Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет. Зрительный пигмент

Зрительная фототрансдукция представляет собой комплекс процессов, который отвечает за изменение (фототрансформацию) пигментов и последующую их регенерацию. Необходимо это для передачи информации из внешнего мира к нейронам. Благодаря биохимическим процессам, при влиянии света с различной длиной волны, возникают структурные изменения в строении пигментов, которые находятся в бислойном липидном участке мембран внешней доли фоторецептора.

Изменения в фоторецепторах

Фоторецепторы всех позвоночных животных, включая человека, могут реагировать на световые лучи путем изменения фотопигментов, которые располагаются в бислойных мембранах в области внешней доли колбочек и палочек.

Сам зрительный пигмент представляет собой белок (опсин), который является производным витамина А. Сам бета-каротин содержится в пищевых продуктах, а также синтезируется в клетказ сетчатки (фоторецептоный слой). Эти опсины ил хромофоры в связанном состоянии локализуются в глубине биполярных дисков в зоне внешних долей фоторецепторов.

Около половины опсинов приходится на бислойный липидный слой, который связан снаружи короткими петлями белка. Каждая молекула родопсина имеет в своем составе семь трасмембранных участков, которые окружают хромофор в бислое. Хромофор располагается горизонтально в мембране фоторецептора. Внешний диск мембранного участка имеет большое количество зрительных молекул пигмента. После того, как был поглощен фотон света, вещество пигмента переходит из одной изоформы в другую. В результате этого молекула претерпевает конформационные изменения, а структура рецептора восстанавливается. При этом метародопсин активирует G-белок, что запускает каскад биохимических реакций.

Фотоны света воздействуют на зрительный пигмент, что приводит к активации каскада реакций: фотон - родопсин - метародопсин - трансдуцин - фермент, который гидролизует цГМФ.В результате этого каскада формируется закрывающаяся мембрана на внешнем рецепторе, которая связана с цГМФ и отвечает за работу катионного канала.

В темноте через открытые каналы проникают катионы (в основном ионы натрия), которые приводят к частичной деполяризации ячейки фоторецептора. При этом этот фоторецептор выбрасывает медиатор (глутамат аминокислоты), который воздействует на инаптические окончания нейронов второго порядка. При незначательном световом возбуждении молекула родопсина изомеризуется в активную форму. Это приводит к закрытию ионного трансмембранного канала, и, соответственно, останавливает катионный поток. В результате клетка фоторецептора гиперполяризуется, а медиаторы перестают выделяться в зоне контакта с нейронами второго порядка.

В темноте через трансммбранные каналы осуществляется поток ионов натрия (80%), кальция (15%), магния и других катионов. Чтобы удалить избыток кальция и натрия во время темноты, в клетках фоторецепторов действует катионный обменник. Ранее считалось, что кальций участвует в фотоизомерации родопсина. Однако в настоящее время получены доказательства того, что этот ион играет и другие роли в фототрансдукции. За счет присутствия достаточной концентрации кальция, палочковые фоторецепторы становятся более восприимчивыми к свету, а также значительно увеличивается восстановление этих клеток после освещения.

Колбочковые фоторецепторы способны приспособиться к уровню освещения, поэтому человеческий глаз способен воспринимать объекты при разном освещении (начиная от теней под деревом и заканчивая предметов, расположенных на блестящем освещенном снегу). Палочковые фоторецепторы имеют меньшую приспособляемость к уровню освещения (7-9 единиц и 2 единицы для колбочек и палочек, соответственно).

Фотопигменты экстерорецепторов колбочек и палочек сетчатки глаза

К фотопигментам колбочкового и палочкового аппарата глаза относят:

Йодопсин;
Родопсин;
Цианолаб.

Все эти пигменты отличаются друг от друга аминокислотами, которые входят в состав молекулы. В связи с этим пигменты поглощают определенную длину волны, точнее диапазон длин.

Фотопигменты экстерорецепторов колбочек

В колбочках сетчатки глаза располагается йодопсин и разновидность йодопсина (цианолаб). Все выделяют три типа йодопсина, которые настроены на длину волны в 560 нм (красный), 530 нм (зеленый) и 420 нм (синий).

О существовании и идентификации цианолаба

Цианолаб представляет собой разновидность йодопсина. В сетчатке глаза синие колбочки располагаются регулярно в периферической зоне, зеленые и красные колбочки локализуются хаотично по всей поверхности сетчатки. При этом плотность распределения колбочек с зеленым пигментов больше, чем красных. Наименьшая плотность отмечается у синих колбочек.

