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Pigments visuels. La zone rudimentaire de l'épiderme de la peau est constituée de couches. Vision de jour et de nuit

Les pigments visuels sont concentrés dans les membranes des segments externes. Chaque bâtonnet contient environ 10 8 molécules de pigment. Ils sont organisés en plusieurs centaines de disques discrets (environ 750 dans une tige de singe) qui ne sont pas reliés à la membrane externe. Dans les cônes, le pigment est situé dans des plis pigmentaires spéciaux, qui prolongent la membrane cellulaire externe du photorécepteur. Les molécules pigmentaires représentent environ 80 % de toutes les protéines du disque. Les pigments visuels sont si densément emballés dans les membranes du segment externe que la distance entre deux molécules de pigment visuel dans un bâtonnet ne dépasse pas 10 nm. Cet emballage dense augmente la probabilité qu'un photon de lumière traversant une couche de cellules photoréceptrices soit capturé. La question suivante se pose : comment les signaux apparaissent-ils lorsque la lumière est absorbée par les pigments visuels ?

Absorption de la lumière par les pigments visuels

Les événements qui se produisent lorsque la lumière est absorbée par le pigment en bâtonnet, la rhodopsine, ont été étudiés à l'aide de techniques psychophysiologiques, biochimiques et moléculaires. La molécule du pigment visuel est constituée de deux composants : une protéine appelée opsine et un chromophore, un aldéhyde 11-cis-vitamine A appelé rétinal (Figure 1). Il convient de préciser que le chromophore contient un groupe chimique qui donne de la couleur au composé. Les caractéristiques quantitatives de la capacité d'absorption des pigments ont été étudiées par spectrophotométrie. Lorsque la rhodopsine, le pigment visuel des bâtonnets, était éclairée par une lumière de différentes longueurs d'onde, la lumière bleu-vert d'une longueur d'onde d'environ 500 nm était mieux absorbée. Un résultat similaire a été obtenu lorsqu’une tige séparée a été éclairée au microscope avec des faisceaux de lumière de différentes longueurs d’onde. A été identifié dépendance intéressante entre le spectre d'absorption de la rhodopsine et notre perception de la lumière crépusculaire. Des études psychophysiques quantitatives réalisées sur des humains ont montré que la lumière du jour vert bleuâtre avec une longueur d'onde d'environ 500 nm est optimale pour la perception de la lumière crépusculaire dans l'obscurité. Pendant la journée, lorsque les bâtonnets sont inactifs et que seuls les cônes sont utilisés, nous sommes plus sensibles à la couleur rouge qui correspond au spectre d'absorption des cônes (nous en reparlerons plus tard).

Lorsque la rhodopsine absorbe un photon, la rétine subit une photoisomérisation et passe de la configuration 11-cis à la configuration trans. Cette transition se produit très rapidement : en 10 à 12 secondes environ. Après cela, la partie protéique du pigment subit également une série de changements de transformation, avec formation d'un certain nombre de produits intermédiaires. Une conformation du fragment protéique, la métarhodopsine II, est la plus importante pour la transduction du signal (nous en discuterons plus tard dans ce chapitre). La figure 2 montre la séquence d'événements au cours du blanchiment et de la régénération de la rhodopsine active. La métarhodopsine II se forme en 1 ms. La régénération du pigment après sa décomposition se produit lentement, en quelques minutes ; Cela nécessite le transport du rétinien des photorécepteurs vers l'épithélium pigmentaire.

La structure de la rhodopsine

Au niveau moléculaire, la protéine opsine est constituée de 348 résidus d'acides aminés, formant 7 zones hydrophobes, chacune composée de 20 à 25 acides aminés, constituant 7 hélices transmembranaires. L’extrémité N de la molécule est située dans l’espace extracellulaire (c’est-à-dire à l’intérieur du disque en bâtonnet) et l’extrémité C est située dans le cytoplasme.

Dans l’obscurité, le 11-cis-rétinien est étroitement lié à la protéine opsine. La capture de photons entraîne l'isomérisation de tout le cis rétinien en trone rétinien. Dans ce cas, le complexe opsine tout-trons-rétinien se transforme rapidement en métarodo psine II, qui se dissocie en opsine et tout-trons rétiniens. La régénération de la rhodopsine dépend de l'interaction des photorécepteurs et des cellules de l'épithélium pigmentaire. La métarhodopsine II active et maintient le système messager secondaire dans un état actif.

