Fotoreceptorska ćelija

|location=Mrežnjača, Oko
|System=Čula/Čulo vida
}}
**Fotoreceptorske ćelije** su specijalizirani tip nervnopitelnih ćelija, koje se nalaze u mrežnjači,  sposoban za vizuelnu fototransdukciju. Velika biološka važnost fotoreceptora je u tome što oni pretvaraju svjetlost (vidljivo elektromagnetno zračenje) u signale koji mogu stimulirati biološke procese. Preciznije, fotoreceptorski protein u ćeliji apsorbuje fotone, što pokreće promjenu u membranskom potencijalu.

Poznate tri vrste fotoreceptorskih ćelija u očima sisara: štapići, čepići i suštinski fotosenzibilne ganglijske ćelije mrežnjače. Dvije klasične fotoreceptorske ćelije su  štapići i čepići (čunjići), a svaka doprinosi informacijama koje stvaraju vizuelni sistem za prikaz vidljivog svijeta, vida. Štapići su uži od čunjića i različito se raspoređuju po mrežnjači, ali hemijski proces u svakoj od njih  podržava sličnu fototransdukciju. Treća klasa fotoreceptorskih ćelija sisara otkrivena je tokom 1990-ih: suštinski fotosenzibilne ganglijske ćelije mrežnjače. Ove ćelije ne doprinose izravno vidu, ali se smatra da podržavaju cirkadijski ritam i zjenični refleks.

Postoje velike funkcijske razlike između štapića i čunjića. Štapići su izuzetno osjetljivi i mogu se aktivirati jednim fotonom. Pri vrlo niskim nivoima osvjetljenja, vizuelno iskustvo temelji se isključivo na signalu štapića.

Da bi proizveli signal,  čunjići zahtijevaju znatno jače svjetlo (odnosno veći broj fotona). Kod ljudi postoje tri različite vrste čepićnih ćelija, koje se razlikuju po obrascu reakcije na svjetlost različitih talasnih dužina. Doživljaj boje stvara se iz ova tri različita signala, možda putem mehanizma zvanog oponentni proces. Ovo objašnjava zašto se boje ne mogu vidjeti pri slabom svjetlu, kada su aktivne samo štapići, a ne čepićne ćelije fotoreceptora. Tri vrste čepićnih ćelija reagiraju (otprilike) na svjetlost kratkih, srednjih i dugih talasnih dužina, pa se mogu nazvati S-čepićima, M-čepićima i L-čepićima.

U skladu s principom univarijancije, odgovor ćelije ovisi samo o broju apsorbiranih fotona. Različiti odgovori tri vrste čepićnih ćelija određeni su vjerovatnoćom da će njihovi odgovarajući fotoreceptorski proteini apsorbirati fotone različitih talasnih dužina. Tako, naprimjer, ćelija L-čepića sadrži fotoreceptorski protein koji lakše apsorbira duge talase svjetlosti (to jest, više "crvene"). Svjetlost kraće talasne dužine također može proizvesti isti odgovor kao ćelije L-čepića , ali mora biti mnogo svjetlija da bi to učinili.

Mrežnjača čovjeka sadrži oko 120 miliona štapićnih ćelija i 6 miliona čepićnih. Broj i omjer štapića i čepića varira među vrstama, ovisno o tome je li životinja primarno dnevna ili noćna. Određene sove, poput noćne bjelkaste sove, u mrežnjačama imaju ogroman broj štapića. U ljudskom vizuelnom sistemu, pored fotosenzibilnih štapića i čepića, postoji oko 2,4 miliona do 3 miliona ganglijskih ćelija, od kojih je 1 –2% fotosenzibilno. Aksoni ganglijskih ćelija čine dva optička nerva.

Ćelije fotoreceptora su obično raspoređene u nepravilnu, ali približno šesterougaonu mrežu, poznatu kao mozaik mrežnjače.

