Dom Zdravlje

vizualni 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 štapiću) koji nisu povezani s vanjskom membranom. U čunjićima se pigment nalazi u posebnim pigmentnim naborima koji su nastavak vanjske stanične membrane fotoreceptora. Molekule pigmenta čine oko 80% svih proteina diska. Vizualni pigmenti su tako gusto nabijeni u membrane vanjskog segmenta da udaljenost između dvije molekule vizualnog pigmenta u štapiću ne prelazi 10 nm. Takvo gusto pakiranje povećava vjerojatnost da će foton svjetlosti koji prolazi kroz sloj fotoreceptorskih stanica biti uhvaćen. Postavlja se sljedeće pitanje: kako nastaju signali kada svjetlo apsorbiraju vizualni pigmenti?

Apsorpcija svjetlosti vizualnim pigmentima

Događaji koji se događaju kada svjetlost apsorbira štap pigment, rodopsin, proučavani su psihofiziološkim, biokemijskim i molekularnim tehnikama. Molekula vizualnog pigmenta sastoji se od dvije komponente: proteina, nazvanog opsin, i kromofora, 11-cis-vitamin A-aldehida, nazvanog retinal (slika 1). Treba pojasniti da kromofor sadrži kemijsku skupinu koja daje boju spoju. Kvantitativne karakteristike apsorpcionog kapaciteta pigmenata proučavane su spektrofotometrijom. Kada je rodopsin, vizualni pigment štapića, bio osvijetljen svjetlom različitih valnih duljina, najbolje se apsorbiralo plavo-zeleno svjetlo valne duljine od oko 500 nm. Sličan rezultat dobiven je i osvjetljavanjem jedne šipke pod mikroskopom snopovima svjetlosti različitih valnih duljina. Otkriveno je zanimljiva ovisnost između apsorpcijskog spektra rodopsina i naše percepcije sumračnog svjetla. Kvantitativne psihofizičke studije provedene na ljudima pokazale su da je plavkasto-zelena dnevna svjetlost valne duljine oko 500 nm optimalna za percepciju sumračnog svjetla u mraku. Tijekom dana, kada su štapići neaktivni i koriste se samo čunjići, najosjetljiviji smo na crvenu boju koja odgovara spektru apsorpcije čunjeva (o tome ćemo kasnije).

Kada jedan foton apsorbira rodopsin, retinal prolazi kroz fotoizomerizaciju i prelazi iz 11-cis u trans konfiguraciju. Taj se prijelaz događa vrlo brzo: za oko 10-12 sekundi. Nakon toga, proteinski dio pigmenta također prolazi kroz niz transformacijskih promjena, uz stvaranje niza međuprodukata. Jedna od konformacija proteinskog dijela, metarodopsin II, najvažnija je za transdukciju signala (o tome ćemo raspravljati kasnije u ovom poglavlju). Slika 2 prikazuje slijed događaja tijekom dekolorizacije i regeneracije aktivnog rodopsina. Metahodopsin II nastaje nakon 1 ms. Regeneracija pigmenta nakon njegovog raspada događa se polako, unutar nekoliko minuta; to zahtijeva transport retine od fotoreceptora do pigmentnog epitela.

Struktura rodopsina

Na molekularnoj razini, opsin protein sastoji se od 348 aminokiselinskih ostataka, tvoreći 7 hidrofobnih zona, od kojih se svaka sastoji od 20-25 aminokiselina, koje čine 7 transmembranskih spirala. N-kraj molekule nalazi se u izvanstaničnom prostoru (tj. unutar diska štapića), a C-terminus se nalazi u citoplazmi.

U mraku, 11-cis-retinal je čvrsto vezan za protein opsin. Hvatanje fotona dovodi do izomerizacije svih cis retinala u retinalnom tronu. U tom slučaju, opsin all-tron-retinal kompleks brzo se pretvara u metarodopsin II, koji se disocira u opsin i all-tron retinal. Regeneracija rodopsina ovisi o interakciji fotoreceptora i pigmentnih stanica. Metarhodopsin II aktivira i održava drugi sustav glasnika.