В пользу теории трихромазии свидетельствуют следующие факты:

Была определена спектральная чувствительность двух пигментов колбочки при помощи денситометрией.
С использованием микроспектрометрии было определено три пигмента колбочкового аппарата.
Был идентифицирован генетический код, ответственный за синтез красных, синих и зеленых колбочек.
Ученым удалось изолировать колбочки и измерить их физиологический ответ на облучение светом с определенной длинной волны.

Теория трохромазии раньше была не в состоянии объяснить наличие четырех основных цветов (синий, желтый, красный, зеленый). Также было затруднительно объяснить, почему люди-дихроматы способны различать белый и желтый цвета. В настоящее время открыт новый фоторецептор сетчатки, в котором роль пигмента исполняет меланопсин. Это открытие расставило все по местам и помогло ответить на многие вопросы.

Также в недавних исследованиях при помощи флуоресцентного микроскопа были изучены срезы сетчатки птиц. При этом было выявлено четыре типа колбочек (фиолетовая, зеленая, красная и синяя). За счет оппонентного цветного зрения фоторецепторы и нейроны дополняют друг друга.

Фотопигмент палочек родопсин

Родопсин относится к семейству G-связанных белков, который так назван из-за механизма трансмембранной передачи сигнала. При этом в процесс вовлекаются G-белки, расположенные в примембранном пространстве. При исследовании родопсина была установлена структура этого пигмента. Это открытие очень важно для биологии и медицины, потому что родопсин является родоначальником в семействе GPCR-рецепторов. В связи с этим его строение используется в изучении всех остальных рецепторов, а также определяет функциональные возможности. Родопсин назван так, потому что имеет ярко-красную окраску (с греческого он дословно переводится как розовое зрение).

Дневное и ночное зрение

Изучая спектры поглощения родопсина, можно заметить, что восстановленный родопсин отвечает за восприятие света в условиях низкой освещенности. При дневном свете этот пигмент разлагается, и максимальная чувствительность родопсина смещается в синюю спектральную область. Это явление получило название эффект Пуркинье.

При ярком освещении палочка перестает воспринимать дневные лучи, а эту роль на себя берет колбочка. При этом происходит возбуждение фоторецепторов в трех областях спектра (синий, зеленый, красный). Далее эти сигналы преобразуются и направляются в центральные структуры мозга. В результате формируется цветное оптическое изображение. Для полного восстановления родопсина в условиях низкой освещенности требуется коло получаса. В течение всего этого времени происходит улучшение сумеречного зрения, которое достигает максимума по окончании периода восстановления пигмента.

Биохимик М.А. Островский провел ряд фундаментальных исследований и показал, что палочки, содержащие пигмент родопсин, участвуют в восприятии объектов в условиях низкого освещения и отвечают за ночное зрение, которое имеет черно-белую окраску.

В палочках сетчатки человека содержится пигмент родопсин, или зрительный пурпур, максимум спектра поглощения которого находится в области 500 нанометров (нм). В наружных сегментах трех типов колбочек (сине-, зелено- и красно-чувствительных) содержится три типа зрительных пигментов, максимумы спектров поглощения которых находятся в синей (420 нм), зеленой (531 нм) и красной (558 нм) частях спектра. Красный колбочковый пигмент получил название «йодопсин» (поглощает желтую часть спектра). Молекула зрительного пигмента сравнительно небольшая, состоит из большей белковой части (опсина) и меньшей хромофорной (ретиналь, или альдегид витамина А). Ретиналь может находиться в различных пространственных конфигурациях, т. е. изомерных формах, но только одна из них - 11-цис-изомер ретиналя выступает в качестве хромофорной группы всех известных зрительных пигментов. Источником ретиналя в организме служат каротиноиды, поэтому недостаток их приводит к дефициту витамина А и, как следствие, к недостаточному ресинтезу родопсина, что в свою очередь является причиной нарушения сумеречного зрения, или «куриной слепоты».

Молекулярная физиология фоторецепции .

А Б

В темноте ретиналь в виде цис-формы (рис. 14 А) . На свету меняет свою конфигурацию и превращается в транс-форму (рис. 14 Б) . Его боковая цепь выпрямляется. Связь ретиналя и белка прерывается. Разложение пигмента сопровождается его выцветанием, при этом высвобождается энергия, которая создает ПД, который через синапс запускает импульс в нейронах. Обратное превращение пигмента родопсина происходит при затемнении глаз. Для образования ретиналя необходим цис-изомер витамина А. Если витамин А в организме отсутствует, развивается куриная слепота (человек не видит в сумерках).

Опсин при воздействии кванта света тоже меняется. Происходит перемещение заряда на белке. Этот процесс ведет к возникновению раннего рецепторного потенциала (РРП). Вслед за РРП развивается поздний РРП, который отражает возбуждение нервного членика рецептора – внутреннего сегмента. ПРП через синапс запускает импульс в нейронах. Структура йодопсина близка к родопсину (тоже состоит из ретиналя с белком опсином).

НЕЙРОНЫ СЕТЧАТКИ

Фоторецепторы сетчатки синаптически связаны с биполярными нейронами. При действии света уменьшается выделение медиатора (глутамата) из фоторецептора, что приводит к гиперполяризации мембраны биполярного нейрона. От него нервный сигнал передается на ганглиозные клетки, аксоны которых являются волокнами зрительного нерва. Передача сигнала как с фоторецептора на биполярный нейрон, так и от него на ганглиозную клетку происходит безымпульсным путем. Биполярный нейрон не генерирует импульсов ввиду предельно малого расстояния, на которое он передает сигнал.

На 130 млн фоторецепторных клеток приходится только 1 млн 250 тыс. ганглиозных клеток, аксоны которых образуют зрительный нерв. Это значит, что импульсы от многих фоторецепторов сходятся (конвергируют) через биполярные нейроны к одной ганг-лиозной клетке. Фоторецепторы, соединенные с одной ганглиозной клеткой, образуют рецептивное поле ганглиозной клетки. Рецептивные поля различных ганглиозных клеток частично перекрывают друг друга. Таким образом, каждая ганглиозная клетка суммирует возбуждение, возникающее в большом числе фоторецепторов. Это повышает световую чувствительность, но ухудшает пространственное разрешение. Лишь в центре сетчатки, в районе центральной ямки, каждая колбочка соединена с одной так называемой карликовой биполярной клеткой, с которой соединена также всего одна ганглиозная клетка. Это обеспечивает здесь высокое пространственное разрешение, но резко уменьшает световую чувствительность.

Взаимодействие соседних нейронов сетчатки обеспечивается горизонтальными и амакриновыми клетками, через отростки которых распространяются сигналы, меняющие синаптическую передачу между фоторецепторами и биполярными клетками (горизонтальные клетки) и между биполярными и ганглиозными клетками (амакриновые клетки). Амакриновые клетки осуществляют боковое торможение между соседними ганглиозными клетками (рис. 15) .

Кроме афферентных волокон, в зрительном нерве есть и центробежные, или эфферентные, нервные волокна, приносящие к сетчатке сигналы из мозга. Полагают, что эти импульсы действуют на синапсы между биполярными и ганлиозными клетками сетчатки, регулируя проведение возбуждения между ними.

29. СВЕТОВАЯ И ТЕМНОВАЯ АДАПТАЦИЯ

При переходе от темноты к свету наступает временное ослепление, а затем чувствительность глаза постепенно снижается. Это приспособление зрительной сенсорной системы к условиям яркой освещенности называется световой адаптацией . Обратное явление (темповая адаптация) наблюдается при переходе из светлого помещения в почти не освещенное. В первое время человек почти ничего не видит из-за пониженной возбудимости фоторецепторов и зрительных нейронов. Постепенно начинают выявляться контуры предметов, а затем различаются и их детали, так как чувствительность фоторецепторов и зрительных нейронов в темноте постепенно повышается.

Повышение световой чувствительности во время пребывания в темноте происходит неравномерно: в первые 10 мин она увеличивается в десятки раз, а затем в течение часа - в десятки тысяч раз. Важную роль в этом процессе играет восстановление зрительных пигментов. Пигменты колбочек в темноте восстанавливаются быстрее родопсина палочек, поэтому в первые минуты пребывания в темноте адаптация обусловлена процессами в колбочках. Этот первый период адаптации не приводит к большим изменениям чувствительности глаза, так как абсолютная чувствительность колбочкового аппарата невелика.

Следующий период адаптации обусловлен восстановлением родопсина палочек. Этот период завершается только к концу первого часа пребывания в темноте. Восстановление родопсина сопровождается резким (в 100 000-200 000 раз) повышением чувствительности палочек к свету. В связи с максимальной чувствительностью в темноте только палочек слабо освещенный предмет виден лишь периферическим зрением.

Существенную роль в адаптации, помимо зрительных пигментов, играет изменение (переключение) связей между элементами сетчатки. В темноте площадь возбудительного центра рецептивного поля ганглиозной клетки увеличивается вследствие ослабления или снятия горизонтального торможения. При этом увеличивается конвергенция фоторецепторов на биполярные нейроны и биполярных нейронов на ганглиозную клетку. Вследствие этого за счет пространственной суммации на периферии сетчатки световая чувствительность в темноте возрастает.