Epifiza i parapinealna žlijezda su fotoreceptivne kod kičmenjaka koji nisu sisari, ali ne i kod sisara. Ptice imaju neurone koji kontaktiraju fotoaktivnu cerebrospinalnu tečnost (CSF), unutar paraventrikulskih organa koji reaguju na svjetlost u odsustvu ulaza u oči ili neurotransmitera. Fotoreceptori beskičmenjaka u organizmima kao što su insekti i mehkušci različiti su, kako u svojoj morfološkoj organizaciji, tako i u osnovi biohemijskih puteva. Ovaj članak opisuje ljudske fotoreceptore.

## Histologija 
Fotoreceptori štapića i čepića nalaze se na najudaljenijem sloju mrežnjače; oboje imaju istu osnovnu strukturu. Najbliži vidnom polju (i najudaljeniji od mozga) je terminalni  akson, koji oslobađa neurotransmiter zvan glutamat, do bipolarnih ćelija. Dalje je ćelijsko tijelo, koje sadrži ćelijske organele. Još dalje je unutrašnji segment, specijalizirani dio ćelije pun mitohondrijama. Glavna funkcija unutrašnjeg segmenta je stvaranje ATP (energije) za natrij-kalijsku pumpu. Konačno, najbliži mozgu (i najudaljeniji od vidnog polja) je vanjski segment, dio fotoreceptora koji apsorbira svjetlost. Vanjski segmenti su zapravo modificirane cilije. koji sadrže diskove ispunjene opsinom, molekulom koja apsorbira fotone, kao i naponski ograničene natrijeve kanale.

Membranski fotoreceptorski proteini *opsini* sadrže po molekulu pigmenta zvanu *melanopsin*.  U štapičastim ćelijama, oni se zajedno nazivaju rodopsin. U ćelijama čepića postoje različiti tipovi opsina koji se kombiniraju s mrežnjačnim, da bi stvorili pigmente zvane fotopsine. Tri različite klase fotopsina u čunićima reaguju na različite opsege frekvencije svjetlosti, što je diferencijacija koja omogućava vizuelnom sistemu da iđodredi boju. Funkcija fotoreceptorske ćelije je da pretvori svjetlosnu energiju fotona u oblik energije koja se prenosi na nervni sistem i lako koristi organizmu: ova konverzija naziva se transdukcija signala.

Opsin koji se nalazi u svojstveno fotosenzibilnim ganglijskim ćelijama mrežnjače naziva se melanopsin. Te ćelije su uključene u različite refleksne reakcije mozga i tijela na prisustvo (dnevnog) svjetla, poput regulacije cirkadijajsog ritma, zjeničnog refleksa i drugih nevizuelnih odgovora na svjetlost. Melanopsin funkcionalno podsjeća na opsine beskičmenjaka.

Kada svjetlost aktivira signalni sistem, melanopsin-sadržavajuće ganglijske ćelije odvode nervni impuls koji se kroz njihove aksone provodi do određenih moždanih centara. Ovi ciljevi uključuju olivano pretektno jezgro (centar odgovoran za kontrolu zjenice), LGN i, retinohipotalamični trakt (RHT), suprahijazmatska jezgra hipotalamusa (glavni pejsmejker cirkadijskih ritmova). Smatra se da ganglijske ćelije koje sadrže melanopsin utiču na te ciljeve oslobađajući sa svojih aksonskih terminala neurotransmitere glutamat i polipeptid koji aktivira adenilat ciklazu hipofize  (PACAP).

