Dom Zdravlje

Vizuelni pigmenti. Rudimentarna zona epiderme kože sastoji se od slojeva. Dnevni i noćni vid

Vizualni pigmenti koncentrirani su u membranama vanjskih segmenata. Svaki štapić sadrži oko 10 8 molekula pigmenta. Oni su organizirani u nekoliko stotina diskretnih diskova (oko 750 u majmunskom štapu) koji nisu povezani s vanjskom membranom. U čunjićima se pigment nalazi u posebnim pigmentnim naborima, koji su nastavak vanjske stanične membrane fotoreceptora. Molekuli pigmenta čine oko 80% svih proteina diska. Vizualni pigmenti su tako gusto upakovani u membrane vanjskog segmenta da razmak između dva molekula vizualnog pigmenta u štapiću ne prelazi 10 nm. Ovo gusto pakovanje povećava vjerovatnoću da će foton svjetlosti koji prolazi kroz sloj fotoreceptorskih ćelija biti uhvaćen. Postavlja se sljedeće pitanje: kako nastaju signali kada svjetlo apsorbiraju vizualni pigmenti?

Apsorpcija svjetlosti vizualnim pigmentima

Događaji koji se dešavaju kada svetlost apsorbuje štap pigment, rodopsin, proučavani su psihofiziološkim, biohemijskim i molekularnim tehnikama. Molekul vizualnog pigmenta sastoji se od dvije komponente: proteina zvanog opsin i hromofora, 11-cis-vitamin A aldehida koji se zove retinal (slika 1). Treba pojasniti da hromofor sadrži hemijsku grupu koja daje boju spoju. Kvantitativne karakteristike apsorpcionog kapaciteta pigmenata proučavane su spektrofotometrijom. Kada je rodopsin, vizuelni pigment štapića, bio osvetljen svetlošću različitih talasnih dužina, najbolje se apsorbovala plavo-zelena svetlost talasne dužine od oko 500 nm. Sličan rezultat je dobijen kada je zasebna šipka osvijetljena pod mikroskopom sa snopovima svjetlosti različitih valnih dužina. Bio je identifikovan zanimljiva zavisnost između spektra apsorpcije rodopsina i naše percepcije sumračne svjetlosti. Kvantitativne psihofizičke studije provedene na ljudima pokazale su da je plavkasto-zelena dnevna svjetlost s talasnom dužinom od oko 500 nm optimalna za percepciju sumračnog svjetla u mraku. Tokom dana, kada su štapovi neaktivni i koriste se samo čunjevi, najosjetljiviji smo na crvenu boju koja odgovara spektru apsorpcije čunjeva (o tome ćemo kasnije).

Kada rodopsin apsorbuje jedan foton, retinal prolazi kroz fotoizomerizaciju i prelazi iz 11-cis u trans konfiguraciju. Ovaj prelaz se dešava veoma brzo: za oko 10-12 sekundi. Nakon toga, proteinski dio pigmenta također prolazi kroz niz transformacijskih promjena, uz formiranje niza međuproizvoda. Jedna konformacija proteinskog dijela, metarodopsin II, najvažnija je za transdukciju signala (o tome ćemo raspravljati kasnije u ovom poglavlju). Slika 2 prikazuje redoslijed događaja tokom izbjeljivanja i regeneracije aktivnog rodopsina. Metahodopsin II se formira u roku od 1 ms. Regeneracija pigmenta nakon njegovog raspada se odvija polako, u roku od nekoliko minuta; To zahtijeva transport retine od fotoreceptora do pigmentnog epitela.

Struktura rodopsina

Na molekularnom nivou, opsin protein se sastoji od 348 aminokiselinskih ostataka, formirajući 7 hidrofobnih zona, od kojih se svaka sastoji od 20-25 aminokiselina, koje čine 7 transmembranskih spirala. N-kraj molekula nalazi se u ekstracelularnom prostoru (tj. unutar diska štapića), a C-kraj se nalazi u citoplazmi.

U mraku, 11-cis-retinal je čvrsto vezan za opsin protein. Hvatanje fotona rezultira izomerizacijom svih cis retinala u trone retinale. U ovom slučaju, opsin all-trons-retinal kompleks brzo se pretvara u metarodo psin II, koji se disocira u opsin i all-trons retinal. Regeneracija rodopsina zavisi od interakcije fotoreceptora i ćelija pigmentnog epitela. Metarhodopsin II uključuje i održava sistem sekundarnog glasnika u aktivnom stanju.

Retinal je povezan sa opsinom preko ostatka lizina koji se nalazi u sedmom transmembranskom segmentu. Opsin pripada porodici proteina sa 7 transmembranskih domena, što takođe uključuje metabotropne neurotransmiterske receptore, kao što su adrenergički i muskarinski receptori. Poput rodopsina, ovi receptori prenose signale sekundarnim glasnicima putem aktivacije G proteina. Rodopsin je iznenađujuće stabilan u mraku. Bayor je izračunao da je za spontanu termičku izomerizaciju molekula rodopsina potrebno oko 3000 godina, ili 10 23 više od fotoizomerizacije.

Vizuelni pigmenti

Struktura rodopsina

Konusi i vid boja

Daltonizam

Književnost

Vizuelni pigmenti

Apsorpcija svjetlosti vizualnim pigmentima

Događaji koji se dešavaju kada svetlost apsorbuje štap pigment, rodopsin, proučavani su psihofiziološkim, biohemijskim i molekularnim tehnikama. Molekul vizualnog pigmenta sastoji se od dvije komponente: proteina zvanog opsin i hromofora, 11-cis-vitamin A aldehida koji se zove retinal (slika 1). Treba pojasniti da hromofor sadrži hemijsku grupu koja daje boju spoju. Kvantitativne karakteristike apsorpcionog kapaciteta pigmenata proučavane su spektrofotometrijom. Kada je rodopsin, vizuelni pigment štapića, bio osvetljen svetlošću različitih talasnih dužina, najbolje se apsorbovala plavo-zelena svetlost talasne dužine od oko 500 nm. Sličan rezultat je dobijen kada je zasebna šipka osvijetljena pod mikroskopom sa snopovima svjetlosti različitih valnih dužina. Utvrđen je zanimljiv odnos između spektra apsorpcije rodopsina i naše percepcije sumračnog svjetla. Kvantitativne psihofizičke studije provedene na ljudima pokazale su da je plavkasto-zelena dnevna svjetlost s talasnom dužinom od oko 500 nm optimalna za percepciju sumračnog svjetla u mraku. Tokom dana, kada su štapovi neaktivni i koriste se samo čunjevi, najosjetljiviji smo na crvenu boju koja odgovara spektru apsorpcije čunjeva (o tome ćemo kasnije).

Struktura rodopsina

Fig.1. Struktura rodopsina kralježnjaka ugrađenog u membranu fotoreceptora. Heliks se lagano zakreće kako bi pokazao lokaciju retine (označeno crnom bojom). C - C-terminus, N - N-terminus.

Fig.2. Blijeđenje rodopsina na svjetlu. U mraku, 11-cis-retinal je čvrsto vezan za opsin protein. Hvatanje fotona rezultira izomerizacijom svih cis retinala u trone retinale. U ovom slučaju, opsin all-trons-retinal kompleks brzo se pretvara u metarodo psin II, koji se disocira u opsin i all-trons retinal. Regeneracija rodopsina zavisi od interakcije fotoreceptora i ćelija pigmentnog epitela. Metarhodopsin II uključuje i održava sistem sekundarnog glasnika u aktivnom stanju.

Konusi i vid boja

Neverovatna istraživanja i eksperimenti koje su izveli Young i Helmholtz u 19. veku privukli su pažnju na veoma važno pitanje o vidu boja, a sami naučnici dali su jasno i precizno objašnjenje ovog fenomena. Njihov zaključak o postojanju tri razne vrste fotoreceptori u boji su izdržali test vremena i naknadno su potvrđeni na molekularnom nivou. Opet, možemo citirati Helmholtza, koji je uporedio percepciju svjetla i zvuka, boje i zvučnog tona. Može se pozavidjeti na jasnoći, snazi i ljepoti njegove misli, posebno u poređenju sa zbunjujućim vitalističkim konceptima koji su bili rašireni u 19. stoljeću:

Sve razlike u tonovima boja zavise od kombinacije u različitim omjerima tri osnovne boje... crvene, zelene i ljubičaste... Kao što percepcija sunčeve svjetlosti i njene topline ovisi... o tome da li sunčevi zraci pogađaju nervi, koji dolaze iz receptora vida ili iz receptora toplinske osjetljivosti. Kao što je Young sugerirao u svojoj hipotezi, razlika u percepciji različitih boja jednostavno ovisi o tome koji od 3 tipa fotoreceptora je više aktiviran tom svjetlošću. Kada su sva tri tipa unutra jednako uzbuđen, ispada belo...

Rice. 3. Spektri osjetljivosti ljudskih fotoreceptora i razni vizuelni pigmenti. (A) Krive spektra osjetljivosti za tri vizualna pigmenta u boji, pokazujući apsorpcione vrhove na valnim dužinama koje odgovaraju plavoj, zelenoj i crvenoj boji. (B) Spektri osjetljivosti čunjeva na plavu, zelenu i crvenu, i štapića (prikazano crnom) kod makaka. Odgovori su zabilježeni korištenjem usisnih elektroda, usrednjeni i normalizirani. Krive spektra štapića su dobijene iz studija vizuelnih pigmenata kod ljudi. (C) Poređenje spektra konusa majmuna i čovjeka korištenjem testa osjetljivosti boja. Kontinuirana kriva prikazuje eksperiment za određivanje osjetljivosti na boje kod ljudi predstavljajući im svjetlost različitih valnih dužina. Isprekidana linija prikazuje rezultate predviđene snimanjem struja u pojedinačnim čunjićima, nakon korekcije za apsorpciju svjetlosti u sočivu i pigmente na putu do vanjskog segmenta. Slaganje između rezultata oba eksperimenta je iznenađujuće visoko.

Ako projektujemo dva snopa svjetlosti različitih boja istovremeno na bijeli ekran... vidimo samo jednu boju, manje-više različitu od obje ove boje. Možemo bolje razumjeti izvanrednu činjenicu da smo sposobni da percipiramo sve nijanse u kompoziciji vanjskog svjetla mješavinom tri osnovne boje, ako uporedimo suhe oči... U slučaju zvuka... čujemo duži talasi kao niski tonovi, a kraći talasi - kao visoki i prodorni, osim toga, uho je sposobno da uhvati više zvučnih talasa u isto vreme, tj. puno bilješki. Međutim, u ovom slučaju se ne spajaju u jedan složen akord, kao što se različite boje... spajaju u jednu složenu boju. Oko ne može uočiti razliku ako zamijenimo narandžasta boja do crvene ili žute; ali ako čujemo note C i E kako zvuče istovremeno, takav zvuk nam se ne čini kao D nota. Ako uho percipira muzičke tonove na isti način na koji oko percipira boje, svaki akord bi mogao biti predstavljen kombinacijom tri konstantne note, jedne vrlo niske, jedne vrlo visoke i jedne između, izazivajući sve moguće muzičke efekte samo promjenama u relativna glasnoća ove tri note... Međutim, u mogućnosti smo da vidimo glatki prelaz boja iz jedne u drugu kroz beskonačan broj nijansi i gradacija... Način na koji percipiramo svaku od boja... zavisi uglavnom na strukturu našeg nervni sistem. Mora se priznati da trenutno anatomska osnova za potvrđivanje teorije percepcije boja nije opisana ni kod ljudi ni kod četveronožaca.

Ova tačna i dalekovidna predviđanja potvrđena su nizom različitih zapažanja. Koristeći spektrofotometriju, Wald, Brauk, McNicol i Dartnall i njihove kolege su pokazali prisustvo tri vrste čunjeva s različitim pigmentima u ljudskoj mrežnjači. Bejlor i njegove kolege su takođe uspeli da skrenu struje sa čunjeva majmuna i ljudi. Utvrđeno je da tri populacije konusa imaju različite, ali preklapajuće opsege osjetljivosti na plavi, zeleni i crveni dio spektra. Optimalne talasne dužine za uzbudljive električne signale tačno su se poklapale sa pikovima apsorpcije svetlosti vizuelnim pigmentima, utvrđenim spektrofotometrijom i psihofizičkim eksperimentima merenjem osetljivosti oka na spektar boja. Na kraju, Natais je klonirala i sekvencirala gene koji kodiraju opsin pigment u tri vrste čunjeva koji su osjetljivi na crveni, zeleni i plavi spektar.

Kako to da su molekuli različitih vizualnih pigmenata u stanju preferencijalno uhvatiti svjetlost određene valne dužine? Ispostavilo se da je rodopsin vizuelni pigment štapića i da sva tri vizuelna pigmenta čunjeva sadrže isti hromofor, 11-cis-retinal. Međutim, sekvence aminokiselina proteinskog dijela pigmenta razlikuju se jedna od druge. Razlike u samo nekoliko aminokiselina objašnjavaju njihovu različitu osjetljivost na spektar.

Daltonizam

Iako jedan tip fotoreceptora nije sposoban da percipira boju sam po sebi, tri tipa čunjića, kao što je prikazano na sl. 4 su već sposobni.

U principu, dvije vrste čunjeva s različitim pigmentima bile bi dovoljne za prepoznavanje boja, ali bi se u ovom slučaju brojne kombinacije valnih dužina percipirale podjednako. Slična situacija nastaje kada osoba pati od sljepoće za boje. Takvi ljudi, kako je pokazao Nathans, imaju genetske defekte koji dovode do odsustva jednog od pigmenata. Sa visina trenutnog stanja nauke, ne možemo a da ne budemo začuđeni koliko lijepo molekularni mehanizmi potvrđuju briljantno i iznenađujuće tačno razmišljanje Younga i Helmholtza.

Rice. 4. "Tamna" struja u štapu. (A) U mraku, joni natrijuma prolaze kroz kationske kanale u vanjskom segmentu štapića, uzrokujući depolarizaciju; Kalcijumovi joni takođe mogu da prođu kroz ove kationske kanale. Strujna petlja prolazi kroz prevlaku štapa zbog činjenice da struja kalijuma teče u vanjskom smjeru u unutrašnjem segmentu membrane. (B) Kada dođe do osvjetljenja vanjskog segmenta, kanali se zatvaraju zbog smanjenja intracelularne koncentracije cGMP-a i štap se hiperpolarizira. Hiperpolarizacija dovodi do smanjenja oslobađanja predajnika. Koncentracije natrijuma, kalija i kalcija održavaju se unutar štapa pomoću posebnih pumpi i ionskih izmjenjivača smještenih u području unutrašnjeg segmenta (crni kružići). U vanjskom segmentu nalaze se i transporteri kalcijuma.

Njihova ideja da se osnovni atributi daltonizma i sljepoće za boje treba pronaći u samim fotoreceptorima potvrđena je direktnim fiziološkim mjerenjima, kao i proučavanjem razlika u strukturi pigmenata na genetskom i proteinskom nivou, potencijal je na nivou od -40 mV, što je daleko od ravnotežnog kalijum potencijala E K, koji iznosi 80 mV.

Rice. 5. Uloga cGMP u otvaranju natrijumskih kanala u spoljašnjem segmentu štapića. Aktivnost pojedinačnih kanala je zabilježena korištenjem patch stezaljke iznutra prema van koja se nalazi u otopini s različitim koncentracijama cGMP. Otvaranje kanala dovodi do skretanja struje naviše. Učestalost otvaranja kanala bila je vrlo niska u kontroli, dodavanje cGMP-a dovelo je do povećanja učestalosti otvaranja jednog kanala, što je direktno ovisilo o koncentraciji cGMP-a.

Dolaznu struju u mraku prenose prvenstveno joni natrijuma koji prate elektrohemijski gradijent kroz kationske kanale vanjskog segmenta. Hiperpolarizacija fotoreceptora pod uticajem svjetlosti uzrokovana je zatvaranjem ovih kanala, što dovodi do pomaka membranskog potencijala prema E K.

Svojstva fotoreceptorskih kanala

Kationski kanali spoljašnjeg segmenta u fiziološkim uslovima imaju odnos provodljivosti jona kalcijuma/natrijuma/kalijuma od 12,5:1,0:0,7 i provodljivost jednog kanala od oko 0,1 pS 21). Budući da je koncentracija natrijuma mnogo veća od koncentracije kalcija, oko 85% dolazne struje dolazi od jona natrijuma. Pokretačka snaga jona kalijuma usmjerena je van ćelije. Kada ioni kalcijuma prolaze kroz kanal, ovi ioni se čvrsto vezuju za zid pora i tako ometaju prolaz drugih jona. Upravo zbog toga uklanjanje kalcija iz vanćelijske sredine dovodi do lakšeg prolaska jona kalija i natrijuma kroz kanale, čija se provodljivost povećava na 25 pS.

Fesenko, Yau, Baylor, Strayer i kolege su pokazali da ciklički GMP igra ulogu unutrašnjeg nosača signala od diska do površine membrane. Kao što je prikazano na slici 4, visoka koncentracija cGMP u citoplazmi drži kationske kanale otvorenim. Kako koncentracija cGMP opada sa unutrašnje površine membrane, otvaranje kationskih kanala postaje rijedak događaj. Dakle, membranski potencijal fotoreceptora je odraz koncentracije cGMP u citoplazmi: što je veća koncentracija cGMP, veća je depolarizacija ćelije. Koncentracija cGMP-a, pak, ovisi o intenzitetu upadne svjetlosti. Povećanje intenziteta svjetlosti dovodi do smanjenja koncentracije cGMP i smanjuje udio otvorenih kanala. U nedostatku cGMP-a, gotovo svi kanali su zatvoreni, a otpor membrane vanjskog segmenta približava se otporu lipidnog dvosloja.

Molekularna struktura cGMP-gaziranih kanala

cDNA je izolovana za jonske kanale vanjskog segmenta štapića, a aminokiselinske sekvence podjedinica ovih kanala određene su u retini ljudi, goveda, miševa i pilića. Pronađena je značajna sličnost DNK za ove i druge cGMP-zavisne jonske kanale - poput onih koji se nalaze u olfaktornom sistemu

Prijenos signala u fotoreceptorima

Kako fotoizomerizacija rodopsina dovodi do promjena u membranskom potencijalu? Dugi niz godina se podrazumijevalo da je potrebna neka vrsta internog glasnika za pobuđivanje električnih signala u štapovima i čunjevima. Jedan od razloga za sumnju da se informacija o apsorpciji fotona u području vanjskog segmenta štapića prenosi pomoću nosača bila je činjenica da se sam pigment rodopsina nalazi unutar diska, a signal se širi kroz citoplazmu do spoljnu membranu. Drugi razlog je bio značajan porast odziva. Baylor i kolege, proučavajući fotoreceptore kornjača, pokazali su da se smanjenje provodljivosti membrane i zabilježenih električnih signala događa čak i pri apsorpciji samo jednog fotona i aktivaciji jednog od 10 8 pigmentnih molekula.

Slijed događaja u kojima aktivirana molekula fotopigmenta mijenja membranski potencijal razjašnjen je proučavanjem vanjskih segmenata štapića i čunjeva korištenjem stezanja potencijala s dvije elektrode i tehnikama molekularne biologije. Dijagram prijenosa signala od apsorpcije fotona svjetlosti do električnog signala prikazan je na Sl. 3.

U mraku, u vanjskim segmentima štapića i čunjeva teče stalna dolazeća „tamna“ struja. Kao rezultat njihovog membranskog sistema. Područja membrane ovih kanala pokazuju strukturne sličnosti sa drugim kation-selektivnim kanalima, posebno u S4 regiji i u području koje formira jonske pore. Jonski kanali fotoreceptora su tetrameri sastavljeni od najmanje 2 različite proteinske podjedinice sa molekularnom masom od 63 i 240 kDa, respektivno.

Intracelularna mjesta vezanja nukleotida nalaze se blizu karboksilnog kraja podjedinica. Ekspresija ovih podjedinica u oocitima rezultira formiranjem katjonskih kanala koji imaju svojstva slična onima u vanjskim segmentima štapića: aktiviraju se cGMP-om i imaju očekivane omjere provodljivosti i permeabilnosti.

Rice. 6. Mehanizam aktivacije G-proteina tokom aktivacije molekula fotopigmenta. G-protein transducin vezuje GTP u prisustvu metarodopsina II, što dovodi do aktivacije fosfodiesteraze, koja zauzvrat hidrolizira cGMP. Kako koncentracija cGMP pada, natrijumski kanali se zatvaraju.

Ciklična GMP metabolička kaskada

Lanac događaja koji dovode do smanjenja koncentracije cGMP i naknadnog zatvaranja jonskih kanala prikazan je na slici 5. Smanjenje intracelularne koncentracije cGMP uzrokovano je svjetlom, što dovodi do stvaranja metarodopsina II, intermedijera u razgradnji fotopigmenta. Metarhodopsin II zauzvrat djeluje na G-protein transducin, koji se sastoji od 3 polipeptidna lanca

Interakcija metarodopsina II i transducina dovodi do zamjene GDP molekula vezanog za G-protein sa GTP. Ovo aktivira podjedinicu G proteina, koja se odvaja od podjedinica i, zauzvrat, aktivira fosfodiesterazu koja se nalazi u membranskoj regiji: enzim koji hidrolizira cGMP. Koncentracija cGMP opada, ima manje otvorenih ionskih kanala i štap se hiperpolarizira. Kaskada je prekinuta fosforilacijom C-terminusa aktivnog metarodopsina II. Ključna uloga cGMP-a u regulaciji stanja katjonskih kanala potvrđena je biohemijskim eksperimentima. Osvetljenje fotoreceptora može izazvati pad nivoa cGMP u ćeliji za 20%.

Receptori kralježnjaka koji se depolariziraju kada su izloženi svjetlosti

Zanimljiv izuzetak od mehanizma fotorecepcije koji je gore dat su neki receptori kičmenjaka. Gušteri imaju treće oko koje se nalazi na vrhu glave. Sadrži male "čušture" koji su sposobni da percipiraju sliku sličnu onoj koju percipiraju glavne (bočne) oči. Ovi fotoreceptori su, međutim, značajni po tome što se depolariziraju kada su osvijetljeni. Nukleotidski vođeni kanali ovdje imaju sličnu strukturu i funkciju kao fotoreceptori drugih kralježnjaka, s jednim izuzetkom: aktivacija fotoreceptora i G proteina dovodi do povećanja koncentracije cGMP. Kao rezultat toga, kanali vanjskog segmenta se otvaraju i kationi se usmjeravaju u ćeliju, tvoreći "laganu" struju. To se događa zbog inhibicije aktivnosti fosfodiesteraze u mraku. Kao rezultat, u gušterovom oku se događa sljedeći niz događaja: svjetlost - [cGMP] - otvaranje katjonskih kanala vanjskog segmenta - depolarizacija.

Pojačanje signala u cGMP kaskadi

Dvostepena cGMP kaskada obezbeđuje značajno povećanje početnog signala, što objašnjava izuzetnu osetljivost štapića na svetlost. Prvo, jedan molekul aktivnog metarodopsina II katalizira dodavanje mnogih GTP molekula umjesto GDP i tako oslobađa stotine podjedinica G proteina. Drugo, svaka podjedinica aktivira jedan molekul fosfodiesteraze u disku, koji je sposoban da razbije ogroman broj cGMP molekula koji se nalazi u citoplazmi i tako dovede do zatvaranja velikog broja kanala.

Signali kao odgovor na pojedinačne kvante svjetlosti

Dokaz da pojedinačni kvanti svjetlosti mogu proizvesti opaženi osjećaj svjetlosti su potaknuli veliki broj pitanja. Koliki je ovaj pojedinačni odgovor? Kako je ovaj signal odvojen od nivoa šuma? I kako se takve informacije pouzdano prenose od mrežnice do viših vidnih centara? Kako bi izmjerili signale kao odgovor na pojedinačne kvante svjetlosti, Baylor i njegove kolege snimili su struje iz pojedinačnih štapića u mrežnjačima žaba, majmuna i ljudi. Ovi eksperimenti predstavljaju jedinstven primjer eksperimenta koji pokazuje kako je to tako težak proces, poput percepcije slabih bljeskova svjetlosti, može biti u korelaciji s promjenama koje se dešavaju na nivou pojedinačnih molekula.

Postupak izolacije fragmenta retine iz životinjskog ili leševnog materijala mora se provesti u mraku za ove eksperimente. Da bi se izmjerila struja, vanjski segment štapa se usisava u tanku pipetu. Kao što se i očekivalo, ovi eksperimenti pokazuju da u mraku struja stalno teče u vanjski segment. Bljeskovi svjetlosti dovode do zatvaranja kanala u vanjskom segmentu, uzrokujući smanjenje "tamne" struje. Amplituda struje je mala i proporcionalna broju apsorbovanih kvanta. Ponekad blic daje jedan odgovor, ponekad dvostruki odgovor, a ponekad nikakav odgovor.

Kod majmunskih štapova, smanjenje struje kao odgovor na apsorpciju jednog fotona je oko 0,5 pA. To odgovara zatvaranju oko 300 kanala, tj. od 3 do 5% svih kanala se otvara u mraku. To se postiže značajnim povećanjem signala u metaboličkom sustavu cGMP kaskada. Štoviše, zbog ekstremne stabilnosti vizualnih pigmenata spomenutih ranije, slučajna izomerizacija i lažno zatvaranje kanala su vrlo rijetki događaji. Ovo uzrokuje da se efekti pojedinačnih kvanta svjetlosti ističu na pozadini vrlo niske konstantne buke. Pokazalo se da električno spajanje kroz spojeve između fotoreceptora pruža dodatni efekat izglađivanja koji smanjuje pozadinsku buku i poboljšava omjer signal-šum reakcija štapa na pojedinačne kvante.

Književnost

1. Finn, J. T., Grunwald, M. E, i Yau, K-W. 1996. Ciklični nukleotidni ionski kanali: proširena porodica sa različitim funkcijama. Annu. Rev. Physiol.58: 395-426.

2. Nakanishi, S., Nakajima, Y., Masu, M., Ueda, Y., Nakahara, K., Watanabe, D., Yamaguchi, S., Kawabata, S., i Okada, M. 1998. Glutamat receptori: funkcija mozga i prijenos signala.

