چگونه یک فوتون منفرد کانال سدیم را در سلول استوانه‌ای چشم انسان می‌بندد

برای اینکه یک حسگر بیولوژیکی بتواند یک کوانتوم منفرد از نور را تشخیص دهد، سیستم نمی‌تواند در حالت غیرفعال منتظر بماند تا روشن شود. محدودیت الزام‌آور بینایی انسان این است که گیرنده نوری باید در تاریکی مطلق به‌طور مداوم انرژی متابولیک مصرف کند تا جریان پیوسته یون‌های سدیم به داخل سلول حفظ شود. وقتی بالاخره یک فوتون از راه می‌رسد، سلول را فعال نمی‌کند؛ بلکه این جریان تاریکی مداوم را قطع می‌کند. این مکانیسم که در نگاه اول خلاف انتظار به نظر می‌رسد، تضمین می‌کند که خط پایه به‌شدت کنترل شود و به شبکیه اجازه می‌دهد تا کوچک‌ترین رویداد فیزیکی ممکن در جهان را ثبت کند.[8]

در غیاب نور، سلول استوانه‌ای پتانسیل غشای استراحت خود را در حدود ۴۰- میلی‌ولت حفظ می‌کند. این وضعیت توسط گوانوزین مونوفسفات حلقوی (cGMP) پشتیبانی می‌شود؛ مولکولی که به کانال‌های دریچه‌دار نوکلئوتید حلقوی (CNG) روی غشای سلول متصل شده و آن‌ها را باز نگه می‌دارد. یون‌های سدیم و کلسیم به داخل قطعه خارجی سلول استوانه‌ای سرازیر می‌شوند، در حالی که پتاسیم از قطعه داخلی به بیرون پمپ می‌شود. حفظ این حلقه پیوسته به مقادیر عظیمی از ATP نیاز دارد، که شبکیه را به یکی از پرمصرف‌ترین بافت‌های بدن انسان از نظر انرژی و مستعدترین آن‌ها در برابر استرس اکسیداتیو تبدیل می‌کند.[1][6]

این آبشار زمانی آغاز می‌شود که یک فوتون منفرد از چشم عبور کرده و به مولکول رودوپسین که در غشای دیسک‌های قطعه خارجی سلول استوانه‌ای قرار دارد، برخورد می‌کند. رودوپسین از یک پروتئین به نام اپسین تشکیل شده که به یک کروموفور جاذب نور به نام ۱۱-سیس-رتینال متصل است. انرژی فوتون، ۱۱-سیس-رتینال را مجبور می‌کند تا فوراً به پیکربندی تمام-ترانس ایزومریزه شود. این تغییر ساختاری که در حدود ۲۰۰ فمتوثانیه رخ می‌دهد، کل پروتئین رودوپسین را وادار می‌کند تا شکل خود را به فرم فعالش، یعنی متارودوپسین دو، تغییر دهد.[4][5]

پس از فعال شدن، یک مولکول منفرد متارودوپسین دو به‌عنوان یک کاتالیزور عمل می‌کند. این مولکول با پروتئین‌های G غیرفعال به نام ترانسدوسین که به غشا متصل هستند، برخورد می‌کند. در اثر این تماس، ترانسدوسین یک مولکول GDP متصل را با یک مولکول پرانرژی GTP مبادله کرده و به زیرواحد آلفای فعال خود تجزیه می‌شود. از آنجا که رودوپسین فعال برای کسری از ثانیه پایدار می‌ماند، می‌تواند به‌طور متوالی تا ۸۰۰ مولکول ترانسدوسین مجزا را فعال کند. این اولین گام تقویت عظیم در آبشار تبدیل نور است.[1][2]

سپس هر زیرواحد آلفای ترانسدوسین فعال در امتداد غشا پخش می‌شود تا با آنزیمی به نام فسفودی‌استراز (PDE) برخورد کند. ترانسدوسین به زیرواحدهای بازدارنده PDE متصل شده، آن‌ها را کنار می‌کشد و هسته کاتالیزوری آنزیم را در معرض دید قرار می‌دهد. بر اساس یک مدل محاسباتی جامع که در سال ۲۰۱۴ توسط انجمن سلطنتی شیمی منتشر شد، این فعال‌سازی دقیقاً یک‌به‌یک است: یک ترانسدوسین یک PDE را فعال می‌کند. با این حال، PDE که اکنون از حالت مهار خارج شده، یک آنزیم بسیار کارآمد است.[3]

یک آنزیم فعال PDE می‌تواند تا ۴۰۰۰ مولکول cGMP را در هر ثانیه هیدرولیز کرده و به GMP غیرفعال تبدیل کند. اگر این عدد را در ۸۰۰ آنزیم PDE که توسط فوتون اولیه فعال شده‌اند ضرب کنیم، غلظت موضعی cGMP به‌شدت افت کرده و صدها هزار مولکول cGMP تقریباً در یک لحظه از بین می‌روند. با کاهش غلظت cGMP، این مولکول‌ها از کانال‌های سدیم CNG که پیش‌تر آن‌ها را باز نگه داشته بودند، جدا می‌شوند.[1][3]

کانال‌های سدیم که اکنون از لیگاندهای cGMP خود محروم شده‌اند، به‌سرعت بسته می‌شوند. جریان ورود یون‌های مثبت بلافاصله متوقف می‌شود، اما پمپ‌های پتاسیم در قطعه داخلی همچنان به خروج یون‌های مثبت ادامه می‌دهند. این امر باعث می‌شود ولتاژ داخلی سلول به‌شدت از ۴۰- میلی‌ولت به حدود ۷۰- میلی‌ولت افت کند. در این حالت سلول هایپرپلاریزه می‌شود. همان‌طور که در این حوزه از زیست‌شناسی مولکولی رایج است، ادبیات علمی داوری‌شده به‌جای مصاحبه‌های شفاهی، بر مدل‌سازی ریاضی و سنجش‌های بیوشیمیایی تکیه دارد، اما اجماع در مورد این افت ولتاژ خاص در سراسر این رشته علمی قطعی است.[2][4]

این هایپرپلاریزاسیون، همان سیگنال فیزیکی بینایی است. در تاریکی، سلول استوانه‌ای دپلاریزه‌شده به‌طور مداوم انتقال‌دهنده عصبی گلوتامات را در پایانه سیناپسی خود آزاد می‌کند. هنگامی که سلول هایپرپلاریزه می‌شود، کانال‌های کلسیم وابسته به ولتاژ در سیناپس بسته شده و ترشح گلوتامات به‌طور ناگهانی متوقف می‌شود. سلول‌های دوقطبی در پایین‌دست، این فقدان ناگهانی گلوتامات را تشخیص می‌دهند. بسته به نوع گیرنده‌شان، آن‌ها در پاسخ دپلاریزه یا هایپرپلاریزه می‌شوند و سیگنالی را شکل می‌دهند که از طریق عصب بینایی به قشر بینایی مغز سفر خواهد کرد.[1][5]

برای اینکه چشم بتواند فوتون بعدی را تشخیص دهد، کل این آبشار باید به‌سرعت برچیده شود. آنزیمی به نام رودوپسین کیناز، رودوپسین فعال را فسفریله می‌کند و به پروتئینی به نام آرستین اجازه می‌دهد تا به آن متصل شده و غیرفعالش کند. در همین حال، فعالیت ذاتی GTPase در ترانسدوسین، GTP آن را به GDP هیدرولیز کرده و ضمن غیرفعال کردن خود، PDE را آزاد می‌کند. در نهایت، گوانیلات سیکلاز cGMP جدیدی سنتز می‌کند تا کانال‌های سدیم را دوباره باز کرده و جریان تاریکی را در عرض چند میلی‌ثانیه بازیابی کند.[2]

دقت این سیستم یک شگفتی تکاملی است. تحلیلی در سال ۲۰۱۶ در نشریه زیست‌شناسی و تکامل ژنوم، ریشه‌های آبشار تبدیل نور در مهره‌داران را ردیابی کرده و نشان می‌دهد که چگونه تکثیر و واگرایی ژن‌های باستانی گیرنده‌های جفت‌شونده با پروتئین G، این حساسیت فوق‌العاده را امکان‌پذیر کرده است. توانایی تشخیص یک فوتون منفرد در عین فیلتر کردن نویز حرارتی که از شلیک اشتباه و خودبه‌خودی رودوپسین جلوگیری می‌کند، محدودیت‌های فیزیکی ادراک بصری را در یک محیط تاریک تعریف می‌کند.[7]