## Ljudi 
thumb|300px|right| Normalizirane apsorbancije ljudskih fotoreceptora za različite talasne dužine svjetlosti
[thumb|300px|left|Ilustracija raspodjele čepićnih ćelija  u fovei osobe sa normalnim kolornim vidom (lijevo) i mržnjačom slijepom za boje ([protanopija|protanop). Treba imati na umu da središte fovee sadrži vrlo malo čunića osjetljivih na plavu boju.]]
[thumb|250px| Raspodjela štapića i čunića duž linije koja prolazi kroz foveu i [slijepa mrlja|slijepu mrlju ljudskog oka]]

Ljudska mrežnjača ima približno šest miliona čunićaa i 120 miliona štapića. Signali iz štapića i čunića konvergiraju se na ganglijske i bipolarne ćelije radi predobrade, prije nego što se pošalju u bočno genikulatgno jezgro. U "centru" mrežnjače (tačka neposredno iza sočiva) leži fovea (ili *fovea centralis*), koja sadrži samo čepićne ćelije; regija je sposobna za najveću oštrinu vida ili najvišu rezoluciju. Preko ostatka mrežnjače štapići i čunjićii su međusobno povezani. Nisu pronađeni fotoreceptori na slijepoj mrlji, području gdje se vlakna ganglijskih ćelija sakupljaju u optički nerv i napuštaju oko.

Fotoreceptorski proteini u tri vrste čunića razlikuju se u  osjetljivosti na fotone različitih talasnih dužina (vidi grafikon). Budući da čunići reagiraju i na talasnu dužinu i na intenzitet svjetlosti, osjetljivost čepića na talasnu dužinu mjeri se u smislu njegove relativne brzine odziva, ako se intenzitet podražaja drži fiksnim, dok  talasna dužina varira. Iz toga se pak zaključuje apsorbancija. Grafikon normalizira stupanj apsorpcije na skali od sto poena. Naprimjer, relativni odziv S-čepića doseže maksimum oko 420&nbsp;nm (nanometri, mjera talasne dužine). To  govori da je vjerovatnije da S-čepić apsorbira foton na 420&nbsp;nm, nego na bilo kojoj drugoj talasnoj dužini. Ako se svjetlosti drugačije dužine na koju su manje osjetljivi, recimo 480&nbsp;nm, poveća osvjetljenje na odgovarajući način, u S-čepićima nastaje potpuno isti odgovor. Dakle, krivuljine boje obmanjuju. Čunići ne mogu sami otkriti boju,  nego vid u boji zahtijeva upoređivanje signala između različitih tipova čepića.

## Fototransdukcija 
Proces fototransdukcije se događa u mrežnjači. Ona ima mnogo slojeva različitih tipova ćelija. Najbrojnije ćelije fotoreceptora (*štapići* i *čunići*) čine najudaljeniji sloj. To su fotoreceptori odgovorni za posredovanje čula vida. Srednji mrežnjačni sloj sadrži bipolarne ćelije, prikuplja signale od fotoreceptora i prenosi ih u ganglijske ćelije najunutarnjeg sloja mrežnjače. Aksoni ganglijskih ćelija mrežnjače skupno formiraju vidni nerv, kroz koji se projiciraju u mozak. Čitav proces kojim svjetlost pokreće osjetni odgovor naziva se vizuelna fototransdukcija.

### Tamna struja 
Nestimulirani (u mraku) kanali zatvoreni cikličkim nukleotidom u vanjskom segmentu su otvoreni, jer je za njih vezan ciklični GMP (cGMP). Stoga pozitivno nabijeni ioni (natrijevi ioni ulaze u fotoreceptor, depolarizirajući ga na oko –40 mV (potencijal mirovanja u ostalim nervnim ćelijama obično iznosi –65 mV). Ova depolarizacija struja često je poznata kao tamna struja.

### Transdukcijski signalni put
thumb|right|400px| Apsorpcija svjetlosti dovodi do izomerne promjene u mrežnjačnoj molekuli.
Put transdukcije signala je mehanizam kojim energija fotona signalizira mehanizam u ćeliji, koji dovodi do njegove električne polarizacije. Ova polarizacija u konačnici dovodi ili do propuštanja ili inhibicije neuronskog signala koji će se dovoditi u mozak putem optičkog živca. Put ili koraci transdukcije signala u fotoreceptorima štapića i čepića  kičmenjaka su:

