Célula bastonácea

En los vertebrados, la activación de una célula fotorreceptora es una hiperpolarización (inhibición) de la célula. Cuando no reciben estimulación, como en la oscuridad, las células bastones y conos se despolarizan y liberan espontáneamente un neurotransmisor. Este neurotransmisor hiperpolariza la célula bipolar . Las células bipolares se encuentran entre los fotorreceptores y las células ganglionares y transmiten señales de los fotorreceptores a las células ganglionares . Como resultado de la hiperpolarización de la célula bipolar, esta no libera su neurotransmisor en la sinapsis bipolar-ganglionar y la sinapsis no se excita.

La activación de los fotopigmentos por la luz envía una señal mediante la hiperpolarización de la célula bastón, lo que provoca que esta no envíe su neurotransmisor, lo que a su vez lleva a la célula bipolar a liberar su transmisor en la sinapsis bipolar-ganglio y excitar dicha sinapsis.

La despolarización de las células fotorreceptoras (que provoca la liberación de su neurotransmisor) se produce porque, en la oscuridad, las células presentan una concentración relativamente alta de monofosfato de guanosina cíclico 3'-5' (cGMP), que abre los canales iónicos (principalmente los de sodio, aunque el calcio también puede entrar a través de ellos). Las cargas positivas de los iones que entran en la célula siguiendo su gradiente electroquímico modifican el potencial de membrana celular , provocan la despolarización y dan lugar a la liberación del neurotransmisor glutamato . El glutamato puede despolarizar algunas neuronas e hiperpolarizar otras, lo que permite que los fotorreceptores interactúen de forma antagónica.

Cuando la luz incide sobre los pigmentos fotorreceptores dentro de la célula fotorreceptora, el pigmento cambia de forma. Este pigmento, llamado rodopsina (la conopsina se encuentra en las células cono), está compuesto por una proteína grande llamada opsina (situada en la membrana plasmática), a la que se une un grupo prostético unido covalentemente: una molécula orgánica llamada retinal (un derivado de la vitamina A ). El retinal existe en la forma 11-cis-retinal en la oscuridad, y la estimulación por la luz provoca que su estructura cambie a todo-trans-retinal. Este cambio estructural aumenta su afinidad por la proteína reguladora llamada transducina (un tipo de proteína G). Al unirse a la rodopsina, la subunidad alfa de la proteína G reemplaza una molécula de GDP por una molécula de GTP y se activa. Este reemplazo provoca que la subunidad alfa de la proteína G se disocie de las subunidades beta y gamma de la proteína G. Como resultado, la subunidad alfa queda libre para unirse a la fosfodiesterasa de cGMP (una proteína efectora). ^{[ 8 ]} La subunidad alfa interactúa con las subunidades gamma inhibidoras de la PDE y les impide bloquear los sitios catalíticos en las subunidades alfa y beta de la PDE, lo que conduce a la activación de la fosfodiesterasa de cGMP, que hidroliza el cGMP (el segundo mensajero), descomponiéndolo en 5'-GMP. ^{[ 9 ]} La reducción de cGMP permite que los canales iónicos se cierren, impidiendo la entrada de iones positivos, hiperpolarizando la célula y deteniendo la liberación del neurotransmisor glutamato. ^{[ 3 ]} Aunque las células cono utilizan principalmente la sustancia neurotransmisora ​​acetilcolina , las células bastón utilizan una variedad. Todo el proceso por el cual la luz inicia una respuesta sensorial se llama fototransducción visual.

La activación de una sola unidad de rodopsina , el pigmento fotosensible de los bastones, puede provocar una gran reacción en la célula debido a la amplificación de la señal. Una vez activada, la rodopsina puede activar cientos de moléculas de transducina, cada una de las cuales, a su vez, activa una molécula de fosfodiesterasa, que puede degradar más de mil moléculas de cGMP por segundo. ^{[ 3 ]} Por lo tanto, los bastones pueden tener una gran respuesta a una pequeña cantidad de luz.

Dado que el componente retiniano de la rodopsina se deriva de la vitamina A , una deficiencia de esta vitamina provoca un déficit del pigmento necesario para las células fotorreceptoras (bastones). En consecuencia, un menor número de bastones puede responder adecuadamente en condiciones de poca luz, y como las células fotorreceptoras (conos) están mal adaptadas para la visión nocturna, puede producirse ceguera nocturna .

Los bastones utilizan tres mecanismos inhibitorios (mecanismos de retroalimentación negativa) para permitir un rápido retorno al estado de reposo después de un destello de luz.

En primer lugar, existe una rodopsina quinasa (RK) que fosforila la cola citosólica de la rodopsina activada en múltiples serinas, inhibiendo parcialmente la activación de la transducina . Además, una proteína inhibidora, la arrestina , se une a las rodopsinas fosforiladas para inhibir aún más su actividad.

Mientras que la arrestina desactiva la rodopsina, una proteína RGS (que funciona como una proteína activadora de GTPasa (GAP)) lleva a la transducina (proteína G) a un estado "apagado" al aumentar la tasa de hidrólisis del GTP unido al GDP.

Cuando la concentración de cGMP disminuye, los canales sensibles a cGMP previamente abiertos se cierran, lo que provoca una reducción en la entrada de iones de calcio. La consiguiente disminución en la concentración de iones de calcio estimula las proteínas sensibles a los iones de calcio, que a su vez activan la guanilil ciclasa para reponer el cGMP, restaurándolo rápidamente a su concentración original. Esto abre los canales sensibles a cGMP y causa una despolarización de la membrana plasmática. ^{[ 10 ]}

Cuando los bastones se exponen a una alta concentración de fotones durante un período prolongado, se desensibilizan (se adaptan) al entorno.

Cuando la rodopsina es fosforilada por la rodopsina quinasa (un miembro de las quinasas de GPCR (GRK)), se une con alta afinidad a la arrestina . La arrestina unida puede contribuir al proceso de desensibilización de al menos dos maneras. Primero, impide la interacción entre la proteína G y el receptor activado. Segundo, actúa como una proteína adaptadora para ayudar al receptor a unirse a la maquinaria de endocitosis dependiente de clatrina (para inducir la endocitosis mediada por el receptor). ^{[ 10 ]}

Una célula bastón es lo suficientemente sensible como para responder a un solo fotón de luz ^{[ 11 ]} y es aproximadamente 100 veces más sensible a un solo fotón que los conos. Dado que los bastones requieren menos luz para funcionar que los conos, son la principal fuente de información visual durante la noche ( visión escotópica ). Las células cono, por otro lado, requieren de decenas a cientos de fotones para activarse. Además, múltiples células bastón convergen en una sola interneurona , recolectando y amplificando las señales. Sin embargo, esta convergencia tiene un costo para la agudeza visual (o resolución de la imagen ) porque la información combinada de múltiples células es menos nítida que si el sistema visual recibiera información de cada célula bastón individualmente.

Las células bastón también responden más lentamente a la luz que los conos, y los estímulos que reciben se suman en un lapso de aproximadamente 100 milisegundos. Si bien esto hace que los bastones sean más sensibles a cantidades menores de luz, también significa que su capacidad para detectar cambios temporales, como imágenes que cambian rápidamente, es menos precisa que la de los conos. ^{[ 3 ]}

Los experimentos de George Wald y otros demostraron que los bastones son más sensibles a las longitudes de onda de luz alrededor de 498  nm (verde-azul) e insensibles a las longitudes de onda mayores de aproximadamente 640  nm (rojo). Esto explica el efecto Purkinje : a medida que la intensidad disminuye al anochecer, los bastones toman el relevo y, antes de que el color desaparezca por completo, la sensibilidad máxima de la visión se desplaza hacia la sensibilidad máxima de los bastones (azul-verde). ^{[ 13 ]}