VIZUELNI PIGMENTI(lat. pigmentum paint) - fotosenzitivni pigmenti fotoreceptora retine. Opažajući energiju svetlosnog impulsa, 3. predmeti prolaze kroz složen fotohemijski ciklus. transformacije, kao rezultat kojih odvojeni vizuelni receptor mrežnjače, koji sadrži 3. p. (konus ili štapić), prelazi u pobuđeno stanje i prenosi primljene informacije u centralni nervni sistem duž optičkog živca. n. With. Budući da je glavni strukturni i funkcionalni dio fotoreceptorske membrane vidnih ćelija mrežnjače, 3. p. ključnu ulogu u mehanizmima vida (vidi).

Nomenklatura i struktura vizuelnih pigmenata. Svi proučavani 3.p. kralježnjaka i beskičmenjaka su kompleksi membranskog proteina opsina netopivog u vodi i povezanog hromofora (retinala). Retinal, ili aldehid vitamina A, može postojati u dva oblika - retinal1 i retinal2.

Prema prirodi hromofora, 3. p. se dijele na dvije klase - rodopsine (vidi), koji sadrže retinal1, i porfiropsine, koji sadrže retinal2. Rodopsini se nalaze u retini očiju svih kopnenih i morskih životinja, porfiropsini se nalaze u mrežnjači očiju slatkovodnih životinja. Kod nekih riba i vodozemaca pronađeno je 3. predmeta koji istovremeno sadrže retinal! i retina. Postoje pokušaji da se klasifikuje 3. p. na osnovu razlika u opsinima specifičnim za štapiće ili čunjiće retine. Na primjer, rodopsin je kompleks retinal1 sa štapićastim opsinom, jodopsin je kompleks retinal1 sa opsinom konusa, porfiropsin je kompleks retinal2 sa opsinom štapića, kompleks retinal-konus opsina formira cijanopsin. Međutim, izuzetno je teško klasifikovati 3. p. na osnovu opsina, budući da postoji najmanje pet različitih opsina.

Od svih poznatih 3. p., najpotpunije su proučavani rodopsini izolovani iz očiju bikova, žaba i lignji. Oni kazu težina (masa) je oko 30-40 hiljada, svaki molekul sadrži cca. 400 aminokiselina i jedan hromofor. Osim toga, molekul 3. p. uključuje oligosaharidni lanac: 3 glukozaminska radikala, 2 manoza, 1 galaktoza. Lipidi (uglavnom fosfolipidi) formiraju jak kompleks sa 3.p molekulom. Zadržavajući svoja osnovna spektralna svojstva (vidi spektralnu analizu), 3.p. bez lipida gube niz funkcionalno važnih, na primjer, sposobnost oporavka.

Čista retina ima žuta, maksimum njegovog apsorpcionog spektra leži u području od 370 nm. Opsin je bezbojan, maksimum apsorpcije je u ultraljubičastom području (cca. 280 nm). Boja molekule rodopsina je crvenkasto-ružičasta, maksimalni apsorpcioni spektar je cca. 500 nm. Razlog tako snažnog spektralnog pomaka tokom formiranja kompleksa (od 370 do 500 nm - tzv. batohromski pomak) još nije dobio jednoznačno objašnjenje.

Maksimumi apsorpcionog spektra rodopsina i porfiropsina pokrivaju prilično široku oblast vidljivog spektra - od 433 do 562 nm za rodopsine i od 510 do 543 nm za porfiropsin. Ako se 3. češeri punoglavca žabe, šarana i slatkovodne kornjače također smatraju porfiropsinima, odnosno cijanopsinima s maksimalnim spektrom apsorpcije na 620 nm, onda se ispostavlja da je ovo područje još šire. Razvoj metoda mikrospektrofotometrije omogućio je određivanje apsorpcionih spektra mnogih tipova pojedinačnih fotoreceptorskih ćelija kod životinja i ljudi. Prema dobijenim podacima, 3.p. ljudske retine imaju sledeće maksimume apsorpcionog spektra: štapići 498, čepići osetljivi na plavo, zeleno i crveno - 440, 535 i 575 nm, respektivno.

Proučavanje 3. str je počelo na njemačkom. istraživač H. Muller, koji je 1851. opisao kako ružičasto-ljubičasta mrežnica, izvađena iz oka žabe, postaje žućkasta, a zatim bjelkasta na svjetlu. F. Boll je 1877. godine također opisao ovu pojavu, zaključujući da se u vidnim stanicama mrežnjače nalazi neka vrsta tvari osjetljive na crveno svjetlo i da je promjena boje ove supstance povezana s mehanizmom vida. Velike zasluge za proučavanje 3. tačaka pripadaju Kuhneu (W. Kuhne, 1877), koji je uspio da izoluje 3. tačke i detaljno ih prouči. On je nazvao 3.p. koji je ekstrahovao vizuelno ljubičasto, utvrdio njegovu proteinsku prirodu, istražio neka od njegovih spektralnih svojstava i fototransformacija i otkrio sposobnost 3.p. da se obnovi u mraku. Amer je dao veliki doprinos proučavanju 3. str. biohemičar i fiziolog J. Wald.

Fototransformacije vidnih pigmenata. Kada su 3.p. izloženi svjetlosti, u njima se javlja fotohemijski ciklus. transformacije, koje se zasnivaju na primarnoj fotohemijskoj reakciji cis-trans izomerizacije retine (vidi Izomerizam). U tom slučaju dolazi do prekida veze između hromofora i proteina. Slijed transformacija 3. p. može se predstaviti na sljedeći način: rodopsin (hromofor je u cis obliku) -> prelumirodopsin -> lumirrodopsin -> metarhodopsin I -> metarhodopsin II -> opsin protein -> hromofor u trans obliku. Pod utjecajem enzima - retinol dehidrogenaze - potonji se pretvara u vitamin A, koji dolazi iz vanjskih segmenata štapića i čunjića u ćelije pigmentnog sloja retine. Kada oko potamni, dolazi do regeneracije 3. p., za realizaciju rez je neophodno prisustvo cis-izomera vitamina A, koji služi kao polazni proizvod za formiranje hromofora (vitamin A aldehid). Ako u organizmu postoji manjak ili nedostatak vitamina A, može doći do poremećaja stvaranja rodopsina i, kao posljedica, nastanka poremećaja vida u sumrak, tzv. noćno sljepilo (vidi Hemeralopia). U procesu fototransformacija rodopsina u fazi tranzicije lumirhodopsina u metarodopsin I u receptorskoj ćeliji nastaje kao odgovor na sjajni bljesak tzv. potencijal ranog (kratke latencije) receptora. Međutim, nije vizuelni signal, iako može poslužiti kao jedan od testova za proučavanje mehanizma transformacija 3. p. u membrani fotoreceptora. Funkcionalni značaj je tzv. kasni receptorski potencijal, čiji je latentni period (5-10 ms) uporediv sa vremenom formiranja metarodopsina II. Pretpostavlja se da reakcija tranzicije metarodopsina I u metarodopsin II obezbeđuje pojavu vizuelnog signala.

Budući da su 3. p. kontinuirano obezbojeni na svjetlu, moraju postojati mehanizmi za njihovu stalnu restauraciju. Neki od njih su izuzetno brzi (fotoregeneracija), drugi su prilično brzi (biohemijski, regeneracijski, tamni), treći su spori (sinteza 3. p. tokom stalnog obnavljanja fotoreceptorske membrane u vidnoj ćeliji). Fotoregeneracija je fiziol, važna kod beskičmenjaka (npr. glavonošci- lignje, hobotnica). U mehanizmu biohemije U regeneraciji 3. p. kod kičmenjaka, očito važnu ulogu igra enzim izomeraza (vidi), koji osigurava izomerizaciju trans-retinala (ili trans-vitamina A) ponovo u cis-izomerni oblik. Međutim, konačni dokazi za postojanje takvog enzima još nisu dostupni. Sama reakcija formiranja 3.p.molekula u prisustvu 11-cis-izomera retine i opsina odvija se lako, bez potrošnje energije. Otkrivena je sposobnost izbijeljenog rodopsina da se podvrgne reakciji fosforilacije (vidi); pretpostavlja se da je ova reakcija jedna od karika u mehanizmu svjetlosne adaptacije vidne ćelije.

Bibliografija: Akkerman Yu. Biophysics, trans. sa engleskog, M., 1964; Willie K. i Det e V. Biology, trans. iz engleskog, M., 1974, bibliogr.; Konev S.V. i Volotovsky I.D. Uvod u molekularnu fotobiologiju, str. 61, Minsk, 1971; Ostrovsky M. A. i Fedorovich I. B. Foto-inducirane promjene na membrani fotoreceptora, u knjizi: Struktura i funkcije biola, membrane, ur. A. S. Troshina i dr., str. 224, M., 1975, bibliogr.; Fiziologija senzornih sistema, ur. G.V. Gershuni, dio 1, str. 88, L., 1971; Biohemija i fiziologija vidnih pigmenata, ur. od H. Langera, V. a. o., 1973; Priručnik za senzornu fiziologiju, ur. od H. A. R. Jung a. o., v. 7, pt 1-2, B., 1972.

M. A. Ostrovsky.