# Rodopsin ili jodopsin u membrani diska vanjskog segmenta upija foton, mijenjajući konfiguraciju Schiffove baze mrežnjače. kofaktora unutar proteina iz cis-oblika u trans-oblik, zbog čega mrežnjača mijenja oblik.
# Ovo rezultira nizom nestabilnih međuprodukata, od kojih se posljednji jače veže za G-protein u membrani, zvani transducin, i aktivira ga. Ovo je prvi korak pojačavanja – svaka fotoaktivirana molekula rodopsina pokreće aktivaciju oko 100 transducina.
# Svaki transducin tada aktivira enzim cGMP-specifičnu fosfodiesterazu (PDE).
#PDE zatim katalizira hidrolizu cGMP do 5 'GMP. Ovo je drugi korak pojačavanja, kada pojedinačni PDE hidrolizira oko 1.000 molekula cGMP.
# Neto koncentracija unutarćelijskog cGMP-a je smanjena (zbog njegove konverzije u 5' GMP, putem PDE-a), što rezultira zatvaranjem cikličkih nukleotidno-usmerenih ionskih kanala  Na+, koji se nalaze u membrani spoljnog segmenta fotoreceptora.
# Kao rezultat toga, natrijevi ioni više ne mogu ući u ćeliju, a membrana vanjskog segmenta fotoreceptora postaje hiperpolarizirana, zbog naboja unutar membrane koji postaje negativniji.
# Ova promjena u membranskom potencijalu ćelije dovodi do zatvaranja naponski ograničenih kalcijevih kanala. To dovodi do smanjenja priliva iona kalcija u ćeliju i time pada njihova unutarćelijska koncentracija .
# Smanjenje unutarćelijske koncentracije kalcija znači da se manje glutamata oslobađa kalcijem izazvanom egzocitozom u bipolarnu ćeliju (vidi dolje). (Smanjena razina kalcija usporava oslobađanje neurotransmitera glutamata, koji pobuđuje postsinapsne bipolarne i vodoravne ćelije.)
# Redukcija oslobađanja glutamata znači da će se jedna populacija bipolarnih ćelija depolarizirati, a njihova zasebna populacija biti hiperpolarizirana, ovisno o prirodi receptora (ionotropni ili metabotropni) u postsinapsnom terminalu (vidi receptivno polje).

Dakle, fotoreceptori štapića ili čepića zapravo oslobađaju manje neurotransmitera kada ih stimulira svjetlost. Manje neurotransmitera u sinapsnoj pukotini,  između fotoreceptora i bipolarne ćelije služi  ili za pobuđivanje (depolarizaciju) bipolarnih ćelija ili za inhibiranje (hiperpolarizaciju)  bipolarnih ćelija. Dakle, nalazi se na sinapsi fotoreceptor-bipolarna ćelija, gdje su vizuelni signali podijeljeni na ON i OFF puteve.

ATP napaja unutrašnji segment natrij-kalijeve pumpe. Ova pumpa je potrebna za resetiranje početnog stanja vanjskog segmenta, uzimajući natrijeve ione koji ulaze u ćeliju i ispumpavajući ih natrag.

Iako su fotoreceptori neuroni, oni ne provode potencijal djelovanja, s izuzetkom fotosenzibilnih ganglijskih ćelija – koje su uglavnom uključene u regulaciju cirkadijskih ritmova, melatonina i širenja zjenica.

### Prednosti 
Fototransdukcija u štapićima i čunićimaa donekle je neobična po tome što podražaj (u ovom slučaju svjetlost) smanjuje reakciju ili brzinu odgovora ćelije, različito od većine ostalih senzornih sistema, u kojima podražaj povećava odgovor ili njegovu stopu. Ova razlika ima važne funkcijske posljedice:

Prvo se klasični (štapićasti ili čepičasti) fotoreceptor depolarizira u mraku, što znači da mnogi natrijevi ioni ulaze u ćeliju. Dakle, nasumično otvaranje ili zatvaranje natrijevih kanala neće uticati na membranski potencijal ćelije; samo će zatvaranje velikog broja kanala apsorpcijom fotona uticati na njih i signalizirati da je svjetlost u vidnom polju. Ovaj sistem može imati manje buke u odnosu na shemu senzorne transdukcije koja povećava brzinu prenosa neurona kao odgovor na stimulus, poput dodira i mirisa.

