Ev Sağlık

Görsel pigmentler. Derinin epidermisinin ilkel bölgesi katmanlardan oluşur. Gündüz ve gece görüşü

Görsel pigmentler dış segmentlerin zarlarında yoğunlaşmıştır. Her çubuk yaklaşık 108 pigment molekülü içerir. Dış zara bağlı olmayan birkaç yüz ayrı disk (bir maymun çubuğunda yaklaşık 750) halinde düzenlenirler. Konilerde pigment, fotoreseptör dış hücre zarının devamı olan özel pigment kıvrımlarında bulunur. Pigment molekülleri tüm disk proteinlerinin yaklaşık %80'ini oluşturur. Görsel pigmentler, dış segmentin zarlarında o kadar yoğun bir şekilde paketlenmiştir ki, bir çubuktaki iki görsel pigment molekülü arasındaki mesafe 10 nm'yi aşmaz. Bu yoğun paketleme, bir fotoreseptör hücre katmanından geçen ışık fotonunun yakalanma olasılığını artırır. Şu soru ortaya çıkıyor: Işık görsel pigmentler tarafından emildiğinde sinyaller nasıl ortaya çıkıyor?

Görsel pigmentler tarafından ışık emilimi

Işık çubuk pigmenti rodopsin tarafından emildiğinde meydana gelen olaylar psikofizyolojik, biyokimyasal ve moleküler teknikler kullanılarak incelenmiştir. Görsel pigment molekülü iki bileşenden oluşur: opsin adı verilen bir protein ve retinal adı verilen bir 11-cis-A vitamini aldehiti olan bir kromofor (Şekil 1). Kromoforun bileşiğe renk veren bir kimyasal grup içerdiğini açıklığa kavuşturmak gerekir. Pigmentlerin emme kapasitesinin niceliksel özellikleri spektrofotometri kullanılarak incelenmiştir. Çubukların görsel pigmenti olan rodopsin, farklı dalga boylarındaki ışıkla aydınlatıldığında, yaklaşık 500 nm dalga boyuna sahip mavi-yeşil ışık en iyi şekilde emildi. Benzer bir sonuç, farklı dalga boylarına sahip ışık ışınlarıyla ayrı bir çubuk mikroskop altında aydınlatıldığında da elde edildi. Tanımlandı ilginç bağımlılık Rodopsinin soğurma spektrumu ile alacakaranlık ışığı algımız arasında. İnsanlar üzerinde yapılan kantitatif psikofiziksel çalışmalar, yaklaşık 500 nm dalga boyuna sahip mavimsi yeşil gün ışığının, karanlıkta alacakaranlık ışığının algılanması için optimal olduğunu göstermiştir. Gün boyunca, çubukların aktif olmadığı ve yalnızca konilerin kullanıldığı zamanlarda, konilerin soğurma spektrumuna karşılık gelen kırmızı renge en duyarlı oluruz (bu konuya daha sonra değineceğiz).

Rodopsin bir fotonu absorbe ettiğinde retinal fotoizomerizasyona uğrar ve 11-cis'ten trans konfigürasyona geçer. Bu geçiş çok hızlı gerçekleşir: yaklaşık 10-12 saniye içinde. Bundan sonra pigmentin protein kısmı da bir dizi dönüşüm değişikliğine uğrar ve bir dizi ara ürün oluşur. Protein parçasının bir yapısı olan metahodopsin II, sinyal iletimi için çok önemlidir (bunu bu bölümün ilerleyen kısımlarında tartışacağız). Şekil 2, aktif rodopsinin ağartılması ve yenilenmesi sırasındaki olayların sırasını göstermektedir. Metarodopsin II 1 ms içinde oluşur. Pigmentin çürümesinden sonra yenilenmesi birkaç dakika içinde yavaş yavaş gerçekleşir; Bu, retinalin fotoreseptörlerden pigment epiteline taşınmasını gerektirir.

Rodopsinin yapısı

Moleküler düzeyde, opsin proteini, her biri 20-25 amino asitten oluşan ve 7 transmembran helis oluşturan 7 hidrofobik bölge oluşturan 348 amino asit kalıntısından oluşur. Molekülün N ucu hücre dışı alanda (yani çubuk diskin içinde) bulunur ve C ucu sitoplazmada bulunur.

Karanlıkta 11-cis-retinal, opsin proteinine sıkı bir şekilde bağlanır. Foton yakalama, tüm cis retinallerin trone retinale izomerizasyonuyla sonuçlanır. Bu durumda, opsin all-trons-retinal kompleksi hızla metarodo psin II'ye dönüşür ve bu da opsin ve all-trons retinale ayrışır. Rodopsin rejenerasyonu, fotoreseptörlerin ve pigment epitel hücrelerinin etkileşimine bağlıdır. Metarhodopsin II, ikincil haberci sistemini açar ve aktif durumda tutar.

