică, spectroscopie laser ultrarapidă, teste biochimice și celulare, precum și instrumente computaționale care ne-au permis să proiectăm și să optimizăm acești receptori pentru studii detaliate.”
Efortul a dat roade: echipa de cercetare prezintă acum structuri anterior nerezolvate ale opsinelor conice umane, în special variantele sensibile la albastru și verde în stările lor inactive în condiții de întuneric. Deși opsina conică roșie nu a fost studiată direct, similaritatea sa genetică strânsă cu opsina conică verde sugerează că principii moleculare similare sunt probabil aplicabile.
Pentru a înțelege de ce opsinele conice sunt capabile să convertească impulsurile de lumină în semnale electrice atât de rapid, este util să ne uităm la organizarea lor structurală. „La baza fiecărei opsine conice se află așa-numita retinal, o moleculă sensibilă la lumină derivată din vitamina A”, explică Sarah L. Schmidt.
Când lumina lovește ochiul, aceasta transferă energie către retinal, determinându-l să-și schimbe forma. Aceasta, la rândul său, declanșează activarea fotoreceptorului și generarea unui semnal electric către creier, unde informațiile vizuale sunt procesate. „Datele noastre structurale și funcționale noi indică faptul că opsinele conice sunt optimizate pentru transmiterea rapidă a semnalelor”, afirmă Schmidt. Structura lor moleculară include o rețea de „microswitch-uri” interne care le permit să se conecteze cu partenerul lor de semnalizare intracelular, proteina G transducătoare. Deoarece această interacțiune are loc deja în starea de repaus, transmiterea semnalului poate continua extrem de rapid odată ce lumina este absorbită. Această pregătire moleculară ajută la explicarea modului în care opsinele conice îndeplinesc nevoile viziunii diurne.
Un alt factor care contribuie la viteza opsinelor conice se află în arhitectura locului de legare a retinalului. În cazul opsinei conice verzi, de exemplu, acest loc de legare a retinalului este relativ deschis la intrare și ieșire. Acest lucru permite retinalului să fie dislocat rapid după un impuls de lumină, pregătindu-se astfel pentru următorul impuls. O astfel de rotație rapidă susține actualizarea rapidă a informațiilor vizuale în creier.
Cercetătorii PSI au descoperit ceva interesant: locul de legare a retinalului opsinei sensibile la albastru este mai restrâns, cu „uși închise” care restricționează efectiv mișcarea retinalului. Ca urmare, este necesară o stimulare luminoasă de energie mai mare pentru a induce o schimbare de formă în ligandul retinal. Lumina albastră conține natural mai multă energie decât cea verde sau roșie și este, prin urmare, bine adaptată pentru a declanșa această tranziție. În contrast, retinalul din opsina sensibilă la verde se poate mișca mult mai liber, permițând receptorului să răspundă la lumina verde de energie mai mică și chiar să se activeze spontan în absența luminii.
Descoperirile acestui studiu ar putea oferi un nou cadru molecular pentru înțelegerea bolilor oculare asociate cu pierderea sau disfuncția fotoreceptorilor din celulele conice. La nivel mondial, sute de milioane de oameni trăiesc cu diferite tipuri de deficiențe de vedere. Deficiențele de vedere colorată afectează