Drugo, postoji mnogo pojačanja u dvije faze klasične fototransdukcije: jedan pigment aktivirat će mnogo molekula transducina, a jedan PDE cijepat će mnogo cGMP-a. Ovo pojačavanje znači da će čak i apsorpcija jednog fotona uticati na membranski potencijal i signalizirati mozgu da je svjetlost u vidnom polju. Ovo je glavna karakteristika koja razlikuje štapićne od črpićnih fotoreceptora. Štapićni su izuzetno osjetljivi i imaju sposobnost registriranja jednog fotona svjetlosti, za razliku od čepića. S druge strane, poznato je da čunići imaju vrlo brzu kinetiku u smislu brzine pojačanja fototransdukcije, za razliku od štapića.

### Razlika između štapića i čunića 
Usporedba ćelija ljudskih štapića i čepića, Eric Kandel 
et al. u djelu „Principi neuronauke“ ( *Principles of Neural Science*).

## Signalizacija 
thumb|262x262px|3D medicinska  ilustracija strukture fotoreceptora u štapića i čepića
Fotoreceptori štapića i čepića signaliziraju  apsorpciju fotona smanjenjem otpuštanja neurotransmitera glutamata u bipolarne ćelije na aksonskom terminalu. Budući da se fotoreceptor depolarizira u mraku, velika količina glutamata ispušta se u bipolarne ćelije. Apsorpcija fotona hiperpolarizira fotoreceptore i zato će rezultirati oslobađanjem *manje* glutamata na presinapsnom terminalu u bipolarnu ćeliju.

Svaki štapićni ili čepićni fotoreceptor oslobađa isti neurotransmiter, glutamat. Međutim, efekat glutamata se razlikuje u bipolarnim ćelijama, ovisno o vrsti receptoru, ugrađen u tu ćelijsku membranu. Kada se glutamat veže za ionotropni receptor, bipolarna ćelija se depolarizira (i prema tome će hiperpolarizirati sa svjetlošću, jer se oslobađa manje glutamata). S druge strane, vezanje glutamata za metabotropni receptor rezultira hiperpolarizacijom, tako da će se ova bipolarna ćelija depolarizirati na svjetlosti, kad se oslobodi manje glutamata.

U osnovi, ovo svojstvo omogućava jednoj populaciji bipolarnih ćelija, koja se pobuđuje svjetlošću i drugoj populaciji koja se njome inhibira, iako svi fotoreceptori pokazuju isti odgovor na svjetlost. Ova složenost postaje važna i neophodna za otkrivanje boja, kontrasta, otkrivanje ivica itd.

Daljnja složenost proizlazi iz različitih međusobnih veza između bipolarnih ćelija, vodoravne i amakrine ćelije u mrežnjači. Konačni rezultat su različite skupine ganglijskih ćelija u mrežnjači, čija je podskupina također suštinski fotosenzibilna, koristeći fotopigment melanopsin.

## Fotoreceptori ganglijskih ćelija (bez štapića)
Fotografski receptor koji nije u obliku štapića u očima miševa, a koji je pokazao da posreduje cirkadijski ritam, otkrili su 1991. 
Foster *et al.* koji ima apsorpcijski vrh svjetlosti na drugoj talasnoj dužini (≈480&nbsp;nm) nego štapići i čunići. Pored cirkadijskiih/eoloških funkcija, ipRGC imaju ulogu u pokretanju zjeničnog refleksa svjetlosti.

Dennis Dacey sa kolegama pokazao je na majmunima Starog svijeta da gigantske ganglijske ćelije eksprimiraju melanopsin projiciran na lateralno genikulatno jezgro (LGN). Ranije su bile prikazane samo projekcije na srednji mozak (pretektno jezgro) i hipotalamus (suprahijazmatsko jezgro). Međutim, vizuelna uloga receptora i dalje je bila nepoznata i nedokazana.

U 2007., Farhan H. Zaidi i kolege objavili su pionirski rad na ljudima bez štapića i bez čunjića. Časopis  *Current Biology* je naknadno (2008.) objavio u svom uvodniku, komentaru i uputama naučnicima i oftalmolozima  da je fotokontrolor bez štapića koji nije čepić otkriven kod ljudi koristeći orijentacijske eksperimente na osobama bez štapića i bez ćepića, koje su ranije objavili  Zaidi et al. Kao što je pronađeno kod drugih sisara, utvrđeno je da je identitet nekonekturnog nečepićastog fotoreceptora kod ljudi,  ganglijska ćelija u unutrašnjem dijelu mrežnjače. Pronašli su pacijente s rijetkim bolestima opovrgavajući klasične predstave o funkciji fotoreceptora štapića i čepića, našavši  očuvanu funkciju ganglijskih ćelija. Budući da ove ćelije uglavnom reaguju na plavo svjetlo, sugerira se da imaju ulogu u mezoptičnom vidu.  Zaidi et al. su stoga otvorili rad sa ljudima bez štapića bez  vrata čepića, o načinu stvaranja slike (vizuelne) za fotoreceptor ganglijskih ćelija. Otkriveno je da postoje paralelni putevi za vid – jedan klasični put zasnovan na štapićima i čepićima,  koji proizlazi iz osjetljivosti vanjskog  dijela mrežnice, a drugi rudimentarni put detektora vizuelne svjetline koji proizlazi iz unutarnje mrežnjače, a koji svjetlost aktivira prije drugih. Klasični fotoreceptori se također unose u novi sistem fotoreceptora, a postojanost boja može biti važna uloga, kako je predložio Foster. Receptor bi mogao biti ključan u razumijevanju mnogih bolesti, uključujući glavne uzroke sljepoće širom svijeta, poput glaukoma, bolesti koja pogađa ganglijske ćelije, a proučavanje receptora nudi potencijal kao novi put za istraživanje u pokušaju pronalaska liječenja sljepila. Upravo u tim otkrićima novog fotoreceptora kod ljudi i u ulozi receptora u vidu, umjesto u funkcijama koje ne formiraju sliku, receptor može imati najveći utjecaj na društvo u cjelini, iako je uticaj poremećenih cirkadijskih ritmova drugo područje značajno za kliničku medicinu.

Većina radova sugerira da je vršna spektralna osjetljivost receptora između 460 i 482&nbsp;nm. Steven Lockley et al.,  2003. pokazali su da talasne dužine svjetlosti od 460&nbsp;nm potiskuju melatonin dvostruko više od duže svjetlosti od 555&nbsp;nm. Međutim, u novijem radu Farhana Zaidija i suradnika, posmatrajući ljude bez štapiča i čepića, otkriveno je da je ono što je svjesno dovelo do percepcije svjetlosti vrlo intenzivan podražaj od 481&nbsp;nm; to znači da receptor, u vizuelnom smislu, omogućava neki osnovni vid maksimalno za plavo svjetlo.

## Također pogledajte 
* Čulo vida
* Oko
* Senzorni sistem
* Fotosenzibilnost
* Vodoravna ćelija
* Bipolarna ćelija
* Amakrina ćelija

## Reference 
## Dopunska literatura
* 
* 

## Vanjski linkovi
*
*NIF Search – Photoreceptor Cell  via the Neuroscience Information Framework

Kategorija:Histologija
Kategorija:Oko
Kategorija:Čula
Kategorija:Oftalmologija
Kategorija:Anatomija čovjeka
Kategorija:Anatomija životinja