Световая чувствительность глаза зависит и от влияний ЦНС. Раздражение некоторых участков ретикулярной формации ствола мозга повышает частоту импульсов в волокнах зрительного нерва. Влияние ЦНС на адаптацию сетчатки к свету проявляется и в том, что освещение одного глаза понижает световую чувствительность неосвещенного глаза. На чувствительность к свету оказывают влияние также звуковые, обонятельные и вкусовые сигналы.

25-10-2014, 13:04

Описание

Кванты света поглощаются в рецепторах специализированны ми молекулами - зрительными фотопигментами. Зрительные пигменты были открыты независимо друг от друга немецкими физиологами Ф. Боллем и В. Кюне в 1877-1879 гг. Ф. Болль заметил, что выделенная из зрительного бокала лягушки сетчатка поначалу выглядит красной, а затем, выцветая на свету, становится желтой и, наконец, совсем бесцветной.

В. Кюне нашел, что в нормально функционирующем глазу животного цвет сетчатки после интенсивного освещения светом восстанавливается, если животное снова поместить в темноту. На основе этих наблюдений был сделан вывод о наличии в сетчатке глаза светочувствительного вещества (пигмента), концентрация которого уменьшается на свету и восстанавливается в темноте.

Зрительные пигменты -это сложные молекулы хромолипопротеидов, состоящие у позвоночных и беспозвоночных животных из двух основных частей: хромофора (красящей части молекулы, определяющей цвет рецептора при освещении) и белка (опсина). Хромофор определяет максимум и интенсивность поглощения света в пигменте и представляет собой альдегид спиртов - витаминов А1 и А2.

Названия этих альдегидов - ретиналь-1 и ретиналь-2. Наличие добавочной двойной связи в ретинале-2 приводит к сдвигу максимума спектра поглощения в длинноволновую область. Ретиналь присоединяется к опсину - белковой мутации, имеющейся только в фоторецепторах. Выделяют опсин палочек - скотопсин и колбочек - фотопсин. Скотопсин состоит из 230-270 аминокислотных остатков, последовательность которых пока не определена.

О фотопсине известно мало: имеются лишь данные о его спиральной конфигурации. Собственно светопоглощающая часть молекулы пигмента, ретиналь, является разновидностью каротиноидов- пигментов, наиболее распространенных в фотосинтезирующих. тканях растений и животных.

Спектральные характеристики пигментов определяются комбинациями одного из ретиналей с той или иной разновидностью опсинов, многообразие которых и определяет многообразие зрительных пигментов у разных животных. Так, соединение скотопсина с ретиналем-1 приводит к образованию пигмента палочек - родопсина с максимумом поглощения при?=500 нм, а соединение его с ретиналем-2 образует другой палочковый пигмент - порфиропсин с максимумом поглощения при? =525 нм. Комбинации ретиналя-1 с разного вида фотопсинами в сетчатке человека и обезьяны образуют колбочковые пигменты с максимумами поглощения при? = 445 нм, ? = 535 нм и? =570 нм, называемые соответственно цианолабом, хлоролабом и эритролабом.

Светопоглощающие свойства пигментов определяются именно взаимодействием хромофора иопсина: максимумы поглощения хромофора и опсина, взятых отдельно, локализуются в области? =278 нм (ретиналь-1) и? = 378 нм (скотопсин), тогда как их соединение - родопсин - имеет максимум поглощения при? = 500 нм. Максимум поглощения- это один из параметров спектральной характеристики пигмента, определяющей в целом эффективность поглощения пигментом квантов света (фотонов) разных длин волн (рис. 3.1.4а).

Первые измерения спектров поглощения пигментов в отдельных колбочках сетчатки обезьяны и человека были проведены Брауном к Уолдом и Марксом с соавторами с применением специально для этих целей разработанного метода микроспектрофотометрии. Препарат сетчатки размещался под микроскопом, который позволял под визуальным контролем фокусировать пучок света той или иной длины волны на наружном сегменте фоторецептора, где содержится пигмент.

Затем для каждой длины волны отдельно проводились измерения количества света, прошедшего через колбочку и не поглощенного ею (разница между количеством света, поданного на колбочку, и количеством света, пропущенного ею, характеризовала эффективность поглощения пигментом фотонов данной длины волны). Измерения повторялись после выцветания пигмента в результате интенсивного освещения (референтные измерения). В результате вычитания второго ряда измерений из первого получали дифференциальный спектр поглощения пигмента в виде функции световой чувствительности от длины волны излучения.

Из рис. 3.1.4а видно, что пигменты обладают широкополосными, сильно перекрывающимися спектрами поглощения. Все фотопигменты имеют дополнительный, характерный для каротиноидов, максимум поглощения (так называемый щис-пик» или «?-пик»), равный 2/3 от основного максимума. Для пигментов, основные максимумы поглощения которых локализованы в коротко- и средневолновой частях спектра, цис-пик приходится на ультрафиолетовую область и на анализе излучений из видимого спектра не сказывается. Если, далее, при построении функций спектральной чувствительности пигментов шкалу длин волн (ось абсцисс) перевести в шкалу частот, то спектры поглощения всех пигментов, включающих разные опсины, но один и тот же ретиаль (например, ретиналь-1), будут иметь одну и ту же форму.

При таком представлении данных, впервые предложенном Дартналлом"(1953) для пигментов на базе ретиналя-1, спектры поглощения разных фотопигментов отличаются между собой только» положением максимума. А тогда, зная максимум поглощения пигмента, мы можем восстановить форму его спектра поглощения сначала в координатах «частота излучения - чувствительность», а затем, используя отношение с= ?f и в координатах «длина волны - чувствительность».
Такой метод восстановления спектра поглощения неизвестного пигмента по данным лишь о его максимуме получил название метода номограмм. Метод номограмм широко используется также в нейрофизиологии цветового зрения при решении вопроса о числе и типе фотоприемников, конвергирующих на тот или иной цветочувствительный нейрон: сравнивается функция спектральной чувствительности нейрона с той1 или иной номограммой (или их комбинацией).

Многообразие фотопигментов в животном мире коррелирует с разнообразием экологических условий обитания. У рыб и амфибий в сетчатке может содержаться одновременно родопсин и порфиропсин, соотношение которых меняется в течение жизни особи; у проходных рыб замена родопсина порфиропсином предшествует переходу из соленой воды в пресную и наоборот. Связь набора пигментов с экологией обитания не является жесткой: изменения в составе пигментов могут быть вызваны сезонными изменениями и циркадными ритмами.

Фотоизомеризация.
Реакция фотопигмента на свет определяется числом поглощенных квантов независимо от длины волны и энергии излучения: например, поглощенные родопсином. 10 квантов света при? =430 нм вызывают в нем такие же структурные изменения (рис. 3.1.46), как и 10 поглощенных кванто» света при? = 500 нм.

И спектральная избирательность (спектр поглощения) пигмента определяется лишь разной вероятностью поглощения квантов света из разных участков видимого спектра. Таким образом, зрительные пигменты и в конечном счете фоторецепторы работают как «счетчики квантов света», различающиеся между собой лишь вероятностью поглощения фотонов разных длин волн.

При поглощении одной молекулой родопсина 1 кванта света происходит изменение пространственной конфигурации одной молекулы ретиналя - фотоизомеризация, состоящая в трансформации 11-цмс-формы ретиналя в полностью трансформу (рис. 3.1.4б).

Фотоизомеризация сопровождается циклом фотохимических реакций, за расшифровку которых Г. Уолду в 1930 г. была присуждена Нобелевская премия. Конечные продукты фотоизомеризации- полностью траксретиналь и опсин. Все промежуточные реакции до стадии метародопсин-П обратимы: продукты этих реакций могут быть снова превращены в родопсин через обратную гранс-ретинальизомеризацию.

Это означает, что до метародопсина-II в молекуле пигмента не происходит значительных конформационных изменений. На стадии метародопсина-II происходит отрыв ретиналя от белковой части молекулы. Из всех стадий изомеризации только первая - превращение родопсина в прелюмиродопсин (батородопсин)-нуждается в свете. Все остальные реакции протекают в темноте. Аналогичным образом проходит фотоизомеризация и в колбочковых пигментах.

Таким образом, фотоизомеризация - это молекулярный триггерный (пусковой) механизм фоторецепции, состоящий в изменении пространственной конфигурации молекулы зрительного пигмента. Последнее делает понятным, почему природа выбрала в качестве зрительного пигмента каротиноиды: наличие двойных связей в ретинале определяет возможности его изомеризации и; его высокую реактивность. Вокруг каждой двойной связи может происходить вращение частей молекулы, ее изгибание в пространстве. Такая форма наименее стабильна и наиболее чувствительна к температуре и свету. В природе обнаружены различные виды ретиналя - 7, 9, 11, 13-цис-формы, 9,13-дицис-форма, но в зрительных пигментах ретиналь всегда находится в 11-цис-форме.

Ресинтез пигмента в фоторецепторах происходит непрерывно на свету и в темноте с участием фермента ретиненизомеразы и состоит в обратной изомеризации ретинола из трансформы в 11-цис-форму. В колбочках этот фермент находится в самих рецепторах, в палочках-в пигментном эпителии, куда после отрыва от опсина переходит транс-ретинол и где осуществляется его изомеризация в 11-цис-форму. При этом ретиналь витамина А используется повторно, а белок синтезируется в рибосомах внутреннего сегмента.

Предполагают, что рекомбинация 11-цис-ретиналя с опсином происходит спонтанно. В пигментном эпителии локализуется около 11% витамина А (ретинола) из 13%, приходящихся на весь глаз. Витамин А образуется в печени за счет разрыва цепи каротиноида, содержащегося в пище, на две части и присоединения воды.

Специальным ретинолсвязующим белком витамин А транспортируется в пигментный эпителий, где окисляется до ретиналя. При дефиците витамина А наступает так называемая «куриная слепота» - понижение абсолютной световой чувствительности, особенно сильно сказывающееся на видении в сумерках, переходящее в постоянную слепоту из-за разрушения белка, нестабильного в свободном состоянии. Поэтому при заболевании «куриной слепотой» рекомендуют есть морковь, содержащую провитамин А - бета-каротин.

Каждый фоторецептор содержит только один фотопигмент, характеризующийся тем или иным спектром поглощения. В этой связи выделяют коротко-, средне- и длинноволновые колбочки, содержащие у приматов пигменты с максимумами поглощения соответственно при 445 нм, 535 нм и 570 нм. У пресноводных рыб длинноволновая колбочка содержит пигмент с максимумом поглощения при 620 нм, что коррелирует с формой спектрального распределения света в их среде обитания.

Иногда по традиции, оставшейся со времен трехкомпонентной гипотезы Юнга-Гельм- гольца, эти колбочки называют сине-, зелено- и красно-чувствительными рецепторами. Но со второй половины XX в., когда было выяснено, что никакой фоторецептор сам по себе спектрального анализа не осуществляет, а только реагирует на число поглощаемых фотонов независимо от длины волны излучения, эти цветовые названия рецепторов используют только в метафорическом смысле.

Классификация палочек, например, у лягушки, на «зеленые» и «красные» в ряде случаев основана не на спектральной чувствительности содержащегося в них пигмента, а на окраске тел рецепторов в проходящем свете. Так, «зеленые» палочки содержат пигмент с максимумом поглощения при 432 нм, поэтому при освещении белым светом они поглощают коротковолновые излучения, пропуская все остальные длины волн, и при визуальном контроле выглядят зеленоватыми.

В сетчатке рыб отмечена связь между длиной колбочки и спектральным типом содержащегося в ней пигмента: самые короткие из них содержат коротковолновый пигмент, а самые длинные-длинноволновой. Эберли предположила, что это может быть одним из механизмов борьбы с хроматической аберрацией. Вследствие хроматической аберрации резкое изображение средневолновых излучений расположено глубже (дальше от хрусталика) резкого изображения коротковолнового излучения, а фокус для длинноволновых излучений локализован еще дальше.

Достаточно расположить коротко-, средне- и длинноволновые рецепторы на соответствующих уровнях, чтобы все части спектрального излучения фокусировались на рецепторах одинаково резко. Этим, возможно, и объясняется то, что в сетчатке рыб одиночные колбочки с короткими члениками содержат коротковолновый пигмент, а у двойной колбочки наиболее длинный членик содержит длинноволновый пигмент, а более короткий - коротко- или средневолновый пигмент. Двойные колбочки с равными по.длине члениками содержат один и тот же пигмент.

Зрительные пигменты сконцентрированы в мембранах наружных сегментов. Каждая палочка содержит около 10 8 молекул пигмента. Они организованы в несколько сотен дискретных дисков (около 750 в палочке обезьян), которые не связаны с наружной мембраной. В колбочках пигмент расположен в особых пигментных складках, которые являются продолжением наружной клеточной мембраны фоторецептора. Молекулы пигмента составляют около 80% всех белков диска. Зрительные пигменты настолько плотно упакованы в мембранах наружного сегмента, что расстояние между двумя молекулами зрительного пигмента в палочке не превышает 10 нм. Такая плотная упаковка повышает вероятность того, что фотон света при прохождении слоя фоторецепторных клеток будет уловлен. Возникает следующий вопрос: каким образом возникают сигналы при поглощении света зрительными пигментами?

Поглощение света зрительными пигментами

События, происходящие при поглощении света пигментом палочек - родопсином, изучались при помощи психофизиологических, биохимических и молекулярных методик. Молекула зрительного пигмента состоит из двух компонентов: белковой, называемой опсином, и хромофора, 11-цис-витамин А-альдегида, называемого ретиналем (рис.1). Следует уточнить, что хромофор содержит химическую группу, придающую цвет соединению. Количественные характеристики поглощающей способности пигментов были изучены при помощи спектрофотометрии. При освещении родопсина - зрительного пигмента палочек - светом разной длины волны, сине-зеленый свет с длиной волны около 500 нм поглощался лучше всего. Подобный результат был получен и при освещении отдельной палочки под микроскопом пучками света с разной длиной волн. Была выявлена интересная зависимость между спектром поглощения родопсина и нашим восприятием сумеречного света. Количественные психофизические исследования, выполненные на человеке, показали, что голубовато-зеленый дневной свет с длиной волны около 500 нм оптимален для восприятия сумеречного света в темноте. Днем, когда палочки неактивны и используются только колбочки, мы наиболее чувствительны к красному цвету, соответствующему спектру поглощения колбочек (об этом мы поговорим далее).

При поглощении родопсином одного фотона ретиналь претерпевает фотоизомеризацию и переходит из 11-цис в транс-конфигурацию. Этот переход происходит очень быстро: примерно за 10 --12 секунд. После этого белковая часть пигмента также претерпевает серию трансформационных изменений, с образованием ряда промежуточных продуктов. Одна из конформаций протеиновой части - метародопсин II - наиболее важна для передачи сигнала (мы обсудим это далее в этой главе). На рис.2 показана последовательность событий при обесцвечивании и регенерации активного родопсина. Метародопсин II образуется уже через 1 мс. Регенерация пигмента после его распада происходит медленно, в течение нескольких минут; для этого необходимо транспортирование ретиналя из фоторецепторов в пигментный эпителий.

Строение родопсина

На молекулярном уровне белок опсин состоит из 348 аминокислотных остатков, образующий 7 гидрофобных зон, каждая из которых состоит из 20-25 аминокислот, составляя 7 трансмембранных спиралей. Ν-конец молекулы расположен во внеклеточном пространстве (т.е. внутри диска палочки), а С-конец находится в цитоплазме.

В темноте 11-цис-ретиналь прочно связан с белком опсином. Захват фотона приводит к изомеризации all цис ре тиналя в троне ретиналь. При этом комплекс опсин all-тронс-ретиналь быстро превращается в метародо псин II, который диссоциирует на опсин и all троне ретиналь. Регенерация родопсина зависит от взаимодействия фоторецепторов и клеток пигментного зпителия. Метародопсин II включает и поддерживает в активном состоянии систему вторичных посредников.

Ретиналь соединен с опсином через остаток лизина, расположенный в седьмом трансмембранном сегменте. Опсин принадлежит к семейству белков, имеющих 7 трансмембранных доменов, в которое входят и метаботропные рецепторы медиаторов, такие как адренергические и мускариновые рецепторы. Как и родопсин, эти рецепторы передают сигнал ко вторичным посредникам посредством активации G-белка. Родопсин удивительно стоек в темноте. Байор подсчитал, что для спонтанной тепловой изомеризации молекулы родопсина необходимо около 3000 лет, или в 10 23 больше, чем для фотоизомеризации.

Зрительные пигменты

Строение родопсина

Колбочки и цветовое зрение

Цветовая слепота

Свойства каналов фоторецептора

Молекулярная структура цГМФ-управляемых каналов

Передача сигнала в фоторецепторах

Метаболический каскад циклического ГМФ

Рецепторы позвоночных, деполяризующиеся при действии света

Усиление сигнала в каскаде цГМФ

Сигналы в ответ на одиночные кванты света

Литература

Зрительные пигменты

Поглощение света зрительными пигментами

Строение родопсина

Рис.1. Структура родопсина позвоночных, встроенного в мембрану фоторецептора. Спираль несколько развернута, чтобы показать расположение ретиналя (указано черным). С - С-конец, N - N-конец.

Рис.2. Выцветание родопсина на свету. В темноте 11-цис-ретиналь прочно связан с белком опсином. Захват фотона приводит к изомеризации all цис ре тиналя в троне ретиналь. При этом комплекс опсин all-тронс-ретиналь быстро превращается в метародо псин II, который диссоциирует на опсин и all троне ретиналь. Регенерация родопсина зависит от взаимодействия фоторецепторов и клеток пигментного зпителия. Метародопсин II включает и поддерживает в активном состоянии систему вторичных посредников.

