Биофизический механизм восприятия света рецепторами

Свет, попавший в глаз, фокусируется при помощи хрусталика на светочувствительных клетках сетчатки - палочках и колбочках. У человека в сетчатке имеется около 6-7 млн колбочек и 110- 125 млн палочек. Палочки и колбочки распределены в сетчатке неравномерно. Центральная ямка сетчатки содержит только колбочки (до 140 тыс. на 1 мм2). По направлению к периферии сетчатки количество колбочек уменьшается, а палочек соответственно возрастает. Периферическая часть сетчатки содержит только палочки. Участок сетчатки глаза, где сосредоточены только колбочки, называется желтым пятном. Место выхода зрительного нерва из глазного яблока - диск зрительного нерва - совсем не содержит фоторецепторов. Это так называемое слепое пятно (рис. 6.27).

Структура органа зрения

Рис. 6.27. Структура органа зрения:

  • 1 -разрез глаза; 2 - колбочки; 3 - палочки (М- скопление митохондрий);
  • 4 - диск наруэ/сного сегмента палочки; 5 - фрагмент мембраны диска со встроенной в нее молекулой родопсина; 6 - хромофорная группировка родопсина - ретиналь: а - 11-цис-ретиналь, б - полностью транс-ретиналь

Колбочки обеспечивают дневное зрение и восприятие цвета, палочки - сумеречное, ночное зрение.

Строение сетчатки человека и позвоночных животных может показаться парадоксальным, так как светочувствительные клетки находятся в заднем слое сетчатки. Прежде чем свет попадет на них, он должен пройти через несколько слоев различных клеток сетчатки. Кроме того, сами палочки и колбочки ориентированы к свету своим внутренним сегментом, не содержащим зрительного пигмента (рис. 6.28). Однако такая организация не снижает существенно чувствительности глаза к свету, так как клетки прозрачны для видимого света.

Абсолютный порог чувствительности зрения человека (т.е. минимальная еще обнаруживаемая величина яркости светового пятна при отсутствии светового фона и в условиях полной темновой адаптации) равен 2,1-5,7 • 10-17 Дж на поверхности роговицы глаза, что соответствует 58-148 квантам сине-зеленого света. Из них только 5-15 квантов поглощаются молекулами зрительного пигмента в палочках сетчатки, а остальные «теряются». По данным некоторых исследователей, например Пинегина, для того чтобы вызвать ощущение света у человека, достаточно, чтобы фоторецепторов достигли 2 фотона. Отдельная палочка возбуждается всего одним квантом света - в связи с этим С.И. Вавилов утверждал, что глаз в своей чувствительности к свету «достиг физического предела».

Диаметр палочки составляет примерно 2 мкм, а длина - примерно 50-60 мкм. Длина наружного сегмента (НС) лежит в пределах примерно 20-30 мкм. Вся цитоплазма НС заполнена своеобразными органеллами, которые называют дисками. Промежутки между ними не превышают 15 нм. В НС каждой палочки содержится от 700 до 1000 дисков, которые напоминают собой сплющенные воздушные шары, сложенные в стопку. Диаметр каждого диска почти соответствует диаметру наружного слоя (~ 2 мкм), а толщина диска составляет 15-18 нм. Его внутреннее пространство представляет собой узкую щель шириной около 1 нм. Эта щель расширяется до нескольких нанометров у краев диска. Таким образом, на внутридисковое содержимое вместе с цитозолем приходится не более половины объема НС, а другую половину занимают мембраны дисков. Следовательно, наружный сегмент буквально нафарширован мембранами, и именно в них осуществляется первичный процесс восприятия света. Поэтому мембрану дисков называют фоторецепторной мембраной.

Молекулярная организация фоторецепторной мембраны у позвоночных и беспозвоночных животных практически одинакова. Подобно всем биомембранам, она состоит из липидов и белков (протеинов). Вместе с тем ей присущи две кардинальные особенности. Во-первых, ее основным белковым компонентом является зрительный пигмент - хромогликопротеид родопсин. Его концентрация достигает 90% общего содержания протеинов в фоторецепторной мембране. Во-вторых, более 40% жирокислотного состава фосфолипидов,

Строение сетчатки

Рис. 6.28. Строение сетчатки

образующих её, приходится на полиненасыщенную докозагексаено- вую кислоту, в составе которой 22 атома углерода. Среди связей между ними 6 двойных. Кроме нее, в состав мембранных фосфолипидов входят и другие полиненасыщенные длинноцепочечные жирные кислоты, содержащие от 1 до 4 двойных связей. Вместе они составляют более половины всех жирнокислотных остатков. Высокая степень ненасыщенное™ жирнокислотных «хвостов» фосфолипидных молекул придает гидрофобному бимолекулярному каркасу фоторецепторной мембраны необычайно высокую подвижность, вследствие чего данная мембрана обладает малой вязкостью по сравнению с другими мембранами.