Retinal je povezan s opsinom preko ostatka lizina koji se nalazi u sedmom transmembranskom segmentu. Opsin pripada obitelji proteina sa 7 transmembranskih domena, što također uključuje metabotropne posredničke receptore, kao što su adrenergički i muskarinski receptori. Poput rodopsina, ovi receptori signaliziraju sekundarnim glasnicima putem aktivacije G-proteina. Rodopsin je izuzetno stabilan u mraku. Bayor je izračunao da spontana toplinska izomerizacija molekule rodopsina traje oko 3000 godina, odnosno 1023 više nego za fotoizomerizaciju.

vizualni pigmenti

Struktura rodopsina

Čunjevi i vid u boji

sljepoća za boje

Književnost

vizualni pigmenti

Apsorpcija svjetlosti vizualnim pigmentima

Događaji koji se događaju kada svjetlost apsorbira štap pigment, rodopsin, proučavani su psihofiziološkim, biokemijskim i molekularnim tehnikama. Molekula vizualnog pigmenta sastoji se od dvije komponente: proteina, nazvanog opsin, i kromofora, 11-cis-vitamin A-aldehida, nazvanog retinal (slika 1). Treba pojasniti da kromofor sadrži kemijsku skupinu koja daje boju spoju. Kvantitativne karakteristike apsorpcionog kapaciteta pigmenata proučavane su spektrofotometrijom. Kada je rodopsin, vizualni pigment štapića, bio osvijetljen svjetlom različitih valnih duljina, najbolje se apsorbiralo plavo-zeleno svjetlo valne duljine od oko 500 nm. Sličan rezultat dobiven je i osvjetljavanjem jedne šipke pod mikroskopom snopovima svjetlosti različitih valnih duljina. Pronađen 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 valne duljine oko 500 nm optimalna za percepciju sumračnog svjetla u mraku. Tijekom dana, kada su štapići neaktivni i koriste se samo čunjići, najosjetljiviji smo na crvenu boju koja odgovara spektru apsorpcije čunjeva (o tome ćemo kasnije).

Struktura rodopsina

Sl. 1. Struktura rodopsina kralježnjaka ugrađenog u membranu fotoreceptora. Spirala je donekle razmotana kako bi se pokazalo mjesto retine (označeno crnom bojom). C - C-kraj, N - N-kraj.

sl.2. Cvjetanje rodopsina na svjetlu. U mraku, 11-cis-retinal je čvrsto vezan za protein opsin. Hvatanje fotona dovodi do izomerizacije svih cis retinala u retinalnom tronu. U tom slučaju, opsin all-tron-retinal kompleks brzo se pretvara u metarodopsin II, koji se disocira u opsin i all-tron retinal. Regeneracija rodopsina ovisi o interakciji fotoreceptora i pigmentnih stanica. Metarhodopsin II aktivira i održava drugi sustav glasnika.

Čunjevi i vid u boji

Nevjerojatna istraživanja i eksperimenti koje su proveli Young i Helmholtz u 19. stoljeću privukla su pozornost na samu važno pitanje o vidu boja, a sami su znanstvenici dali jasno i točno objašnjenje ovog fenomena. Njihov zaključak o postojanju tri različite vrste fotoreceptori u boji izdržali su test vremena i naknadno su potvrđeni na molekularnoj razini. Opet možemo citirati Helmholtza, koji je usporedio percepciju svjetla i zvuka, boje i zvučnog tona. Čovjek može zavidjeti na jasnoći, snazi i ljepoti njegove misli, osobito u usporedbi s zbunjujućim vitalističkim konceptima koji su bili rašireni u 19. stoljeću:

Sve razlike u tonovima boja ovise o kombinaciji u različitim omjerima tri osnovne boje... crvene, zelene i ljubičaste... Kao što percepcija sunčeve svjetlosti i njezine topline ovisi... o tome hoće li sunčeve zrake pogoditi živaca, koji dolaze iz receptora vida ili iz receptora toplinske osjetljivosti. Kao što je Young sugerirao u svojoj hipotezi, razlika u percepciji različitih boja ovisi jednostavno o tome koji je od 3 tipa fotoreceptora više aktiviran ovom svjetlošću. Kad su sve tri vrste jednako uzbuđen, postaje bijeli...

Riža. 3. Spektri osjetljivosti ljudskih fotoreceptora i razni vizualni pigmenti. (A) Krivulje osjetljivosti tri vizualna pigmenta u boji koje pokazuju vrhunce apsorpcije na valnim duljinama koje odgovaraju cijan, zelenoj i crvenoj. (B) Spektri osjetljivosti čunjeva na plavu, zelenu i crvenu boju i štapića (prikazano crnom) u makaka. Odgovori su zabilježeni pomoću usisnih elektroda, prosječni i normalizirani. Krivulje spektra štapića dobivene su proučavanjem vidnih pigmenata kod ljudi. (C) Usporedba spektra konusa majmuna i čovjeka pomoću testa osjetljivosti boja. Kontinuirana krivulja pokazuje pokus za određivanje osjetljivosti na boju kod ljudi, kada je predstavljena svjetlošću različitih valnih duljina. Isprekidana linija prikazuje rezultate predviđene na temelju registracije struja u pojedinačnim čunjevima, nakon korekcije za apsorpciju svjetlosti u leći i pigmenta na putu do vanjskog segmenta. Slaganje između rezultata oba pokusa je iznenađujuće visoko.

Ako projiciramo dva snopa svjetlosti različitih boja u isto vrijeme na bijeli ekran... vidimo samo jednu boju, manje-više različitu od obje ove boje. Možemo bolje razumjeti izvanrednu činjenicu da smo u stanju percipirati sve nijanse u sastavu vanjskog svjetla mješavinom tri osnovne boje, ako usporedimo oko sa suhim... U slučaju zvuka... mi čuju duže valove kao niske tonove, a kratke valove - kao visoke i prodorne, osim toga, uho je u stanju uhvatiti mnogo zvučnih valova u isto vrijeme, t.j. mnoge bilješke. Međutim, one β se u ovom slučaju ne spajaju u jedan složen akord, kao što se različite boje ... spajaju u jednu složenu boju. Oko ne može uočiti razliku ako zamijenimo narančasta boja do crvene ili žute; ali ako čujemo da note do i mi zvuče u isto vrijeme, takav nam se zvuk ne čini kao nota re. Ako je uho percipiralo glazbene tonove kao što oko percipira boje, svaki akord bi mogao biti predstavljen kombinacijom tri stalne note, jedne vrlo niske, jedne vrlo visoke i jedne srednje, proizvodeći sve moguće glazbene efekte samo promjenom relativne glasnoće tih tonova. tri note... Međutim, možemo vidjeti glatki prijelaz boja iz jedne u drugu kroz beskonačan broj nijansi i gradacija... Način na koji percipiramo svaku od boja... ovisi uglavnom o strukturi našeg živčani sustav. Mora se priznati da trenutno ni kod ljudi ni kod tetrapoda nije opisana anatomska osnova koja bi potvrdila teoriju percepcije boja.

Ova točna i dalekovidna predviđanja potvrđena su nizom različitih opažanja. Koristeći spektrofotometriju, Wald, Brouck, McNicol i Dartnell et al pokazali su prisutnost tri vrste čunjeva s različitim pigmentima u ljudskoj mrežnici. Baylor i kolege također su uspjeli skrenuti struje sa čunjeva majmuna i ljudi. Utvrđeno je da tri populacije čunjića imaju različite, ali preklapajuće raspone osjetljivosti na plavi, zeleni i crveni dio spektra. Optimalne valne duljine za pobuđivanje električnih signala točno su se podudarale s vrhovima apsorpcije svjetlosti vizualnim pigmentima, utvrđenim spektrofotometrijom i psihofizičkim eksperimentima za mjerenje osjetljivosti oka na spektar boja. U konačnici, Natais je klonirala i sekvencirala gene koji kodiraju opsin pigment u tri vrste čunjeva koji su osjetljivi na crvenu, zelenu i plavu.

Kako su onda molekule različitih vizualnih pigmenata sposobne preferencijalno uhvatiti svjetlost određene valne duljine? Ispostavilo se da je rodopsin vizualni pigment štapića i da sva tri vizualna pigmenta čunjeva sadrže isti kromofor, 11-cis-retinal. Međutim, sekvence aminokiselina proteinskog dijela pigmenta međusobno se razlikuju. Razlike u samo nekoliko aminokiselina objašnjavaju njihovu različitu osjetljivost na spektar.

sljepoća za boje

Iako jedna vrsta fotoreceptora nije sposobna percipirati boju sama, tri vrste čunjića, kao što je prikazano na Sl. 4, već sposoban.

U principu, dvije vrste čunjeva s različitim pigmentima bile bi dovoljne za prepoznavanje boja, ali bi se u ovom slučaju brojne kombinacije valnih duljina percipirale jednako. Slična situacija se događa kada osoba pati od sljepoće za boje. Takvi ljudi, kako je pokazao Nathans, imaju genetske defekte koji dovode do odsutnosti jednog od pigmenata. Sa stajališta sadašnjeg stanja znanosti, ne možemo a da se ne začudimo koliko lijepo molekularni mehanizmi potvrđuju briljantno i iznenađujuće točno razmišljanje Younga i Helmholtza.

Riža. 4. "Tamna" struja u štapu. (A) U mraku, natrijevi ioni prolaze kroz kationske kanale u vanjskom segmentu štapića, uzrokujući depolarizaciju; ioni kalcija također mogu proći kroz te kationske kanale. Strujna petlja prolazi kroz prevlaku štapa zbog činjenice da kalijeva struja teče prema van u unutarnjem segmentu membrane. (B) Kada je vanjski segment osvijetljen, kanali se zatvaraju zbog smanjenja unutarstanične koncentracije cGMP-a, a štap se hiperpolarizira. Hiperpolarizacija dovodi do smanjenja oslobađanja neurotransmitera. Koncentracije natrija, kalija i kalcija održavaju se unutar štapa posebnim pumpama i ionskim izmjenjivačima koji se nalaze u području unutarnjeg segmenta (crni kružići). Transporteri kalcija također se nalaze u vanjskom segmentu.

Njihovu ideju da se glavni atributi vida boja i sljepoće za boje treba pronaći u samim fotoreceptorima potvrđena je izravnim fiziološkim mjerenjima, kao i proučavanjem razlika u strukturi pigmenata na genetskoj i proteinskoj razini, potencijal je reda veličine. od -40 mV, što je daleko od ravnotežnog kalijevog potencijala E K, koji iznosi - 80 mV.

Riža. 5. Uloga cGMP-a u otvaranju natrijevih kanala u vanjskom segmentu štapića. Aktivnost pojedinačnih kanala zabilježena je pomoću patch stezaljke iznutra prema van, koji su bili u otopini s različitim koncentracijama cGMP. Otvaranje kanala uzrokuje odstupanje struje prema gore. Frekvencija otvaranja kanala bila je vrlo niska u kontroli, dodavanje cGMP-a dovelo je do povećanja frekvencije otvaranja jednog kanala, što je izravno ovisilo o koncentraciji cGMP-a.

Dolaznu struju u mraku prenose prvenstveno natrijevi ioni slijedeći elektrokemijski gradijent kroz kationske kanale vanjskog segmenta. Hiperpolarizacija fotoreceptora pod djelovanjem svjetlosti nastaje zbog zatvaranja ovih kanala, što dovodi do pomaka membranskog potencijala prema E K.

Svojstva fotoreceptorskih kanala

Kationski kanali vanjskog segmenta u fiziološkim uvjetima imaju omjer vodljivosti iona kalcija / natrija / kalija 12,5 : 1,0 : 0,7, a vodljivost jednog kanala je oko 0,1 pS 21). Budući da je koncentracija natrija puno veća od koncentracije kalcija, oko 85% dolazne struje čine natrijevi ioni. Pokretačka snaga kalijevih iona usmjerena je izvan stanice. Kada kalcijevi ioni prolaze kroz kanal, ti se ioni čvrsto vežu za stijenku pora i tako ometaju provođenje drugih iona. Upravo zbog toga uklanjanje kalcija iz izvanstaničnog medija dovodi do lakšeg prolaska iona kalija i natrija kroz kanale čija se vodljivost povećava na 25 pS.

Fesenko, Yau, Baylor, Strayer i suradnici pokazali su da ciklički HMP igra ulogu unutarnjeg nosača signala od diska do površine membrane. Kao što je prikazano na slici 4, visoka koncentracija cGMP u citoplazmi drži kationske kanale otvorenim. Sa smanjenjem koncentracije cGMP s unutarnje površine membrane, otvaranje kationskih kanala postaje rijedak događaj. Dakle, membranski potencijal fotoreceptora je odraz koncentracije cGMP u citoplazmi: što je veća koncentracija cGMP, to je veća depolarizacija stanice. Koncentracija cGMP, 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 otpornost membrane vanjskog segmenta približava se otporu lipidnog dvosloja.

Molekularna struktura cGMP-gated kanala

cDNA je izolirana za ionske kanale vanjskog segmenta štapića te su određene aminokiselinske sekvence podjedinica tih kanala u mrežnici čovjeka, goveda, miša i piletine. Pronađena je značajna sličnost DNK za ove i druge ionske kanale vođene cGMP - poput onih koji se nalaze u olfaktornim

Transdukcija signala u fotoreceptorima

Kako fotoizomerizacija rodopsina dovodi do promjene membranskog potencijala? Tijekom godina shvatilo se da je potrebna neka vrsta unutarnjeg posrednika za pobuđivanje električnih signala u šipkama i čunjevima. Jedan od razloga za sumnju da se informacija o apsorpciji fotona u području vanjskog segmenta štapića prenosi putem nosača bila je činjenica da se sam pigment rodopsin nalazi unutar diska, a signal se širi kroz citoplazmu do vanjska membrana. Drugi razlog bio je značajan porast odziva. Baylor i suradnici, proučavajući fotoreceptore u kornjačama, pokazali su da do smanjenja vodljivosti membrane i zabilježenih električnih signala dolazi već kada se apsorbira samo jedan foton i aktivira jedna od 10 8 pigmentnih molekula.

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

U mraku, u vanjskim segmentima štapića i čunjeva teče stalna dolazna "tamna" struja. Rezultat je njihov membranski sustav. Područja membrane ovih kanala pokazuju strukturne sličnosti s drugim kation-selektivnim kanalima, posebno u području S4 i u području koje tvori ionske pore. Ionski kanali fotoreceptora su tetrameri sastavljeni od najmanje 2 različite proteinske podjedinice s molekulskom težinom od 63 odnosno 240 kDa.

Unutarstanična mjesta vezanja nukleotida nalaze se blizu karboksilnog kraja podjedinica. Ekspresija ovih podjedinica u oocitima dovodi do stvaranja kationskih kanala koji imaju svojstva slična kanalima smještenim u vanjskim segmentima štapića: aktivirani su cGMP-om i imaju očekivane omjere vodljivosti i propusnosti.

Riža. 6. Mehanizam aktivacije G-proteina nakon aktivacije molekule fotopigmenta. G-protein transducin veže GTP u prisutnosti metarodopsina II, što dovodi do aktivacije fosfodiesteraze, koja zauzvrat hidrolizira cGMP. Kada koncentracija cGMP padne, natrijevi kanali se zatvaraju.

Metabolička kaskada cikličkog GMP-a

Lanac događaja koji dovode do smanjenja koncentracije cGMP i naknadnog zatvaranja ionskih kanala prikazan je na slici 5. Smanjenje unutarstanične koncentracije cGMP-a uzrokovano je svjetlom, što dovodi do stvaranja metarodopsina II, međuprodukta 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-ove molekule vezane za G-protein GTP-om. Time se aktivira podjedinica G-proteina, koja se odvaja od podjedinica i, zauzvrat, aktivira fosfodiesterazu smještenu u membranskoj regiji: enzim koji hidrolizira cGMP. Koncentracija cGMP pada, ima manje otvorenih ionskih kanala, štap postaje hiperpolariziran. Kaskada se prekida fosforilacijom C-kraja aktivnog metarodopsina II. Ključna uloga cGMP-a u regulaciji stanja kationskih kanala potvrđena je biokemijskim pokusima. Osvjetljenje fotoreceptora može uzrokovati 20% pad razine cGMP u stanici.

Receptori kralježnjaka koji se depolariziraju pri izlaganju svjetlu

Zanimljiva iznimka od gore navedenog mehanizma fotorecepcije su neki receptori kralježnjaka. Gušteri imaju treće oko koje se nalazi na vrhu glave. Sadrži male "čunjeve" sposobne percipirati sliku sličnu onoj koju percipiraju glavne (bočne) oči. Ti su fotoreceptori, međutim, izvanredni po tome što se depolariziraju nakon osvjetljenja. Nukleotidima upravljani kanali ovdje imaju sličnu strukturu i funkciju fotoreceptora drugih kralježnjaka, s jednom iznimkom: aktivacija fotoreceptora i G-proteina dovodi do povećanja koncentracije cGMP. Kao rezultat toga, kanali vanjskog segmenta se otvaraju, a kationi se usmjeravaju u stanicu, tvoreći "svjetlosnu" struju. To je zbog inhibicije aktivnosti fosfodiesteraze u mraku. Kao rezultat toga, u oku guštera događa se sljedeći slijed događaja: svjetlost - [cGMP] - otvaranje kationskih kanala vanjskog segmenta - depolarizacija.

Pojačanje signala u cGMP kaskadi

Dvostupanjska cGMP kaskada osigurava značajno pojačanje izvornog signala, što objašnjava iznimnu osjetljivost štapića na svjetlost. Prvo, jedna molekula aktivnog metarodopsina II katalizira dodavanje mnogih GTP molekula umjesto GDP-a i tako oslobađa stotine podjedinica G-proteina. Drugo, svaka podjedinica aktivira jednu molekulu fosfodiesteraze u disku, koja je u stanju rascijepiti ogroman broj cGMP molekula smještenih u citoplazmi, te tako dovesti do zatvaranja velikog broja kanala.

Signali kao odgovor na pojedinačne kvante svjetlosti

Podaci da pojedinačni kvanti svjetlosti mogu uzrokovati percipirani osjet svjetlosti veliki broj pitanja. Koliki je ovaj pojedinačni odgovor? Kako se ovaj signal izdvaja od dna buke? I kako se takva informacija pouzdano prenosi od mrežnice do viših vizualnih centara? Kako bi izmjerili signale kao odgovor na pojedinačne kvante svjetlosti, Baylor i suradnici snimili su struje iz pojedinačnih štapića u mrežnici žaba, majmuna i ljudi. Ovi eksperimenti jedinstveni su primjer eksperimenta koji pokazuje kako se tako složen proces kao što je percepcija slabih bljeskova svjetlosti može povezati s promjenama koje se događaju na razini pojedinih molekula.

Postupak izolacije ulomka retine iz životinjskog ili mrtvog materijala za ove pokuse treba provesti u mraku. Za mjerenje struje, vanjski segment štapića se usiše u tanku pipetu. Kao što se i očekivalo, ovi eksperimenti pokazuju da u mraku struja stalno teče unutar vanjskog segmenta. Bljeskovi svjetlosti zatvaraju kanale u vanjskom segmentu, uzrokujući smanjenje "tamne" struje. Amplituda struje je mala i proporcionalna broju apsorbiranih fotona. Ponekad bljeskalica uzrokuje jednostruki odgovor, ponekad dvostruki odgovor, a ponekad uopće.

Kod majmunskih štapića smanjenje struje kao odgovor na apsorpciju jednog fotona iznosi oko 0,5 pA. To odgovara zatvaranju oko 300 kanala, t.j. od 3 do 5% svih kanala se otvara u mraku. To se postiže zbog značajnog povećanja signala u metaboličkom sustavu cGMP kaskada. Štoviše, zbog ekstremne stabilnosti vizualnih pigmenata spomenutih ranije, slučajna izomerizacija i lažno zatvaranje kanala vrlo su rijetki događaji. To uzrokuje da se učinci pojedinih svjetlosnih kvanta ističu na pozadini vrlo niske istosmjerne buke. Pokazalo se da električna sprega između fotoreceptora pruža dodatni učinak zaglađivanja koji smanjuje pozadinsku buku i poboljšava omjer signala i šuma odgovora štapa na pojedinačne kvante.

Književnost

1. Finn, J. T., Grunwald, M. E, i Yau, K-W. 1996. Ciklični nukleotid-zavisni ionski kanali: Ex-tended obitelj s različitim funkcijama. Annu. vlč. 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. Glutamatni receptori : Funkcija mozga i prijenos signala.

VIZUALNI PIGMENTI(lat. pigmentum paint) - fotoosjetljivi pigmenti fotoreceptora retine. Opažajući energiju svjetlosnog impulsa, 3. predmeti prolaze kroz složen fotokemijski ciklus. transformacije, kao rezultat kojih zasebni vizualni receptor mrežnice, koji sadrži 3. p. (konus ili štapić), prelazi u pobuđeno stanje i prenosi primljenu informaciju duž optičkog živca do c. n. s. Budući da je glavni strukturni i funkcionalni dio fotoreceptorne membrane vizualnih stanica retine oka, 3. predmeti tako igraju ključnu ulogu u mehanizmima vida (vidi).

Nomenklatura i struktura vizualnih pigmenata. Svi proučavani 3. p. kralježnjaka i beskralježnjaka kompleksi su u vodi netopivog membranskog proteina opsina i kromofora (retinala) povezanog s njim. Retinal, ili aldehid vitamina A, može postojati u dva oblika, retinal1 i retinal2.

Po prirodi kromofora 3. predmet se dijeli u dvije klase - rodopsine (vidi), koji sadrže retinal1, i porfiropsine koji sadrže retinal2. Rodopsini se nalaze u mrežnici oka svih kopnenih i morskih životinja, porfiropsini se nalaze u mrežnici očiju slatkovodnih životinja. Neke ribe i vodozemci imaju 3 p. koji istovremeno sadrže retinal! i mrežnice. Postoje pokušaji klasificiranja 3. p. na temelju razlika u opsinima specifičnim za štapiće ili čunjeve retine. Na primjer, rodopsin je kompleks retinal1 s šipkastim opsinom, jodopsin je kompleks retinal1 s opsinom čunjića, porfiropsin je retinal2 s šipkastim opsinom, kompleks retinal-čušar opsina tvori cijanopsin. Međutim, iznimno je teško klasificirati 3. stavke na temelju opsina, budući da postoji najmanje pet različitih opsina.

Od svih poznatih 3. predmeta, najpotpunije su istraženi rodopsini izolirani iz očiju bika, žabe i lignje. Njihova molba. težine (mase) reda 30-40 tisuća, svaka molekula sadrži cca. 400 aminokiselina i jedan kromofor. Osim toga, oligosaharidni lanac je uključen u molekulu 3. p.: 3 glukozaminska radikala, 2 manoza, 1 galaktoza. Lipidi (pog. arr. fosfolipidi) tvore jak kompleks s molekulom 3. str. Zadržavajući svoja osnovna spektralna svojstva (vidi spektralnu analizu), 3. predmeti bez lipida gube niz funkcionalno važnih, na primjer, sposobnost oporavka.

Čista retina ima žuta boja, maksimum njegovog spektra apsorpcije 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 apsorpcijski spektar je cca. 500 nm. Razlog tako snažnog spektralnog pomaka tijekom formiranja kompleksa (od 370 do 500 nm – tzv. batokromski pomak) još nije dobio jednoznačno objašnjenje.

Maksimumi apsorpcijskih spektra rodopsina i porfiropsina hvataju prilično široko područje vidljivog spektra - od 433 do 562 nm za rodopsine i od 510 do 543 nm za porfiropsin. Ako porfiropsin uključuje i 3.p. čunjeve punoglavca žabe, šarana i slatkovodne kornjače, tj. cijanopsin s maksimalnim spektrom apsorpcije na 620 nm, onda je ovo područje još šire. Razvoj metoda mikrospektrofotometrije omogućio je određivanje apsorpcijskih spektra mnogih tipova pojedinačnih fotoreceptorskih stanica u životinja i ljudi. Prema dobivenim podacima, 3. p. ljudske mrežnice imaju sljedeće maksimume spektra apsorpcije: štapići 498, čepići osjetljivi na plavo, zeleno i crveno - 440, 535 i 575 nm, respektivno.

Na njemačkom je započeo studij 3. p. istraživač H. Muller, koji je 1851. opisao kako ružičasto-ljubičasta mrežnica izvađena iz oka žabe postaje prvo žućkasta na svjetlu, a zatim bjelkasta. 1877. F. Boll je također opisao ovu pojavu, zaključivši da se u vizualnim stanicama mrežnice nalazi neka vrsta tvari osjetljive na crveno svjetlo i da je promjena boje te tvari povezana s mehanizmom vida. Velika zasluga u proučavanju 3. p. pripada Kuhneu (W. Kuhne, 1877), Krom je uspio izolirati 3. p. i detaljno ih proučiti. 3. p. koji je ekstrahirao nazvao je vizualno ljubičastim, utvrdio njegovu proteinsku prirodu, istražio neka od njegovih spektralnih svojstava i fototransformacija, otkrio sposobnost 3. p. da se oporavlja u mraku. Amer.dao veliki doprinos proučavanju 3. str. biokemičar i fiziolog J. Wald.