Le rétinien est connecté à l'opsine via un résidu lysine situé dans le septième segment transmembranaire. L'opsine appartient à une famille de protéines à 7 domaines transmembranaires, qui comprend également des récepteurs de neurotransmetteurs métabotropiques, tels que les récepteurs adrénergiques et muscariniques. Comme la rhodopsine, ces récepteurs transmettent des signaux aux seconds messagers via l’activation de la protéine G. La rhodopsine est étonnamment stable dans l’obscurité. Bayor a calculé que l'isomérisation thermique spontanée d'une molécule de rhodopsine nécessite environ 3 000 ans, soit 10 23 de plus que la photoisomérisation.

Pigments visuels

La structure de la rhodopsine

Cônes et vision des couleurs

Daltonisme

Littérature

Pigments visuels

Absorption de la lumière par les pigments visuels

Les événements qui se produisent lorsque la lumière est absorbée par le pigment en bâtonnet, la rhodopsine, ont été étudiés à l'aide de techniques psychophysiologiques, biochimiques et moléculaires. La molécule du pigment visuel est constituée de deux composants : une protéine appelée opsine et un chromophore, un aldéhyde 11-cis-vitamine A appelé rétinal (Figure 1). Il convient de préciser que le chromophore contient un groupe chimique qui donne de la couleur au composé. Les caractéristiques quantitatives de la capacité d'absorption des pigments ont été étudiées par spectrophotométrie. Lorsque la rhodopsine, le pigment visuel des bâtonnets, était éclairée par une lumière de différentes longueurs d'onde, la lumière bleu-vert d'une longueur d'onde d'environ 500 nm était mieux absorbée. Un résultat similaire a été obtenu lorsqu’une tige séparée a été éclairée au microscope avec des faisceaux de lumière de différentes longueurs d’onde. Une relation intéressante a été identifiée entre le spectre d’absorption de la rhodopsine et notre perception de la lumière crépusculaire. Des études psychophysiques quantitatives réalisées sur des humains ont montré que la lumière du jour vert bleuâtre avec une longueur d'onde d'environ 500 nm est optimale pour la perception de la lumière crépusculaire dans l'obscurité. Pendant la journée, lorsque les bâtonnets sont inactifs et que seuls les cônes sont utilisés, nous sommes plus sensibles à la couleur rouge qui correspond au spectre d'absorption des cônes (nous en reparlerons plus tard).

Lorsque la rhodopsine absorbe un photon, la rétine subit une photoisomérisation et passe de la configuration 11-cis à la configuration trans. Cette transition se produit très rapidement : en 10 à 12 secondes environ. Après cela, la partie protéique du pigment subit également une série de changements de transformation, avec formation d'un certain nombre de produits intermédiaires. Une conformation du fragment protéique, la métarhodopsine II, est la plus importante pour la transduction du signal (nous en discuterons plus loin dans ce chapitre). La figure 2 montre la séquence d'événements au cours du blanchiment et de la régénération de la rhodopsine active. La métarhodopsine II se forme en 1 ms. La régénération du pigment après sa décomposition se produit lentement, en quelques minutes ; Cela nécessite le transport du rétinien des photorécepteurs vers l'épithélium pigmentaire.

La structure de la rhodopsine

Fig. 1. Structure de la rhodopsine vertébrée intégrée dans la membrane photoréceptrice. L'hélice est légèrement tournée pour montrer l'emplacement de la rétine (indiqué en noir). C - C-terminal, N - N-terminal.

Fig.2. Décoloration de la rhodopsine à la lumière. Dans l’obscurité, le 11-cis-rétinien est étroitement lié à la protéine opsine. La capture de photons entraîne l'isomérisation de tout le cis rétinien en trone rétinien. Dans ce cas, le complexe opsine tout-trons-rétinien se transforme rapidement en métarodo psine II, qui se dissocie en opsine et tout-trons rétiniens. La régénération de la rhodopsine dépend de l'interaction des photorécepteurs et des cellules de l'épithélium pigmentaire. La métarhodopsine II active et maintient le système messager secondaire dans un état actif.

Cônes et vision des couleurs

Les recherches et expériences étonnantes réalisées par Young et Helmholtz au 19ème siècle ont attiré l'attention sur des sujets très problème important sur la vision des couleurs, et les scientifiques eux-mêmes ont donné une explication claire et précise de ce phénomène. Leur conclusion sur l'existence de trois divers types Les photorécepteurs couleur ont résisté à l’épreuve du temps et ont ensuite été confirmés au niveau moléculaire. On peut encore citer Helmholtz, qui a comparé la perception de la lumière et du son, de la couleur et de la tonalité sonore. On peut envier la clarté, la force et la beauté de sa pensée, surtout en comparaison avec les concepts vitalistes déroutants qui étaient répandus au XIXe siècle :

Toutes les différences de tons de couleur dépendent de la combinaison dans des proportions différentes des trois couleurs primaires... rouge, vert et violet... Tout comme la perception de la lumière du soleil et de sa chaleur dépend... du fait que les rayons du soleil frappent ou non la nerfs, provenant des récepteurs de la vision ou des récepteurs de la sensibilité thermique. Comme Young l'a suggéré dans son hypothèse, la différence dans la perception des différentes couleurs dépend simplement de celui des 3 types de photorécepteurs qui est le plus activé par cette lumière. Lorsque les trois types sont présents également excité, il s'avère blanc...

Riz. 3. Spectres de sensibilité des photorécepteurs humains et divers pigments visuels. (A) Courbes de spectres de sensibilité de trois pigments visuels de couleur, montrant des pics d’absorption aux longueurs d’onde correspondant au bleu, au vert et au rouge. (B) Spectres de sensibilité des cônes au bleu, au vert et au rouge, et des bâtonnets (représentés en noir) chez les macaques. Les réponses ont été enregistrées à l'aide d'électrodes d'aspiration, moyennées et normalisées. Les courbes du spectre des bâtonnets ont été obtenues à partir d'études sur les pigments visuels chez l'homme. (C) Comparaison des spectres de singes et de cônes humains à l’aide d’un test de sensibilité aux couleurs. La courbe continue montre une expérience visant à déterminer la sensibilité aux couleurs chez les humains en leur présentant une lumière de différentes longueurs d'onde. La ligne pointillée montre les résultats prédits à partir de l’enregistrement des courants dans des cônes individuels, après correction de l’absorption de la lumière dans la lentille et des pigments sur le chemin vers le segment externe. L’accord entre les résultats des deux expériences est étonnamment élevé.

Si on projette simultanément deux faisceaux de lumière de couleurs différentes sur un écran blanc... on ne voit qu'une seule couleur, plus ou moins différente de ces deux couleurs. On comprend mieux le fait remarquable que nous sommes capables de percevoir toutes les nuances de la composition de la lumière extérieure par un mélange des trois couleurs primaires, si l'on compare l'oeil sec... Dans le cas du son... on entend des ondes plus longues comme des tons graves et des ondes plus courtes - aussi hautes et perçantes, de plus, l'oreille est capable de capter plusieurs ondes sonores en même temps, c'est-à-dire beaucoup de notes. Cependant, dans ce cas, elles ne fusionnent pas en un seul accord complexe, tout comme différentes couleurs... fusionnent en une seule couleur complexe. L'œil ne peut pas faire la différence si nous remplaçons couleur orange au rouge ou au jaune ; mais si nous entendons les notes C et E sonner simultanément, un tel son ne nous semble pas être une note D. Si l'oreille percevait les sons musicaux de la même manière que l'œil perçoit les couleurs, chaque accord pourrait être représenté par une combinaison de trois notes constantes, une très basse, une très haute et une entre les deux, provoquant tous les effets musicaux possibles uniquement par des changements de l'intensité relative de ces trois notes... Cependant, nous sommes capables de constater une transition douce des couleurs de l'une à l'autre à travers un nombre infini de nuances et de dégradés... La façon dont nous percevons chacune des couleurs... dépend principalement sur la structure de notre système nerveux. Il faut admettre qu'à l'heure actuelle, la base anatomique permettant de confirmer la théorie de la perception des couleurs n'a été décrite ni chez l'homme ni chez les quadrupèdes.

Ces prédictions précises et clairvoyantes ont été confirmées par une série d’observations différentes. En utilisant la spectrophotométrie, Wald, Brauk, McNicol et Dartnall et leurs collègues ont montré la présence de trois types de cônes avec des pigments différents dans la rétine humaine. Baylor et ses collègues ont également réussi à détourner les courants des cônes des singes et des humains. Il a été constaté que les trois populations de cônes avaient des plages de sensibilité distinctes mais qui se chevauchaient aux parties bleues, vertes et rouges du spectre. Les longueurs d'onde optimales pour exciter les signaux électriques coïncidaient exactement avec les pics d'absorption de la lumière par les pigments visuels, établis à l'aide de spectrophotométrie et d'expériences psychophysiques mesurant la sensibilité de l'œil au spectre des couleurs. Finalement, Natais a cloné et séquencé les gènes codant pour le pigment opsine dans trois types de cônes sensibles au spectre rouge, vert et bleu.

Comment se fait-il que les molécules de différents pigments visuels soient capables de capter préférentiellement la lumière d’une certaine longueur d’onde ? Il s’avère que la rhodopsine est le pigment visuel des bâtonnets et que les trois pigments visuels des cônes contiennent le même chromophore, 11-cis-rétinien. Cependant, les séquences d'acides aminés de la partie protéique du pigment diffèrent les unes des autres. Les différences dans quelques acides aminés seulement expliquent leur sensibilité différente au spectre.

Daltonisme

Bien qu'un type de photorécepteur ne soit pas capable de percevoir la couleur à lui seul, les trois types de cônes, comme le montre la Fig. 4 en sont déjà capables.

En principe, deux types de cônes avec des pigments différents suffiraient pour la reconnaissance des couleurs, mais dans ce cas, plusieurs combinaisons de longueurs d'onde seraient perçues de manière égale. Une situation similaire se produit lorsqu'une personne souffre de daltonisme. Ces personnes, comme l'a montré Nathans, présentent des défauts génétiques qui conduisent à l'absence de l'un des pigments. Du haut de l’état actuel de la science, nous ne pouvons nous empêcher d’être étonnés de voir à quel point les mécanismes moléculaires confirment magnifiquement la pensée brillante et étonnamment précise de Young et Helmholtz.

Riz. 4. Courant « sombre » dans la tige. (A) Dans l’obscurité, les ions sodium traversent les canaux cationiques situés dans le segment externe des bâtonnets, provoquant une dépolarisation ; Les ions calcium sont également capables de traverser ces canaux cationiques. La boucle de courant traverse l'isthme de la tige du fait que le courant potassique circule vers l'extérieur dans le segment interne de la membrane. (B) Lorsque l’éclairage du segment externe se produit, les canaux se ferment en raison d’une diminution de la concentration intracellulaire de GMPc et la tige s’hyperpolarise. L'hyperpolarisation entraîne une diminution de la libération de l'émetteur. Les concentrations de sodium, de potassium et de calcium sont maintenues à l'intérieur de la tige par des pompes spéciales et des échangeurs d'ions situés dans la zone du segment interne (cercles noirs). Les transporteurs de calcium sont également situés dans le segment externe.

Leur idée selon laquelle les attributs fondamentaux de la vision des couleurs et du daltonisme devraient être trouvés dans les photorécepteurs eux-mêmes a été confirmée par des mesures physiologiques directes, ainsi que par l'étude des différences dans la structure des pigments aux niveaux génétique et protéique. de -40 mV, ce qui est loin du potentiel potassique d'équilibre E K, qui est de 80 mV.

Riz. 5. Le rôle du GMPc dans l'ouverture des canaux sodiques dans le segment externe des bâtonnets. L'activité de canaux uniques a été enregistrée à l'aide d'un patch-clamp inversé situé dans une solution contenant différentes concentrations de GMPc. L'ouverture du canal entraîne une déviation vers le haut du courant. La fréquence d'ouverture des canaux était très faible dans le contrôle ; l'ajout de GMPc a entraîné une augmentation de la fréquence d'ouverture d'un canal unique, qui dépendait directement de la concentration de GMPc.

Le courant entrant dans l’obscurité est transporté principalement par les ions sodium qui suivent le gradient électrochimique à travers les canaux cationiques du segment externe. L'hyperpolarisation du photorécepteur sous l'influence de la lumière est provoquée par la fermeture de ces canaux, ce qui entraîne un déplacement du potentiel membranaire vers E K.

Propriétés des canaux photorécepteurs

Les canaux cationiques du segment externe, dans des conditions physiologiques, ont un rapport de conductance des ions calcium/sodium/potassium de 12,5 : 1,0 : 0,7 et une conductance à canal unique d'environ 0,1 pS 21). La concentration en sodium étant bien supérieure à la concentration en calcium, environ 85 % du courant entrant provient des ions sodium. La force motrice des ions potassium est dirigée vers l’extérieur de la cellule. Lorsque les ions calcium traversent le canal, ces ions se lient fermement à la paroi des pores et interfèrent ainsi avec le passage des autres ions. C'est pour cette raison que l'élimination du calcium du milieu extracellulaire conduit à un passage plus facile des ions potassium et sodium à travers les canaux dont la conductivité augmente jusqu'à 25 pS.

Fesenko, Yau, Baylor, Strayer et leurs collègues ont montré que le GMP cyclique joue le rôle de porteur de signal interne du disque à la surface de la membrane. Comme le montre la figure 4, une concentration élevée de GMPc dans le cytoplasme maintient les canaux cationiques ouverts. À mesure que la concentration de GMPc diminue à partir de la surface interne de la membrane, l’ouverture des canaux cationiques devient un événement rare. Ainsi, le potentiel membranaire des photorécepteurs est le reflet de la concentration de GMPc dans le cytoplasme : plus la concentration de GMPc est élevée, plus la dépolarisation de la cellule est importante. La concentration de GMPc, quant à elle, dépend de l’intensité de la lumière incidente. L'augmentation de l'intensité lumineuse entraîne une diminution de la concentration de GMPc et réduit la proportion de canaux ouverts. En l’absence de GMPc, presque tous les canaux sont fermés et la résistance de la membrane du segment externe se rapproche de celle de la bicouche lipidique.

Structure moléculaire des canaux dépendants du GMPc

L'ADNc a été isolé pour les canaux ioniques du segment externe des bâtonnets et les séquences d'acides aminés des sous-unités de ces canaux ont été déterminées dans la rétine des humains, des bovins, des souris et des poulets. Une similarité significative de l'ADN a été trouvée pour ces canaux ioniques et pour d'autres canaux ioniques dépendants du GMPc, tels que ceux trouvés dans le système olfactif.

Transmission du signal dans les photorécepteurs

Comment la photoisomérisation de la rhodopsine entraîne-t-elle des modifications du potentiel membranaire ? Pendant de nombreuses années, on a compris qu'une sorte de messager interne était nécessaire pour exciter des signaux électriques dans les bâtonnets et les cônes. L'une des raisons de soupçonner que les informations sur l'absorption des photons dans la région du segment externe du bâtonnet sont transmises à l'aide d'un support était le fait que le pigment de rhodopsine lui-même est situé à l'intérieur du disque et que le signal se propage à travers le cytoplasme jusqu'à la membrane externe. La deuxième raison était l’augmentation significative des réponses. Baylor et ses collègues, étudiant les photorécepteurs des tortues, ont montré qu'une diminution de la conductivité membranaire et des signaux électriques enregistrés se produit même avec l'absorption d'un seul photon et l'activation de l'une des 10 8 molécules de pigment.

La séquence d'événements dans lesquels une molécule de photopigment activée modifie le potentiel membranaire a été élucidée en étudiant les segments externes des bâtonnets et des cônes à l'aide de techniques de serrage de potentiel à deux électrodes et de techniques de biologie moléculaire. Le diagramme de transmission du signal depuis l’absorption d’un photon de lumière jusqu’au signal électrique est illustré à la Fig. 3.

Dans l’obscurité, un courant « sombre » entrant constant circule dans les segments externes des bâtonnets et des cônes. Grâce à leur système de membrane. Les régions membranaires de ces canaux présentent des similitudes structurelles avec d'autres canaux sélectifs pour les cations, notamment dans la région S4 et dans la région formant le pore ionique. Les canaux ioniques photorécepteurs sont des tétramères composés d'au moins 2 sous-unités protéiques différentes avec des masses moléculaires de 63 et 240 kDa, respectivement.

Les sites de liaison nucléotidiques intracellulaires sont situés près de l’extrémité carboxyle des sous-unités. L'expression de ces sous-unités dans les ovocytes aboutit à la formation de canaux cationiques qui ont des propriétés similaires à celles trouvées dans les segments externes des bâtonnets : ils sont activés par le GMPc et ont les rapports conductance-perméabilité attendus.

Riz. 6. Le mécanisme d'activation de la protéine G lors de l'activation d'une molécule photopigmentaire. La transducine de la protéine G se lie au GTP en présence de métarhodopsine II, ce qui conduit à l'activation de la phosphodiestérase, qui à son tour hydrolyse le GMPc. À mesure que la concentration de GMPc diminue, les canaux sodiques se ferment.

La cascade métabolique cyclique du GMP

La chaîne d'événements conduisant à une diminution de la concentration de GMPc et à la fermeture ultérieure des canaux ioniques est représentée sur la figure 5. La diminution de la concentration intracellulaire de GMPc est provoquée par la lumière, conduisant à la formation de métarhodopsine II, un intermédiaire dans la dégradation du photopigment. La métharhodopsine II agit à son tour sur la transducine, protéine G, constituée de 3 chaînes polypeptidiques.

L'interaction de la métarhodopsine II et de la transducine conduit au remplacement de la molécule GDP liée à la protéine G par le GTP. Cela active la sous-unité de la protéine G, qui se sépare des sous-unités et, à son tour, active la phosphodiestérase située dans la région membranaire : une enzyme qui hydrolyse le GMPc. La concentration de GMPc diminue, il y a moins de canaux ioniques ouverts et le bâtonnet s'hyperpolarise. La cascade est interrompue par la phosphorylation de l'extrémité C-terminale de la métarhodopsine II active. Le rôle clé du GMPc dans la régulation de l'état des canaux cationiques a été confirmé par des expériences biochimiques. L'éclairage des photorécepteurs peut provoquer une baisse de 20 % des niveaux de GMPc dans la cellule.

Récepteurs vertébrés qui se dépolarisent lorsqu'ils sont exposés à la lumière

Une exception intéressante au mécanisme de photoréception décrit ci-dessus concerne certains récepteurs vertébrés. Les lézards ont un troisième œil situé au sommet de la tête. Il contient de petits « cônes » capables de percevoir une image similaire à celle perçue par les yeux principaux (latéraux). Ces photorécepteurs ont cependant la particularité de se dépolariser lorsqu'ils sont éclairés. Les canaux nucléotidiques ont ici une structure et une fonction similaires à celles des photorécepteurs d'autres vertébrés, à une exception près : l'activation du photorécepteur et de la protéine G entraîne une augmentation de la concentration de GMPc. En conséquence, les canaux du segment externe s'ouvrent et les cations sont dirigés dans la cellule, formant un courant « léger ». Cela est dû à l’inhibition de l’activité de la phosphodiestérase dans l’obscurité. En conséquence, la séquence d'événements suivante se produit dans l'œil du lézard : lumière - [cGMP] - ouverture des canaux cationiques du segment externe - dépolarisation.

Amplification du signal dans la cascade cGMP

La cascade de GMPc en deux étapes permet une augmentation significative du signal initial, ce qui explique la sensibilité exceptionnelle des bâtonnets à la lumière. Premièrement, une molécule de métarhodopsine II active catalyse l’ajout de nombreuses molécules de GTP au lieu du GDP et libère ainsi des centaines de sous-unités de protéine G. Deuxièmement, chaque sous-unité active une molécule de phosphodiestérase dans le disque, capable de décomposer le grand nombre de molécules de GMPc présentes dans le cytoplasme et de conduire ainsi à la fermeture d'un grand nombre de canaux.

Signaux en réponse à des quanta de lumière uniques

La preuve qu'un seul quanta de lumière peut produire la sensation perçue de lumière a incité un grand nombre de des questions. Quelle est l’ampleur de cette réponse unique ? Comment ce signal est-il séparé du niveau de bruit ? Et comment ces informations sont-elles transmises de manière fiable de la rétine aux centres visuels supérieurs ? Pour mesurer les signaux en réponse à des quanta de lumière uniques, Baylor et ses collègues ont enregistré les courants provenant de bâtonnets individuels dans la rétine des crapauds, des singes et des humains. Ces expériences représentent un exemple unique d'expérience qui montre comment une telle processus difficile, comme la perception de faibles éclairs de lumière, peut être en corrélation avec des changements se produisant au niveau de molécules individuelles.

La procédure d'isolement d'un fragment rétinien à partir d'un animal ou d'un matériel cadavérique doit être réalisée dans l'obscurité pour ces expériences. Pour mesurer le courant, le segment externe de la tige est aspiré dans une fine pipette. Comme prévu, ces expériences montrent que dans l’obscurité, le courant circule constamment dans le segment externe. Des éclairs de lumière entraînent la fermeture des canaux dans le segment externe, provoquant une diminution du courant « d'obscurité ». L'amplitude du courant est faible et proportionnelle au nombre de quanta absorbés. Parfois, le flash produit une seule réponse, parfois une double réponse et parfois aucune réponse du tout.

Chez les bâtonnets de singe, la diminution du courant en réponse à l'absorption d'un photon est d'environ 0,5 pA. Cela correspond à la fermeture d'environ 300 chaînes, soit de 3 à 5 % de tous les canaux s'ouvrent dans l'obscurité. Ceci est obtenu grâce à une augmentation significative du signal dans le métabolisme Cascade de GMPc. De plus, en raison de l’extrême stabilité des pigments visuels mentionnée précédemment, l’isomérisation aléatoire et la fausse fermeture des canaux sont des événements très rares. Cela fait ressortir les effets des quanta de lumière individuels sur un fond de bruit constant très faible. Il a été démontré que le couplage électrique via les jonctions lacunaires entre les photorécepteurs fournit un effet de lissage supplémentaire qui réduit le bruit de fond et améliore le rapport signal/bruit des réponses des bâtonnets aux quanta uniques.

Littérature

1. Finn, J.T., Grunwald, ME et Yau, KW. 1996. Canaux ioniques cycliques dépendants des nucléotides : une famille étendue avec des fonctions diverses. Ann. Tour. Physiol.58 : 395-426.

2. Nakanishi, S., Nakajima, Y., Masu, M., Ueda, Y., Nakahara, K., Watanabe, D., Yamaguchi, S., Kawabata, S. et Okada, M. 1998. Glutamate récepteurs : Fonction cérébrale et transduction du signal.

PIGMENTS VISUELS(lat. pigmentum paint) - pigments photosensibles des photorécepteurs de la rétine. En percevant l'énergie d'une impulsion lumineuse, 3. les objets subissent un cycle photochimique complexe. transformations, à la suite desquelles un récepteur visuel distinct de la rétine, contenant 3. p. (cône ou bâtonnet), entre dans un état excité et transmet les informations reçues au système nerveux central le long du nerf optique. n. Avec. Étant la principale partie structurelle et fonctionnelle de la membrane photoréceptrice des cellules visuelles de la rétine, 3. p. jouent ainsi rôle clé dans les mécanismes de la vision (voir).

Nomenclature et structure des pigments visuels. Tous les 3.p étudiés chez les animaux vertébrés et invertébrés sont des complexes de la protéine membranaire insoluble dans l'eau, l'opsine, et du chromophore associé (rétinien). Le rétinal, ou aldéhyde de vitamine A, peut exister sous deux formes : rétinal1 et rétinal2.

Selon la nature du chromophore, les 3. p. sont divisés en deux classes - les rhodopsines (voir), contenant du rétinal1, et les porphyropsines, contenant du rétinal2. Les rhodopsines se trouvent dans la rétine des yeux de tous les animaux terrestres et marins, les porphyropsines se trouvent dans la rétine des yeux des animaux d'eau douce. Chez certains poissons et amphibiens, 3. éléments contenant simultanément du rétinien ! et rétinienne. Il existe des tentatives pour classer 3.p. sur la base de différences d'opsines spécifiques aux bâtonnets ou cônes de la rétine. Par exemple, la rhodopsine est un complexe de rétinal1 avec l'opsine en bâtonnet, l'iodopsine est un complexe de rétinal1 avec l'opsine en cône, la porphyropsine est un complexe rétinien2 avec l'opsine en bâtonnet, le complexe opsine rétinien-cône forme la cyanopsine. Cependant, il est extrêmement difficile de classer 3.p. sur la base des opsines, puisqu'il existe au moins cinq opsines différentes.

De toutes les 3. p. connues, ce sont les rhodopsines isolées des yeux de taureaux, de grenouilles et de calmars qui ont été les plus étudiées. Ils disent le poids (masse) est d'environ 30 à 40 000, chaque molécule contient env. 400 acides aminés et un chromophore. De plus, la molécule 3.p. comprend une chaîne oligosaccharide : 3 radicaux glucosamine, 2 mannose, 1 galactose. Les lipides (principalement les phospholipides) forment un complexe fort avec la molécule 3.p. Tout en conservant leurs propriétés spectrales de base (voir Analyse spectrale), les 3.p. sans lipides perdent un certain nombre de propriétés fonctionnellement importantes, par exemple la capacité de récupération.

La rétine pure a jaune, le maximum de son spectre d'absorption se situe aux alentours de 370 nm. L'opsine est incolore, l'absorption maximale se situe dans la région ultraviolette (environ 280 nm). La couleur de la molécule de rhodopsine est rose rougeâtre, le spectre d'absorption maximal est d'env. 500 nm. La raison d'un déplacement spectral aussi fort lors de la formation du complexe (de 370 à 500 nm - ce qu'on appelle le déplacement bathochrome) n'a pas encore reçu d'explication sans ambiguïté.

Les spectres d'absorption maxima des rhodopsines et des porphyropsines couvrent une région assez large du spectre visible - de 433 à 562 nm pour les rhodopsines et de 510 à 543 nm pour les porphyropsines. Si les 3èmes cônes du têtard de la grenouille, de la carpe et de la tortue d'eau douce sont également considérés comme des porphyropsines, c'est-à-dire des cyanopsines avec un spectre d'absorption maximal à 620 nm, alors cette région s'avère encore plus large. Le développement des méthodes de microspectrophotométrie a permis de déterminer les spectres d'absorption de nombreux types de cellules photoréceptrices uniques chez l'animal et l'homme. Selon les données obtenues, les 3.p. de la rétine humaine ont les spectres d'absorption maxima suivants : bâtonnets 498, cônes sensibles au bleu, au vert et au rouge - 440, 535 et 575 nm, respectivement.