Первичный механизм возбуждения палочки светом связан со сложными превращениями родопсина в фоторецепторной мембране. Родопсин - это высокомолекулярное соединение, состоящее из двух основных компонентов: альдегида витамина а (ретиналя) и липопротеина под названием опсин (белок глаза). Спектр поглощения родопсина показана на рис. 6.29:

Спектр поглощения родопсина хорошо приспособлен к восприятию света в достаточно широкой области солнечного излучения, но лучше всего этот зрительный пигмент поглощает видимый свет в зеленой части этого спектра (500 нм). Красные и синие лучи он отражает, причем в отраженном свете преобладает красный компонент, хотя присутствует и синий. Поэтому пигмент имеет пурпурный цвет, определивший и его название. Родопсин относится к наиболее интенсивно окрашенным соединениям из всех известных в настоящее время в органической химиии. Степень поглощения фотонов родопсином близка к теоретически возможному значению.

В темноте ретиналь пребывает в 11-цис-форме, для которой характерна некоторая скрученность молекулы. Скрученность объясняется тем, что в планарной форме между близко расположенными метальной группой у углерода (С 13) и водородом у углерода (СЮ) возникает сильное отталкивание. Сила отталкивания не допускает плоского расположения л-связи. Скрученность в молекуле 11— цис-ретиналя обеспечивает наибольшую энергию взаимодействия с опсином, вследствие чего комплекс ретиналя и опсина весьма

Спектр поглощения родопсина. По оси абсцисс - длина волны (к); по оси ординат - оптическая плотность (D)

Рис. 6.29. Спектр поглощения родопсина. По оси абсцисс - длина волны (к); по оси ординат - оптическая плотность (D)

устойчив. Для его разрушения необходимо преобразовать 11-цис-ре- тиналь в другой изомер: в так называемый полностью транс-рети- наль. Такое преобразование из цис- в транс-ретиналь происходит под действием света. Этот процесс называется фотоизомеризацией (рис. 6.27, а, б).

При поглощении фотона (hv) молекула родопсина претерпевает электронный переход «л —> к*», при этом молекула родопсина оказывается в синглетном возбужденном состоянии. Необходимо отметить, что в органических молекулах л-орбитали, которые свойственны основному энергетическому состоянию, являются связывающими, т.е. они стремятся к перекрытию и образованию двойной связи. Напротив, тг*-орбитали, характерные для возбужденного состояния молекулы, относятся к разрыхляющим орбиталям. Их перекрытие энергетически невыгодно. В силу этого части молекулы, соединенные двойной связью с участием тг*-орбитали, разворачиваются на 90°, и двойная связь превращается в ординарную. Поэтому в молекуле ретиналя, возбужденной светом, происходит разворот атомов вокруг двойной связи. Такое измененние пространственного расположения атомов, входящих в состав ретиналя, требует затрат энергии. Эти энергозатраты характеризуются преодолением потенциального барьера. Для разворота атома вокруг двойной связи в 11- цис-ретинале достаточно энергии одного фотона. Для фотоизомеризации достаточно и времени, в течение которого молекула родопсина пребывает в сигнетном возбужденном состоянии («10 9 с), поскольку цис-тран-изомеризация ретиналя происходит всего за 0,1-0,3 пс, квантовый выход фотоизомеризации 11-цис-ретиналя в родопсине достигает 0,7.

Фотоизомеризация - первая и единственная фотохимическая реакция в зрительном акте. Она протекает внутри отдельной молекулы родопсина и, в отличие от фотосинтеза, не сопровождается никакими химическими реакциями. Зрение отличается от фотосинтеза, который происходит в растениях, еще и тем, что между молекулами родопсина невозможен перенос энергии, так как в фоторецепторной мембране молекулы родопсина удалены друг от друга на расстояние около 7 нм. Непосредственным следствием фотоизомеризации, приводящей к появлению у человека ощущения света, служат конформа- ционные перестройки молекулы родопсина. Дело в том, что пространственно 11-цис-ретиналь точно соответствует конфигурации активного центра на опсине. При образовании транс-ретиналя это соответствие (комплементарность) нарушается, в результате чего рети- наль отщепляется от опсина и родопсин обесцвечивается, т.е. претерпевает фотолиз.

Распавшийся родопсин восстанавливается, когда на него прекращает действовать свет. В ходе восстановления транс-ретиналь преобразуется в цис-форму. Такой переход, обратный фотоизомеризации, называется реизомеризацией. У позвоночных животных транс-ретиналь, отщепившись от опсина, поступает в пигментный эпителий сетчатки, где подвергается ферментативным превращениям в 11- цис-ретиналь, который возвращается из пигментного эпителия к фоторецепторам. Каждая палочка ежесуточно синтезирует (8-9) ? 105 молекул родопсина из поступающего в нее 11-цис-ретиналя, который соединяется с опсином. Суточный синтез этого зрительного пигмента в целом оценивается величиной примерно » 2 • 1014 молекул.

Конформационная перестройка родопсина, называющаяся фотоизомеризацией ретиналя, довольно существенна. Естественно, что перестройку сопровождают значительные изменения физико-химических свойств фоторецепторной мембраны, в которую встроен родопсин. Одним из важных последствий этих изменений служит сдвиг мембранного потенциала фоторецепторной клетки.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >