NOTAS SOBRE OS MECANISMOS DA VISÃO DE SERES VIVOS

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1 NOTAS SOBRE OS MECANISMOS DA VISÃO DE SERES VIVOS H.M. de Oliveira, DES-UFPE Um seminário sobre o processo de visão, para Engenheiros Biomédicos. Abordagem preliminar de fatos anatômicos, fisiológicos, e bioquímicos.

2 Figura. Espectro de ondas eletromagnéticas, com destaque a faixa visível.

3 Olho: Anatomia e Funcionamento A anatomia humana foi por cerca de anos baseada nos trabalhos pioneiros de Galeno de Pergamum ( AD). Devido à proibição das dissecações e autopsias, a compreensão só avançou após a Renascença, particularmente com Andreas Vesalius ( ).

4 Figura. Detalhes da estrutura anatômica de um olho.

5 ESTRUTURA DO OLHO HUMANO As principais estruturas são: íris, lente, pupila, córnea, retina, humor vítreo, disco óptico e nervo. O globo ocular é revestido (córnea à parte) de uma parede com três camadas concêntricas: esclerótica, caróide, retina.

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7 1. Esclerótica: confere estabilidade mecânica, 2. Caróide: irrigação sangüínea e a 3. Retina: células sensoriais. Dentro do globo há um líquido transparente: o humor aquoso. A pupila é um orifício circular de diâmetro ajustável, através da ação dos músculos, para regular a quantidade de luz que penetra no olho. Estes músculos (íris) exercem esforços radiais sobre a pupila. O cristalino é uma lente gelatinosa deformável pela ação dos músculos ciliares.

8 Já no século XVII, descobriu-se que a retina e não a córnea era responsável pela detecção da luz. Johannes Kepler e René Descartes efetuaram os principais avanços da época. Kepler propôs que a imagem era focalizada na retina. Poucas décadas após, Descartes mostrou que Kepler estava correto. Para a demonstração, ele removeu cirurgicamente o olho de um boi. Ele postulou também que a imagem era invertida, além de concluir que o astigmatismo é conseqüência de curvatura imprópria da córnea.

9 Células bastonetes e células cones na retina Muito embora o microscópio tenha suas primeiras aplicações científicas no final do Século XVI e inicio do Século XVII, estas técnicas só se tornaram sofisticadas no Século XIX e foram de auxílio no entendimento da estrutura do olho. Na década de 1830, vários pesquisadores alemães usaram microscópio para examinar a retina. Dois tipos de células foram descobertos na retina os bastonetes e os cones assim chamados devido ao seu formato quando vistos no microscópio.

10 Uma visão microscópica de bastonetes de um peixe é exibida a seguir para indicar como tais células são nos animais. Ambas são fotossensíveis. Figura. Bastonetes vistos em microfotografia (peixe zebra).

11 Max Schultze ( ) descobriu que os cones são os receptores de cores nos olhos e os bastonetes não são sensíveis à cor, mas muito sensíveis a baixos níveis de luminosidade (vide figura). No olho humano há abundantemente mais bastonetes do que cones. Grosso modo, 10 9 bastonetes/retina e 10 6 cones/retina.

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13 Figura. Sensibilidade dos bastonetes (rod) e dos cones (cone) à incidência de fótons de luz.

14 Pigmentos Visuais Durante o século XIX, os pigmentos visuais foram descobertos na retina. Dissecando os olhos de rãs, verificou-se que a cor modificava-se com a incidência de luz (a retina é fotossensível). Os discos de membrana situados nos bastonetes contêm rodopsina (Mr ), uma proteína sensível à luz. Nos cones, há tipos diferentes de rodopsina, o que possibilita a visão colorida.

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16 A sensibilidade é devida a um pigmento chamado rodopsina. Estudos posteriores mostraram que esta é uma proteína e a opsina foi também descoberta. Pigmentos também são encontrados nos cones e há três tipos de células cone, de acordo com o pigmento que elas contêm. Uma teoria original para a visão colorida foi proposta por Thomas Young ( ) circa 1790, antes mesmo da descoberta das células cone na retina. Young foi pioneiro em propor que o olho humano vê somente as três cores primárias, R, B e Y e que todas as cores são combinações destas. Ora, apesar de simplista como teoria, o trabalho de Young estabeleceu as bases da teoria da visão colorida.

17 Há menos células cones que células bastonetes na retina. Nos cones, há tipos diferentes de rodopsina, o que possibilita a visão colorida. O fotorreceptor nos bastonetes é a rodospsina, constituída de uma apoproteína transmembranar (opsina) ligada covalentemente ao pigmento absorvedor de luz (11-cis-retinal). Estrutura 3D da rodopsina.

18 A percepção de cores em mamíferos se faz através de receptores (células cones) contendo pigmentos em diferentes sensibilidades espectrais. No homem, há usualmente três tipos de cones, conferindo uma visão tricromática. Nos mamíferos, há cones com sensibilidade (máxima) nos comprimentos de onda 424 nm, 530 nm e 560 nm. No olho humano, os cones são maximamente receptivos a três faixas de comprimento de onda curto, médio e longo, chamados de cones S, M, L. (tabela).

19 Nas aves e peixes, há cones sensíveis nos comprimentos de onda 370 nm (UV), 445 nm, 508 nm e 565 nm. Outros primatas e mamíferos são apenas dicromáticos e muitos outros sequer possuem visão de cor. Já nos pássaros e outros seres do reino animal, há evidências definitivas que a luz ultravioleta desempenha papel fundamental na percepção de imagens coloridas. Eles possuem visão tetracromática, com quatro tipos distintos de cones. As aves, lagartos, tartarugas entre outros, possuem capacidade de visão superior aos mamíferos.

20 Tabela. Cones presentes no olho humano Cone Nome do pigmento Faixa de resposta Pico de sensibilidade S β (Azul) nm 420 nm M γ (Azul esverdeado) nm 534 nm L ρ (Verde amarelado) nm 564 nm

21 Figura. Resposta dos cones S, M e L no olho humano em função do comprimento de onda da luz incidente (absorção espectral de rodopsina purificada). A curva central pontilhada corresponde à resposta global.

22 Figura. Os quatro tipos de pigmentos presentes nas retinas de aves e répteis. O pigmento em 370 nm proporciona uma visão em ultravioleta.

23 Figura. Simulação de detalhes percebidos pela sensibilidade da visão em UV. Detalhes provavelmente percebidos pelas aves, embora não notados pelo homem.

24 Micrografia de cones e bastonetes em humanos.

25 O gene azul da opsina está localizado no cromossomo 7, enquanto que os genes vermelho e verde estão localizados no cromossomo X. A cegueira para cores, tais como a inabilidade de distinguir vermelho e verde, é comumente hereditária. John Dalton ( )

26 Há vários tipos de cegueira à cor, dependendo da mutação ocorrida na opsina. Algumas vezes, não há resposta em uma dada faixa espectral, conduzindo a uma visão dicromática (dicromáticos vermelho - e dicromáticos verde - ). Em alguns casos, existem os fotoreceptores para R e G, mas a mudança na proteína conduz a uma mudança na faixa espectral absorvida, resultando em visão anormal (tricromáticos vermelho anômalo, tricromáticos verde anômalo).

27 Os mecanismos de percepção de cor dependem de fatores evolucionários, que provavelmente tem ligação com os imperativos na busca e reconhecimento de fontes de alimentos. Nos primatas herbívoros, a percepção de cor é essencial para encontrar alimentos adequados (por exemplo, maduros). Por outro lado, mamíferos de hábitos noturnos têm sistemas com sensibilidade reduzida à cor, uma vez que não há luz suficiente para o funcionamento adequado de cones.

28 Figura. Visão monocromática visão tricromática. Efeitos evolucionários.

29 Os pigmentos presentes nos cones L e M são codificados no cromossomo X do genoma; e sua deficiência conduz as formas mais comuns de cegueira a cores. As freqüências da luz que estimula cada dentre estes tipos de receptores com uma intensidade variável. A luz amarela, por exemplo, estimula ambos os cones L e M com extensão moderada, mas apenas fracamente os cones do tipo S. A luz vermelha, por outro lado, estimula quase que exclusivamente os cones do tipo L, e A luz azul quase que exclusivamente os cones S.

30 O sistema visual combina a informação dos receptores e dá origem a diferentes percepções para diferentes comprimentos de onda da luz. Quando um pigmento dos cones absorve fótons de luz, a energia recebida o faz mudar de conformação, o que desencadeia eventos moleculares que conduzem à excitação da célula cônica. Esta célula ativa, por sua vez, neurônios na retina, transmitindo informação sobre a luz recebida através do nervo óptico até o cérebro. Quanto mais intensa a fonte luminosa, mais fótons absorvidos e maior a excitação dos cones.

31 PERCURSO DA INFORMAÇÃO VISUAL Bastonetes e cones formam sinapses com vários neurônios interconectores que transportam e integram os sinais elétricos. As sinapses dos fotorreceptores ocorrem em camadas superpostas de interneurônios que são inervados por diferentes combinações de células fotorreceptoras.

32 Os sinais passam aos neurônios ganglionares para o nervo óptico e seguem daí até o cérebro. As células ganglionares transmitem características visuais distintas em via paralelas múltiplas; esse processo permite a interpretação de diferentes características do estimulo visual (forma, cor, profundidade, movimento etc.). Todos esses sinais são processados e interpretados por uma porção do cérebro denominada córtex visual.

33 Figura. Detalhes da estrutura de bastonetes. Ligação neuronal para transmissão da informação.

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38 FIGURA. Localização dos sítios de processamento da informação óptica no cérebro.

39 FATOS BIOQUÍMICOS TRANSDUTORES SENSORIAIS (ÓPTICOS) O fotorreceptor nos bastonetes é a rodospsina, constituída de uma apoproteína transmembranar (opsina) ligada covalentemente ao pigmento absorvedor de luz (11- cis-retinal). Passo no mecanismo da visão. P1. cis-retinol é convertido em todo trans-retinol P2. rodopsina torna-se ativada P3. A concentração de cgmp decresce (guanosina-monofosfato cíclico) P4. Bloqueio de entrada de Na+ (fechamento do canal) P5. bastonete hiperpolarizado P6. Liberação de glutamato (ou aspartato) P7. Um potencial de ação despolariza a célula adjacente P8. Isto despolariza o neurônio ganglionar associado o qual envia o sinal ao córtex.

40 A incidência de luz dispara mudanças de conformação no receptor rodopsina. Mudanças conformacionais devidas à absorção de fótons na rodopsina. E1 o pigmento 11-cis-retinóico absorve luz visível E2 isomerização da porção 11-cis-retinóica para todo-trans-retinal. E3 opsina ativada é instável e dissocia-se espontaneamente, liberando opsina e todo-trans-retinol. E4 no escuro, o todo-trans-retinol é convertido em 11-cis-retinol.

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43 Rodopsina na membrana celular.

44 Bastonetes e cones tem um potencial transmembranar elétrico produzido pelo bombeamento de Na +, K + ATPase (segmento interno) e um canal iônico permite a passagem de Na + ou Ca 2+, controlado por cgmp. cenário Potencial da Canais neurotransmissores membrana iônicos No escuro - 30 mv abertos Secretando continuamente No claro -35 mv fechados Decréscimo da liberação

45 Na conformação excitada, a rodopsina interage com a transducina que paira próxima aos discos. A transducina (T) pertence à família de proteínas ligantes ao GTP (guanosina-trifosfato) como a G s e G 1. No escuro, a GDP (guanosina di-fosfato) é liberada e as subunidades T α, T β e T γ permanecem juntas. Quando a rodopsina é excitada pela luz dissociando T α e T β,γ. A T α ligada à GTP conduz o sinal ao cgmp fosfodiesterase (PDE), uma enzima que converte o cgmp em 5 -GMP.

46 3,5 -cgmp + H 2 O 5 -GMP A PDE é uma proteína integral com sítio ativo no lado citosólico do disco membranar. Quando a T α -GTP liberada e a atividade da enzima cresce em ordens de magnitude. Cada PDE ativa consegue degradar muitas moléculas de cgmp em 5 -GMP inativo, baixando então a concentração de cgmp no segmento externo.

47 Com a baixa da concentração, o canal iônico controlado por cgmp fecha e a entrada de Na + e Ca 2+ é bloqueada, hiperpolarizando a membrana do bastonete ou cone. Por este processo, o estímulo inicial (fóton) modifica o potencial membranar da célula.

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52 AMPLIFICAÇÃO Cada molécula de rodopsina ativa pelo menos 500 moléculas de transducina, cada uma das quais pode ativar uma molécula de PDE. O PDE tem uma enorme quantidade de voltas e pode hidrolisar cerca de moléculas de cgmp por segundo. A ligação do cgmp ao canal iônico é cooperativa ( 3 moléculas de cgmp devem estar ligadas para abrir o canal). Assim, a absorção de um único fóton leva ao fechamento de milhares de canais iônicos e modifica o potencial da membrana em aproximadamente 1 mv.

53 Quanto maior a incidência de fótons, mais canais iônicos se fecham e menos Na + cruza a membrana. Isto implica em menor liberação de neurotransmissores. Células em humanos podem detectar flash de cinco fótons, bloqueando o influxo de íons de Na + /fóton devido ao fechamento de centenas de canais.

54 TERMINAÇÃO Imediatamente após cessar a iluminação dos fotorreceptores, o sistema fotossensível desliga-se. A subunidade T α da transducina tem atividade GTPase intrínseca. Em milissegundos, o GTP é hidrolisado e a T α ressocia-se com T β,γ. A subunidade inibitória I da PDE que tinha se ligado ao T α -GTP reassocia-se ao PDE. A concentração de cgmp retrona ao nível do escuro e a enzima gualilil ciclase converte a GTP em cgmp numa reação que é inibida por uma alta concentração de Ca 2+.

55 O domínio carboxil-fosforilado terminal da rodopsina é ligado pela arrestina (evitando interações entre a rodopsina ativada e a transducina). Após um longo período (segundos ou minutos), o todo-trans-retinol da molécula de rodospsina excitada é removido e substituído pelo 11-cis-retinol, produzindo assim rodopsina pronta para a próxima rodada de excitação óptica.

56 CONCLUSÃO Procurou-se apresentar uma visão panorâmica de aspectos ligados à visão de seres vivos, no intuito de melhor conhecer a abordagem adotada pela natureza. A idéia é que tais mecanismos possam auxiliar nos modelos de visão biônica, artificial e/ou computacional.

57 Aumento da resolução da imagem original