L'étude de 3. P. a commencé en allemand. le chercheur H. Muller, qui a décrit en 1851 comment la rétine violet rosé, extraite de l'œil d'une grenouille, devient jaunâtre puis blanchâtre à la lumière. En 1877, F. Boll a également décrit ce phénomène, concluant que dans les cellules visuelles de la rétine se trouve une sorte de substance sensible à la lumière rouge et que la décoloration de cette substance est associée au mécanisme de la vision. Une grande partie du mérite de l'étude des 3e points revient à Kuhne (W. Kuhne, 1877), qui a réussi à isoler les 3e points et à les étudier en détail. Il a nommé le 3.p. dont il a extrait le violet visuel, a établi sa nature protéique, a étudié certaines de ses propriétés spectrales et ses phototransformations, et a découvert la capacité du 3.p. à être restauré dans l'obscurité. Amer. a apporté une grande contribution à l'étude de 3. p. biochimiste et physiologiste J. Wald.

Phototransformations des pigments visuels. Lorsque 3.p. est exposé à la lumière, un cycle photochimique s’y produit. transformations, qui sont basées sur la réaction photochimique primaire d'isomérisation cis-trans du rétinien (voir Isomérie). Dans ce cas, la connexion entre le chromophore et la protéine est perturbée. La séquence de transformations de 3. p. peut se présenter comme suit : rhodopsine (le chromophore est sous forme cis) -> prélumirodopsine -> lumyrhodopsine -> métarhodopsine I -> métarhodopsine II -> protéine opsine -> chromophore sous forme trans. Sous l'influence de l'enzyme - la rétinol déshydrogénase - cette dernière est transformée en vitamine A, qui provient des segments externes des bâtonnets et des cônes et pénètre dans les cellules de la couche pigmentaire de la rétine. Lorsque l'œil s'assombrit, la régénération du 3.p. se produit ; pour réaliser la coupe, la présence de l'isomère cis de la vitamine A est nécessaire, qui sert de produit de départ pour la formation du chromophore (aldéhyde de vitamine A). En cas de carence ou d'absence de vitamine A dans le corps, la formation de rhodopsine peut être perturbée et, par conséquent, un trouble de la vision crépusculaire, ce qu'on appelle, peut se développer. cécité nocturne (voir Héméralopie). Dans le processus de phototransformations de la rhodopsine au stade de la transition de la lumirhodopsine à la métarhodopsine I dans la cellule réceptrice se produit en réponse à un éclair lumineux de ce qu'on appelle. potentiel de récepteur précoce (latence courte). Cependant, il n'est pas signal visuel, bien qu'il puisse servir d'un des tests pour étudier le mécanisme de transformation de 3. p. dans la membrane photoréceptrice. La signification fonctionnelle est ce qu'on appelle. potentiel de récepteur tardif, dont la période de latence (5-10 ms) est comparable au temps de formation de la métarhodopsine II. On suppose que la réaction de transition de la métarhodopsine I en métarhodopsine II donne l'apparition du signal visuel.

Puisque les 3.p. sont continuellement décolorées à la lumière, il doit y avoir des mécanismes pour leur restauration constante. Certains d'entre eux sont extrêmement rapides (photorégénération), d'autres sont assez rapides (biochimiques, régénération, Dark), d'autres sont lents (synthèse de 3. p. lors du renouvellement constant de la membrane photoréceptrice de la cellule visuelle). La photorégénération est fiziol, importante chez les animaux invertébrés (par exemple, céphalopodes- calamar, poulpe). Dans le mécanisme biochimique Dans la régénération de 3. p. chez les vertébrés, l'enzyme isomérase (voir), qui assure l'isomérisation du trans-rétinien (ou trans-vitamine A) à nouveau sous la forme cis-isomère, joue apparemment un rôle important. Cependant, aucune preuve définitive de l’existence d’une telle enzyme n’est encore disponible. La réaction même de formation de la molécule 3.p. en présence de l'isomère 11-cis du rétinal et de l'opsine se produit facilement, sans consommation d'énergie. La capacité de la rhodopsine blanchie à subir une réaction de phosphorylation a été découverte (voir) ; on suppose que cette réaction est l'un des maillons du mécanisme d'adaptation lumineuse de la cellule visuelle.

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M.A. Ostrovsky.