Fototransformacije vidnih pigmenata. Pod utjecajem svjetlosti na 3. p. u njima dolazi do fotokemijskog ciklusa. transformacije, koje se temelje na primarnoj fotokemijskoj reakciji cis-trans izomerizacije retine (vidi Izomerizam). U tom slučaju dolazi do prekida veze između kromofora i proteina. Slijed transformacija 3. p. može se predstaviti na sljedeći način: rodopsin (kromofor je u cis obliku) -> prelumirhodopsin -> lumirhodopsin -> metarhodopsin I -> metarhodopsin II -> opsin protein -> kromofor u trans obliku . Pod utjecajem enzima - retinol dehidrogenaze - potonji prelazi u vitamin A, koji dolazi iz vanjskih segmenata štapića i čunjeva u stanice pigmentnog sloja retine. Prilikom zamračenja oka dolazi do regeneracije 3. p., za provedbu reza neophodna je prisutnost cis-izomera vitamina A, koji služi kao polazni proizvod za stvaranje kromofora (vitamin A aldehid). . Uz nedostatak ili odsutnost vitamina A u organizmu, stvaranje rodopsina može se poremetiti i razviti kao posljedica poremećaja vida u sumrak, tzv. noćno sljepilo (vidi Hemeralopia). U procesu fototransformacije rodopsina u fazi prijelaza lumirhodopsina u metarodopsin I u receptorskoj stanici nastaje kao odgovor na svijetli bljesak tzv. rani (kratke latencije) receptorski potencijal. Međutim, nije vizualni signal, iako može poslužiti kao jedan od testova za proučavanje mehanizma transformacija 3. p. u membrani fotoreceptora. Funkcionalna vrijednost je tzv. kasnog receptorskog potencijala, latentni period to-rogo (5-10 msec) je razmjeran vremenu stvaranja metarodopsina II. Pretpostavlja se da reakcija prijelaza metarodopsina I u metarodopsin II daje pojavu vizualnog signala.

3. Budući da se predmeti kontinuirano mijenjaju na svjetlu, moraju postojati mehanizmi za njihovu stalnu restauraciju. Neki od njih su izuzetno brzi (fotoregeneracija), drugi su dosta brzi (biokemijski, regeneracijski, tamni), treći su spori (sinteza 3. p. Tijekom stalne obnove fotoreceptorske membrane u vidnoj stanici). Fotoregeneracija ima fiziolnu vrijednost kod beskralježnjaka (na primjer, kod glavonošci- lignje, hobotnica). U mehanizmu biokem. regeneracija 3. p. kod kralježnjaka, očito, važnu ulogu igra enzim izomeraza (vidi), koji osigurava izomerizaciju trans-retinala (ili trans-vitamina A) ponovno u cis-izomerni oblik. Međutim, nema konačnih dokaza za postojanje takvog enzima. Ista reakcija stvaranja molekule od 3. p. u prisutnosti 11-cis-izomera retine i opsina u sustavu odvija se lako, bez utroška energije. Pronađena je sposobnost izbijeljenog rodopsina na reakciju fosforilacije (vidi); pretpostavlja se da je ova reakcija jedna od karika u mehanizmu svjetlosne adaptacije vidne stanice.

Bibliografija: Ackerman Yu. Biophysics, trans. s engleskog, M., 1964.; Willie K. i Det e V. Biology, trans. s engleskog, M., 1974, bibliografija; Konev S. V. i Volotovsky I. D. Uvod u molekularnu fotobiologiju, str. 61, Minsk, 1971.; Ostrovsky M. A. i Fedorovich I. B. Fotoinducirane promjene na membrani fotoreceptora, u knjizi: Struktura i funkcije biola, membrane, ur. A. S. Troshina i drugi, str. 224, M., 1975, bibliogr.; Fiziologija osjetnih sustava, ur. G. V. Geršuni, 1. dio, str. 88, L., 1971.; Biokemija i fiziologija vidnih pigmenata, ur. od H. Langera, B. a. o., 1973.; Priručnik za senzornu fiziologiju, ur. od H. A. R. Junga a. o., v. 7, pt 1-2, B., 1972.

M. A. Ostrovsky.