Рецепторные потенциалы

Сдвиг мембранного потенциала фоторецепторной клетки, который принято называть рецепторным потенциалом, происходит на ее плазмолемме, тогда как фотоизомеризация родопсина совершается преимущественно во внутриклеточных мембранах, т.е. в мембранных дисках, находящихся в наружном сегменте.

Свойства фоторецепторных мембран изменяются одновременно с конформационной перестройкой в них опсина. Через 1,5-2 мс после поглощения кванта света наблюдается гиперполяризация плаз- молеммы фоторецепторной клетки. Следовательно, в палочке (и колбочке) существует механизм передачи сигнала с фоторецепторных мембран дисков на плазмолемму. В передаче участвует так называемый внутриклеточный посредник. Первоначальная гипотеза относительно природы этого посредника отводила его роль ионам Са. Согласно «кальциевой гипотезе» в ответ на действие света ионы Са выбрасываются изнутри фоторецепторных дисков в цитоплазму наружного сегмента, диффундируют к плазматической мембране и блокируют в ней Ыа+-каналы. В темноте же Са2+ активно «закачивается» из цитоплазмы снова внутрь дисков. Однако опыты Фесенко (1985 г.) показали, что проводимость наружной мембраны палочки не изменяется под действием Са2+, который, следовательно, не является клеточным медиатором в процессе зрительной рецепции. В то же время оказалось, что циклический нуклеотид цГМФ (3', 5' - циклический гуанозин-монофосфат) способен непосредственно открывать натриевые каналы мембраны палочек. В темно-адаптированном рецепторе концентрация цГМФ в цитоплазме наружного сегмента весьма велика, поэтому очевидно, что циклический нуклеотид цГМФ в темноте поддерживает Иа+-каналы в открытом состоянии. Если происходит гидролиз цГМФ (под действием фермента фосфодиэсте- разы ФДЕ), то концентрация цГМФ резко падает, а натриевые каналы переходят в закрытое состояние.

Именно на этом основана роль цГМФ как клеточного медиатора. Изменение его концентрации в наружном сегменте регулирует состояние Ка+-каналов внешней мембраны и, как следствие, величину трансмембранного электрического потенциала палочки. Между световым возбуждением родопсина и гидролизом цГМФ фосфодиэ- стеразой существует сложная многоступенчатая функциональная связь, природа которой установлена в конце 30-х годов благодаря работам целого ряда лабораторий. Было показано, что на свету в наружном сегменте действительно резко уменьшается уровень цГМФ при одновременной активации нескольких сот молекул фермента ФДЕ. Для этого требуется присутствие также ГТФ (гуанозинтрифос- фат), как источника энергии. Фактором, связывающим ГТФ в клетке, является особый G-белок трансдуцин Т, ответственный за активацию ФДЕ. Молекула трансдуцина состоит из трех субъединиц а, Р, у (Та, р, у).

Трансдуцин может также связывать ГДФ (гуанозиндифосфат), но в этом состоянии он не способен активировать ФДЕ. Переход трансдуцина в активное состояние из неактивного происходит при обмене ГДФ на ГТФ, а именно

В образованном комплексе Та, |3, у -ГТФ отщепляется активная а - субъединица трансдуцина Та и связанная с ней молекула ГТФ. Отделенный от Та, (3, у комплекс Т-ГТФ в свою очередь активирует фермент ФДЕ. Активация ФДЕ также основана на разной функциональной роли субъединиц а, (3, у, входящих в состав молекулы фермента, из которых у-субъединица подавляет активность ФДЕ. Именно отщепление у-субъединицы, ингибирующей фермент, приводит его в активное состояние.

Сложная последовательность реакций запускается при фотоизомеризации ретиналя в родопсине и переводе родопсина R в активированное состояние R*. Активированный родопсин мигрирует ла- терально в фоторецепторной мембране, обладающей крайне низкой вязкостью, и образует комплекс с трансдуцином

в которой затем ГДФ замещается на ГТФ

с последующей его диссоциацией

Фрагмент Т-ГТФ активирует непосредственно ФДЕ, «отбирая» у нее у-субъединицу

Последовательность этих событий представлена на рис. 6.30.

Центральное, место в этом каскаде реакций занимает стадия IV (рис. 6.30), где возникает эффект многократного усиления действия кванта света за счет того, что одна активная молекула ФДЕ (а, (3) гидролизует тысячи молекул цГМФ.

Регенерация активированного родопсина R* осуществляется в ходе последовательных реакций его фосфорилирования родопсин-киназой РК с образованием R-пФ, где п - число фосфатных групп (п * 9). R*-пФ связывается с белком S, образуя комплекс R*- пФ • S. В этом состоянии уже не происходит дальнейшая активация G-белка трансдуцина родопсином, который релаксирует из активированного состояния К^пФб1 —» R0-пФS. Окончательная репарация родопсина осуществляется через ~ 30 минут после его дефосфорилирования (фосфатазой) и присоединения новой молекулы 11-цис-ре- тиналя взамен покинувшего родопсин транс-ретиналя.

Вследствие конформационной перестройки молекул родопсина, в фоторецепторной мембране изменяется содержание внутриклеточного посредника в цитозоле наружного сегмента фоторецепторной клетки. Это приводит к закрытию 100-300 натриевых каналов в плазмолемме наружного сегмента, которые в отсутствие светового раздражителя пребывали в открытом состоянии. Они обладают свойствами потениалнезависимых ионных каналов и, будучи управляемыми светом, получили название фотозависимых натриевых каналов. Когда закрываются 100-300 каналов, электропроводность плазмолеммы наружного сегмента падает на 1-3%. Падение мембранной электропроводности приводит к гиперполяризации фоторецепторной клетки. Принято считать, что потенциал покоя фоторецепторной клетки генерируется в темноте на плазмолемме внутреннего сегмента. В темноте потенциал покоя палочки (колбочки) составляет примерно от -20 до —40 мВ, хотя по расчету он по модулю должен быть примерно вдвое больше.

Причина расхождений расчетной и измеряемой величин заключается в том, что в системе генерации рецепторного потенциала плаз- молемма наружного сегмента выполняет роль шунта с переменной электропроводностью. Электропроводность регулируется (управляется) светом при помощи фотозависимых натриевых каналов. Когда

Каскад реакций, лежащих в основе зрительной рецепции

Рис. 6.30. Каскад реакций, лежащих в основе зрительной рецепции:

I - поглощение кванта света активирует родопсин R*, который затем реагирует с белком-трансдуцином Т; II - происходит замена ГДФ на ГТФ в а-субьединице Та трансдуципа; III - отщепленная Та-ГТФ активирует фосфодиэстеразу ФДЕ, отщепляя ее у-субъединицу; IV- активированная ФДЕ гидролизует тысячи молекул цГМФ. Через некоторое время ГТФ в а-субъединице Та расщепляется и превращается в ГДФ, Та-ГДФ присоединяется к 7]3у. Трансдуцин и ФДЕ восстанавливаются. Родопсин R* инактивируется и регенерирует в исходное состояние

все натриевые каналы плазматической мембраны наружного сегмента одной палочки оказываются заблокированными светом, удельное поверхностное сопротивление этой мембраны достигает величины «10Юм/см2. В темноте ионный ток, входящий через каналы в цитоплазму, довольно значителен и составляет примерно 40 пА, а при освещении сетчатки он блокируется, при этом степень его ослабления зависит от интенсивности света. Чем слабее натриевый ток через плазматическую мембрану наружного сегмента, тем больше выражена гиперполяризация в фоторецепторной клетке. Изменение потенциала палочки или колбочки (U) во времени показано на рис. 6.31:

Рецепторные потенциалы одиночной палочки, возникающие в ответ на короткие (10 мс) вспышки света при трех разных интенсивностях света

Рис. 6.31. Рецепторные потенциалы одиночной палочки, возникающие в ответ на короткие (10 мс) вспышки света при трех разных интенсивностях света: I/, I2,13 — интенсивность света; чем больше 1, тем больше гиперполяризация, U >12 >13

При поглощении одного фотона (hv) гиперполяризация фоторецепторов разных представителей животного мира неодинакова. Так, в палочках сетчатки позвоночных животных гиперполяризация составляет десятки и сотни мкВ, тогда как в фоторецепторных клетках членистоногих она достигает 10 мВ. Приведенные числа подтверждают положение об усилении сигнала в рецепторных аппаратах. Действительно, квант света, несущий энергию ~ 4- 10 19 Дж, вызывает фотолиз только одной молекулы родопсина, что, в свою очередь, приводит к закрытию в плазмолемме фоторецепторной клетки позвоночных животных 100-300 натриевых каналов. Это приводит к образованию рецепторного потенциала, энергия которого на 3 порядка превосходит энергию вызвавшего его фотона.

Амплитуда рецепторного потенциала (РП) возрастает при повышении интенсивности света, падающего на сетчатку, причем в пределах 1 000-кратного изменения интенсивности эта зависимость имеет логарифмический характер:

где к - коэффициент пропорциональности; /„ - интенсивность последующего воздействия света; 1п_, - интенсивность предыдущего воздействия света.

При ярком освещении амплитуда рецепторного потенциала может достигать 25 мВ. Величина РП зависит также и от длины волны света. Фоторецепторные клетки в ответ на зеленый свет (А, = 500 нм) генерируют наибольший РП. Среди колбочек выделено 3 типа: 1) дает максимальный ответ РП на синий цвет; 2) дает максимальный ответ РП на зеленый цвет; 3) дает максимальный ответ РП на красный цвет.

Использование микроэлектронной техники для изучения реакции фоторецепторов на облучение светом позволило обнаружить деполяризацию фоторецепторов, при этом деполяризация предшествует гиперполяризации. Амплитуда деполяризации очень мала и составляет примерно 0,1 мкВ. Учитывая временные соотношения де- и гиперполяризации, первую из них стали называть ранним, а вторую - поздним РП и обозначили соответственно, РРП и ПРП. Однако позднее установили, что РРП обусловлен перемещениями электрических диполей в мембранах дисков наружного сегмента. Эти перемещения диполей связаны с фотолизом молекул родопсина. Другими словами, РРП обусловлен током смещения в фоторецепторных мембранах и он не служит промежуточным звеном передачи сигналов к синаптической зоне фоторецептора при действии света. В отличие от других рецепторных аппаратов, где таким звеном служат деполяризационные сдвиги мембранного потенциала, в фоторецепторах эту функцию выполняет гиперполяризация. Таким образом, только поздний РП является истинным рецепторным потенциалом (в полном значении этого термина).

РП, возникнув в наружном сегменте, распространяется к синаптической зоне палочки или колбочки по закону электротонической передачи (с декрементом). При этом постоянная длины плазмолеммы фоторецепторной клетки, по которой «движется» с затуханием волна гиперполяризации, достигает 10 мкм. Достигнув синаптической зоны, гиперполяризация изменяет свойства ее мембраны и инициирует ме- диаторную систему, обеспечивая передачу сигнала к биполярному нейрону. Химическая природа медиатора, выделяемого фоторецепторной клеткой, пока еще неизвестна точно, однако наиболее вероятными кандидатами на эту роль признаются глутамат и аспартат. Обе аминокислоты обладают деполяризующим действием на постсинаптическую мембрану, но при облучении сетчатки светом биполярные нейроны испытывают гипреполяризацию. Принято считать, что фоторецепторной клетке в темноте свойствен определенный темп выделения деполяризующего медиатора (глутамата или аспартата), а гиперполяризация синаптической зоны при освещении замедляет темп выброса медиатора, вследствие чего постсинаптические мембраны, принадлежащие биполярным нейронам, не деполяризуются, а гипер- поляризуются. Гиперполяризационный сдвиг мембранного потенциала биполярного нейрона электротонически распространяется по его плазмолемме к синапсу на теле третьего нейрона, который также находится в сетчатке. Медиатор, поступающий от биполярного нейрона к ганглиозной (мультиполярной) клетке, вызывает ее деполяризацию. Деполяризационный сдвиг потенциала распределяется электротонически с тела по аксонам ганглиозной клетки. Плазматическая мембрана аксона ганглиозной клетки (аксолемма) обладает возбудимостью, благодаря чему там формируется потенициал действия, когда деполяризация участка аксолеммы, в котором есть потениалзависимые ионные каналы, достигает порогового уровня. Потенциалы действия, неся информацию от фоторецепторов, поступают в центральную нервную систему по волокнам зрительного нерва. Эти волокна представляют собой аксоны ганглиозных клеток сетчатки. Схематически передача поздних рецепторных потенциалов по сетчатке показана на рис. 6.32.

Зрительный нерв включает примерно 106 волокон. По этим волокнам в мозг направляются сигналы от 1,3 • 108 фоторецепторов. Следовательно, в среднем один аксон ганглиозной клетки собирает информацию от множества рецепторных клеток. Все фоторецепторы, посылающие сигналы к одной ганглиозной клетке, составляют ее рецептивное поле. Рецептивное поле, образованное палочками, содержит гораздо больше фоторецепторов, чем колбочковое рецепторное поле. Каждая колбочка, находящаяся в центральной ямке желтого пятна сетчатки, связана только с одной ганглиозной клеткой. Другими словами, рецептивное поле ганглиозной (мультиполярной)

Схема передачи фоторецепторного сигнала по афферентному пути в пределах сетчатки

Рис. 6.32. Схема передачи фоторецепторного сигнала по афферентному пути в пределах сетчатки:

РП - рецепторный потенциал; ПД - потенциал действия

клетки включает только одну колбочку. С этим связана наилучшая разрешающая способность центрального колбочкового зрения. Другие ганглиозные клетки получают сигналы больше, чем от одного фоторецептора. Существуют такие ганглиозные клетки, каждая из которых собирает сигналы от сотен и даже тысяч палочек. Следовательно, рецептивные поля сетчатки весьма разнообразны.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >