Por qué vemos millones de colores: científicos descubren el mecanismo oculto de la retina
MADRID, 29 Jun. Agencias –
En un nuevo estudio investigadoras del Centro de Ciencias de la Vida del Instituto Paul Scherrer (Suiza) han logrado determinar por primera vez la estructura tridimensional de las opsinas de los conos humanos en su estado oscuro y demostrar cómo su arquitectura molecular permite su rápida activación por la luz.
Este hallazgo, publicado en la revista ‘Science‘ aporta nuevos e importantes conocimientos sobre la visión humana y su evolución, y podría ofrecer nuevos puntos de partida para el estudio de enfermedades oculares que actualmente carecen de un tratamiento eficaz.
Las opsinas de los conos nos permiten ver el mundo en miles de colores: fresas rojas, hojas verdes, el cielo azul. También nos permiten ver con claridad todos los objetos que nos rodean. Y nos permiten percibir movimientos rápidos, como el ímpetu de un tren o el vuelo de una libélula. Se trata de diminutas proteínas receptoras sensibles a la luz en nuestra retina.
Sin embargo, a menudo, estas proteínas esenciales para la visión diurna también están implicadas en enfermedades de la retina. El deterioro de la función de los receptores de conos, causado por mutaciones genéticas u otros procesos degenerativos, puede provocar trastornos como el daltonismo y la degeneración macular asociada a la edad (DMAE), una enfermedad que afecta a la retina central y causa una pérdida progresiva de la visión.
Esta área de la retina humana es responsable de la visión nítida. Los seres humanos tienen entre seis y siete millones de conos en cada ojo. Sus proteínas receptoras se activan con la luz, desencadenando una cascada de señalización que, en última instancia, produce señales eléctricas procesadas por el cerebro. Debido a la excepcional rapidez de este proceso, las opsinas de los conos nos permiten seguir objetos en movimiento rápido con la vista.
Sin embargo, funcionan principalmente durante el día, cuando los niveles de luz son altos. En condiciones de poca luz, al anochecer y por la noche, su pariente evolutivamente más reciente, la opsina de los bastones, presente en las células bastón, asume esta función.
TRES TIPOS DE OPSINAS DE CONOS
La visión cromática humana está mediada por tres tipos de opsinas de conos, cada una sintonizada a una región diferente del espectro visible. Los conos L son más sensibles a la luz roja, los conos M a la luz verde y los conos S a la luz azul. Aunque solo existen tres tipos de conos, vemos el mundo en más de tres colores, ya que nuestra percepción cromática surge de la interacción de sus sensibilidades espectrales superpuestas.
La arquitectura tridimensional de las opsinas de los conos antes de su activación por la luz, así como las razones de su excepcional rapidez de respuesta, han sido difíciles de dilucidar. Estos receptores son altamente dinámicos y pueden activarse espontáneamente incluso en la oscuridad, lo que dificulta enormemente aislarlos en un estado único y bien definido.
Para evitar la activación accidental, los investigadores trabajaron exclusivamente bajo una luz roja muy tenue en el laboratorio, con longitudes de onda muy superiores a la sensibilidad de las opsinas de los conos. «Para determinar la estructura tridimensional de estos receptores en su estado oscuro y comprender su rápida activación, tuvimos que superar importantes obstáculos técnicos. Tuvimos que combinar varios enfoques avanzados, como la criomicroscopía electrónica, la espectroscopia láser ultrarrápida, ensayos bioquímicos y celulares, así como herramientas computacionales que nos permitieron diseñar y optimizar estos receptores para un estudio detallado», explican Polina Isaikina y Sarah L. Schmidt, investigadoras del Instituto Paul Scherrer y autoras del estudio.
El esfuerzo dio sus frutos: el equipo de investigación presenta ahora estructuras hasta ahora desconocidas de las opsinas de los conos humanos, en particular las variantes sensibles al azul y al verde, en sus estados inactivos en condiciones de oscuridad. Si bien la opsina del cono rojo no se estudió directamente, su estrecha similitud genética con la opsina del cono verde sugiere que probablemente se apliquen principios moleculares similares.
Para comprender por qué las opsinas de los conos son capaces de convertir pulsos de luz en señales eléctricas en un instante, conviene analizar su organización estructural. «En el núcleo de cada opsina de cono se encuentra el llamado retinal, una molécula fotosensible derivada de la vitamina A», explica Sarah L. Schmidt, candidata a doctora y primera autora del estudio.
Cuando la luz incide en el ojo, transfiere energía a la retina, provocando un cambio en su forma. Esto, a su vez, activa el fotorreceptor y genera una señal eléctrica que se envía al cerebro, donde se procesa la información visual. «Nuestros nuevos datos estructurales y funcionales indican que las opsinas de los conos están optimizadas para la transmisión rápida de señales», detalla Schmidt. Su estructura molecular incluye una red de ‘microinterruptores’ internos que les permiten conectarse con su proteína G transductora, su socio de señalización intracelular. Dado que esta interacción se produce incluso en estado de reposo, la transmisión de la señal puede ser extremadamente rápida una vez que se absorbe la luz. Esta preparación molecular ayuda a explicar cómo las opsinas de los conos satisfacen las necesidades de la visión diurna.
Otro factor que contribuye a la velocidad de las opsinas de los conos reside en la arquitectura del sitio de unión del retinal. En la opsina del cono verde, por ejemplo, este bolsillo de unión al retinal es relativamente abierto en la entrada y la salida. Esto permite que el retinal se desplace rápidamente tras un pulso de luz, preparándose así para el siguiente pulso. Esta rápida renovación facilita la actualización veloz de la información visual en el cerebro.
Las investigadoras del PSI descubrieron algo más: el sitio de unión del retinal en la opsina sensible al azul está más restringido, con «puertas cerradas» que limitan eficazmente el movimiento del retinal. Como resultado, se requiere un estímulo luminoso de mayor energía para inducir un cambio de forma en el ligando retinal. La luz azul, por naturaleza, transporta más energía que la luz verde o roja y, por lo tanto, es idónea para desencadenar esta transición. En contraste, el retinal en la opsina sensible al verde puede moverse con mucha más libertad, lo que permite que el receptor responda a la luz verde de menor energía e incluso se active espontáneamente en ausencia de luz.
Los resultados de este estudio podrían proporcionar un nuevo marco molecular para comprender las enfermedades oculares asociadas con la pérdida o disfunción de los fotorreceptores en las células cono. En todo el mundo, cientos de millones de personas viven con diferentes tipos de deficiencias visuales. Las deficiencias en la visión del color, por ejemplo, afectan a alrededor del 5 % de la población mundial, predominantemente hombres. La degeneración macular asociada a la edad (DMAE), más grave, puede provocar pérdida de la visión central y, en casos avanzados, ceguera. «Nuestros nuevos hallazgos proporcionan información molecular y estructural detallada sobre cómo las opsinas de los conos cumplen sus funciones», concluye Polina Isaikina. «Una comprensión estructural detallada de estos mecanismos nos ayuda a identificar dónde se producen los fallos en estas enfermedades y dónde podrían ser posibles terapias dirigidas».
A largo plazo, los investigadores esperan que sus resultados impulsen el desarrollo de fármacos que actúen directamente sobre las opsinas de los conos, con el objetivo de estabilizar su función y ralentizar la pérdida de visión. Los nuevos hallazgos del estudio también abren posibilidades para el desarrollo de tratamientos optogenéticos más precisos, en los que se modifican genéticamente proteínas fotosensibles para restaurar o modular la señalización celular.
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