Колбочки и цветовое зрение

Удивительные исследования и эксперименты, выполненные Янгом и Гельмгольцем в XIX веке, привлекли внимание к очень важному вопросу о цветном зрении, и сами же ученые дали четкое и точное объяснение этому феномену. Их вывод о существовании трех различных типов цветовых фоторецепторов выдержал испытание временем и был в последующем подтвержден на молекулярном уровне. Вновь можно процитировать Гельмгольца, который сравнил восприятие света и звука, цвета и звукового тона. Можно позавидовать ясности, силе и красоте его мысли, особенно в сравнении со сбивающими с толку виталистистическими концепциями, широко распространенными в XIX веке:

Все различия е цветовых тонах зависят от комбинации е различных пропорциях трех основных цветов... красного, зеленого и фиолетового... Подобно тому, как восприятие нани солнечного света и его теплоты зависит... от того, попадают ли лучи солнца на нервы, идущие от рецепторов зрения или от рецепторов тепловой чувствительности. Как предположил Янг в своей гипотезе, различие в восприятии различных цветов зависит просто от того, какой из 3 типов фоторецепторов больше активируется этим светом. Когда все три типа в равной степени возбуждены, получается белый цвет...

Рис. 3. Спектры чувствительности фоторецепторов человека и различных зрительных пигментов. (А) Кривые спектров чувствительности трех цветовых зрительных пигментов, показывающие пики поглощения на длинах волн, соответствующих голубому, зеленому и красному. (В) Спектры чувствительности колбочек к голубому, зеленому и красному цветам, и палочек (показано черным) у макак. Ответы регистрировались при помощи всасывающих электродов, усреднялись и нормализовывались. Кривые спектра палочки были получены при исследовании зрительных пигментов на людях. (С) Сравнение спектров колбочек обезьян и человека при помощи теста чувствительности к цвету. Непрерывная кривая показывает эксперимент по определению чувствительности к цвету у человека, при предъявлении ему света разной длины волны. Пунктиром показаны результаты, предсказанные на основе регистрации токов в отдельных колбочках, после коррекции поглощения света в хрусталике и пигментами на пути к наружному сегменту. Совпадение между результатами обоих опытов удивительно высокое.

Если мы проецируем на белый экран два пучка света различных цветов одновременно... мы видим только один цвет, более или менее отличный от обоих этих цветов. Мы сможем лучше понять выдающийся факт того, что мы способны воспринимать все оттенки в составе внешнего света путем смеси трех основных цветов, если мы сравним глаз сухом... В случае звука... мы слышим более длинные волны как низкие тона, а короткие волны - как высокие и пронзительные, кроме этого ухо способно улавливать одновременно много звуковых волн, т.е. много нот. Однако они β данном случае не сливаются в один сложный аккорд, подобно тому, как различные цвета... сливаются в один сложный цвет. Глаз не может показать разницу, если мы заменяем оранжевый цвет на красный или желтый; но если мы слышим ноты до и ми, звучащие одновременно, нам подобное звучание не кажется нотой ре. Если бы ухо воспринимало музыкальные тона подобно тому, как глаз воспринимает цвета, каждый аккорд мог бы быть представлен комбинацией трех постоянных нот, одной очень низкой, одной очень высокой и одной промежуточной, вызывая все возможные музыкальные эффекты только путем изменений относительной громкости этих трех нот... Однако мы способны видеть плавный переход цветов одного в другой через бесконечное множество оттенков и градаций... То, каким образом мы воспринимаем каждый из цветов... зависит е основном от строения нашей нервной системы. Надо признаться, в настоящее время ни у человека, ни у четвероногих не описана анатомическая база для подтверждения теории восприятия цвета.

Эти точные и дальновидные предсказания были подтверждены серией различных наблюдений. При помощи спектрофотометрии Вальд, Браук, МакНикол и Дартнэл с коллегами показали наличие в сетчатке человека трех типов колбочек с различными пигментами. Также Бейлор с коллегами сумели отвести токи от колбочек обезьян и человека. Было обнаружено, что три популяции колбочек имеют различные, но перекрывающиеся диапазоны чувствительности к голубой, зеленой и красной части спектра. Оптимальные длины волн для возбуждения электрических сигналов в точности совпали с пиками поглощения света зрительными пигментами, установленными при помощи спектрофотометрии и при психофизических экспериментах по измерению чувствительности глаза к цветовому спектру. В конечном итоге Натаисом были клонированы и секвенированы гены, кодирующие пигмент опсин в трех типах колбочек, чувствительных к красному, зеленому и голубому спектру.