La vitamina A partecipa al meccanismo molecolaredella visioneLa visione ha inizio in un tessuto nervosospecializzato, la retina, presente nella par-te posteriore della cavità del globo oculare.Dallo strato cellulare più profondo della re-tina nascono prolungamenti citoplasmati-ci che danno origine al nervo ottico, lungoil quale corrono gli impulsi generati in con-seguenza degli eventi molecolari che si ve-rificano nelle cellule fotorecettrici presen-ti nello strato più superficiale del tessuto edelaborati dalle cellule presenti negli stratiintermedi. Tali impulsi, convenientementeintegrati nei centri nervosi encefalici di de-stinazione, permettono la ricostruzione del-l’immagine con le sue qualità di colore, pro-fondità, tridimensionalità, ecc., nonché ilsuo riconoscimento.

Le cellule fotorecettrici della retina sonodi due tipi: coni e bastoncelli, così detti perla loro forma. I coni differiscono dai ba-stoncelli per la soglia di eccitabilità (mino-re nei bastoncelli, che sono pertanto piùsensibili) e per la capacità di discriminare icolori grazie alla presenza di tre diversi pig-menti visivi (iodopsine) e di tre diverse op-sine strettamente correlate alla rodopsinadei bastoncelli. Inoltre, i due tipi di cellulehanno diversa abbondanza nella retina, incui sono presenti circa 109 bastoncelli con-tro circa 3 milioni di coni.

Coni e bastoncelli sono costituiti da dueporzioni, il segmento esterno, un sottile fi-lamento contenente una pila di decine didischi membranosi in continuazione conla membrana cellulare, su cui sono presen-ti le molecole fotorecettrici e quelle che par-tecipano ai primi eventi molecolari della vi-sione, e il segmento interno, in cui si trova-no il nucleo e i vari organelli cellulari (vedifigura a fianco). La rodopsina è la princi-pale molecola fotorecettrice presente in mi-gliaia di unità sulla membrana di ogni sin-golo disco, che ne è attraversata da una par-te all’altra, sporgendo sia sul lato citosoli-co sia su quello intradiscale. La rodopsinaè una proteina coniugata costituita da unaparte proteica, l’opsina, legata a una mole-cola organica derivata dalla vitamina A, l’11-

cis-retinale, che viene così a giacere nelmezzo del doppio strato fosfolipidico dellamembrana discale (figura 1 a pagina se-guente). La partecipazione di questo deri-vato della vitamina A al processo della vi-sione ad opera dei bastoncelli spiega unodei sintomi della carenza di questa vitami-na, l’emeralopia. Questa condizione consi-ste nella ridotta capacità di visione nottur-na e di adattamento all’oscurità provenen-do da ambienti illuminati, due funzioni rea-

SCHEDA 11.3

1 Stefani-Taddei Percorsi di biochimica © Zanichelli 2011

Segmentointerno

Terminalesinaptico

Nucleo

Segmentoesterno

Dischi

Membranaplasmatica

Spaziocitoplasmatico

Spaziointradiscale

Ciglio

Mitocondrio

Apparatodi Golgi

Reticoloendopla-smatico

Disegno schematico della struttura di unbastoncello

Stefani-Taddei Percorsi di biochimica © Zanichelli 2011 2

lizzate esclusivamente dai bastoncelli, datala loro bassa soglia di eccitabilità.

L’interazione di un fotone con la rodopsina

C

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3CH3

12

CH3

CH3

CH3

CH3

12

C

1111

OH OH

11-cis-Retinale 11-trans-Retinale

ne attiva la parte proteica innescando unacascata di reazioni che porta alla genesi del-l’impulso nervoso. In particolare, quandoassorbe un fotone l’11-cis retinale legato al-l’opsina, va incontro a una modificazionefotochimica trasformandosi nell’isomerotutto-trans; ciò causa una modificazioneconformazionale della rodopsina, che di-viene capace di interagire con un’altra pro-teina presente sulla membrana dei dischi:la trasducina. La trasducina, presente sullato citosolico della membrana discale, è uncomponente essenziale del complesso mo-lecolare che porta alla genesi dell’impulsonervoso; essa è un complesso di tre sub-unità (�, � e �) di cui la subunità � è unaproteina legante il GTP o il GDP, a secondadelle condizioni, e come tale fa parte dellafamiglia delle proteine trimeriche leganti il

a

b g

Citosol

Trasducina

Compartimento del disco Rodopsina

Figura 1 Il complesso della rodopsina all’interno della membrana di un disco membranoso di unbastoncello.

GTP, cui appartengono anche le proteineassociate all’adenilato ciclasi.

L’attivazione della rodopsina porta dun-que all’interazione di questa con la trasdu-cina, che per effetto di ciò modifica l’affi-nità per la coppia GDP/GTP, con la conse-guente sostituzione del GDP legato alla sub-unità � con il GTP. Il complesso �-GTP cosìprodotto si stacca dalle subunità �� e legala subunità inibitrice di un’altra proteina dimembrana, una fosfodiesterasi che cataliz-za una reazione analoga a quella che inat-tiva l’AMP ciclico (figura 2). Pertanto l’in-terazione di un fotone con la rodopsina hacome effetto l’attivazione di una fosfodie-sterasi di membrana (normalmente inatti-va al buio). In che modo l’azione di questafosfodiesterasi determina la genesi di unacorrente ionica lungo il bastoncello che sitrasforma successivamente in impulso ner-voso?

La membrana esterna del bastoncello incondizioni di riposo è parzialmente per-meabile agli ioni Na�, i cui canali restanoparzialmente aperti; pertanto sulla super-ficie interna della membrana, in condizio-

ni di riposo, esiste un potenziale di 30–40mV, negativo rispetto a quella esterna (po-tenziale di riposo), un valore inferiore aquello presente su una tipica cellula neu-ronale (–70 mV). Tale potenziale diminui-sce, passando a –80 mV (iperpolarizzazio-ne) per effetto di una diminuzione della per-meabilità della membrana esterna agli ionisodio prodotta dall’assorbimento di fotoniche attiva un impulso nervoso. Quale è dun-que la sostanza responsabile di questa di-minuzione di permeabilità e quale il me-diatore chimico che porta il segnale del-l’eccitazione luminosa?

È stato dimostrato che i due agenti sonola medesima molecola, il GMP ciclico(cGMP), un analogo dell’AMP ciclico, il se-condo messaggero di numerosi ormoni, incui al posto della base azotata adenina èpresente la guanina. Mantenendo aperti icanali del sodio dei bastoncelli, il cGMP èresponsabile del potenziale di riposo dellacellula. Come abbiamo visto, l’assorbimentodi un fotone porta indirettamente all’atti-vazione della fosfodiesterasi, che catalizzal’idrolisi del cGMP a GMP, un nucleotide

3 Stefani-Taddei Percorsi di biochimica © Zanichelli 2011

a bg

ab

g

Ta-GTP

GDP

GTP

Tbg Tbg

PDEi

PDEiPDEi

R*-T-GDPT-GDPR

R* R*

Luce

GMPcGMP

PDE*ab

Ta-GTP-PDEi

Idrolisi di GTPInattivazione di R*Rigenerazione di R

Figura 2 Rappresentazione schematica degli eventi molecolari alla base del processo della visione.

Stefani-Taddei Percorsi di biochimica © Zanichelli 2011 4

inattivo sui canali del sodio; così questi ten-dono a chiudersi, la permeabilità dellamembrana a questo ione si riduce e si in-staura una condizione di iperpolarizzazio-ne (figura 3).

Ovviamente l’organismo deve poter uti-lizzare i processi visivi ripetutamente, quin-di il meccanismo descritto deve poter esse-re interrotto molto rapidamente in qualsia-si momento e il sistema riportato rapida-mente alle condizioni iniziali in assenza distimoli visivi. La trasducina ha un ruolo fon-damentale anche nella disattivazione del si-stema. Infatti, come nel caso delle altre pro-teine G, la sua subunità � possiede una in-trinseca attività GTPasica; ne risulta che ilcomplesso �-GTP idrolizza spontaneamenteil GTP a GDP e il complesso �-GDP che nerisulta non è più capace di legare la subunità� della fosfodiesterasi. Così tale subunitàpuò legarsi di nuovo alla fosfodiesterasi,inattivandola e bloccando l’idrolisi delcGMP, i cui livelli intracellulari si riportanorapidamente ai valori che determinano l’a-pertura dei canali del sodio grazie all’azio-ne della guanilato ciclasi sul GTP. L’azionedi questo enzima è inibito dalle elevate con-

centrazioni intracellulari di ioni Ca2� pre-senti in assenza di stimoli luminosi per laparziale apertura dei canali del sodio e chediminuiscono considerevolmente durantel’illuminazione, quando il numero di tali ca-nali aperti diminuisce. Si instaura pertantoun nuovo potenziale di riposo di membra-na mentre la subunità � può ricombinarsicon le altre subunità della trasducina. Il pro-cesso di ripristino delle condizioni inizialiprevede anche la disattivazione della ro-dopsina ad opera dell’arrestina; questa pro-teina destabilizza il complesso rodopsi-na–trasducina combinandosi con la formafosforilata della rodopsina attivata dalla luceprodotta dall’azione di una rodopsina ci-nasi. Il ripristino della rodopsina attraver-so un’altra serie di reazioni che comporta-no anche il distacco del retinale tutto-transe la sua rigenerazione nella forma 11-cis ri-porta il sistema nelle condizioni idonee perdare inizio a un nuovo ciclo visivo.

Quelli descritti sono gli eventi moleco-lari fondamentali attivi nei bastoncelli, tut-tavia una via di trasduzione sensoriale so-stanzialmente identica si ritrova anche nelfunzionamento dei tre tipi di coni.

Na1K1

ATPasi

Canale ionicoaperto

Na1

Na1

Ca21

Vm5245 mV

cGMP Figura 3 L’iperpolarizzazione indotta dallaluce dei bastoncelli richiede l’interventodel cGMP che controlla lo stato di aperturadei canali ionici per il Na+.