Retinal, yedinci transmembran segmentinde yer alan bir lizin kalıntısı yoluyla opsin'e bağlanır. Opsin, adrenerjik ve muskarinik reseptörler gibi metabotropik nörotransmiter reseptörlerini de içeren 7 transmembran alanına sahip bir protein ailesine aittir. Rodopsin gibi bu reseptörler de sinyalleri G protein aktivasyonu yoluyla ikinci habercilere iletir. Rodopsin karanlıkta şaşırtıcı derecede stabildir. Bayor, bir rodopsin molekülünün kendiliğinden termal izomerizasyonunun yaklaşık 3000 yıl veya fotoizomerizasyondan 1023 daha fazla zaman gerektirdiğini hesapladı.

Görsel pigmentler

Rodopsinin yapısı

Koniler ve renkli görme

Renk körlüğü

Edebiyat

Görsel pigmentler

Görsel pigmentler tarafından ışık emilimi

Işık çubuk pigmenti rodopsin tarafından emildiğinde meydana gelen olaylar psikofizyolojik, biyokimyasal ve moleküler teknikler kullanılarak incelenmiştir. Görsel pigment molekülü iki bileşenden oluşur: opsin adı verilen bir protein ve retinal adı verilen bir 11-cis-A vitamini aldehiti olan bir kromofor (Şekil 1). Kromoforun bileşiğe renk veren bir kimyasal grup içerdiğini açıklığa kavuşturmak gerekir. Pigmentlerin emme kapasitesinin niceliksel özellikleri spektrofotometri kullanılarak incelenmiştir. Çubukların görsel pigmenti olan rodopsin, farklı dalga boylarındaki ışıkla aydınlatıldığında, yaklaşık 500 nm dalga boyuna sahip mavi-yeşil ışık en iyi şekilde emildi. Benzer bir sonuç, farklı dalga boylarına sahip ışık ışınlarıyla ayrı bir çubuk mikroskop altında aydınlatıldığında da elde edildi. Rodopsinin absorpsiyon spektrumu ile alacakaranlık ışığı algımız arasında ilginç bir ilişki tespit edilmiştir. İnsanlar üzerinde yapılan kantitatif psikofiziksel çalışmalar, yaklaşık 500 nm dalga boyuna sahip mavimsi yeşil gün ışığının, karanlıkta alacakaranlık ışığının algılanması için optimal olduğunu göstermiştir. Gün boyunca, çubukların aktif olmadığı ve yalnızca konilerin kullanıldığı zamanlarda, konilerin soğurma spektrumuna karşılık gelen kırmızı renge en duyarlı oluruz (bu konuya daha sonra değineceğiz).

Rodopsinin yapısı

Şekil 1. Fotoreseptör zarına gömülü omurgalı rodopsinin yapısı. Sarmal, retinanın yerini göstermek için hafifçe döndürülür (siyahla gösterilir). C - C terminali, N - N terminali.

İncir. 2. Rodopsinin ışıkta solması. Karanlıkta 11-cis-retinal, opsin proteinine sıkı bir şekilde bağlanır. Foton yakalama, tüm cis retinallerin trone retinale izomerizasyonuyla sonuçlanır. Bu durumda, opsin all-trons-retinal kompleksi hızla metarodo psin II'ye dönüşür ve bu da opsin ve all-trons retinale ayrışır. Rodopsin rejenerasyonu, fotoreseptörlerin ve pigment epitel hücrelerinin etkileşimine bağlıdır. Metarhodopsin II, ikincil haberci sistemini açar ve aktif durumda tutar.

Koniler ve renkli görme

Young ve Helmholtz'un 19. yüzyılda gerçekleştirdiği şaşırtıcı araştırma ve deneyler, dikkatleri çok önemli konu renkli görme hakkında ve bilim adamlarının kendileri bu fenomenin açık ve kesin bir açıklamasını yaptılar. Üçünün varlığına dair vardıkları sonuç çeşitli türler renkli fotoreseptörlerin zamana karşı dayanıklı olduğu ve daha sonra moleküler düzeyde doğrulandığı ortaya çıktı. Yine ışık ve ses algısını, renk ve ses tonunu karşılaştıran Helmholtz'dan alıntı yapabiliriz. Özellikle 19. yüzyılda yaygın olan kafa karıştırıcı vitalist kavramlarla karşılaştırıldığında, düşüncesinin açıklığına, gücüne ve güzelliğine imrenilebilir:

Renk tonlarındaki tüm farklılıklar, üç ana rengin farklı oranlardaki birleşimine bağlıdır: kırmızı, yeşil ve mor... Tıpkı güneş ışığının ve sıcaklığının algılanmasının... güneş ışınlarının güneş ışığına çarpıp çarpmamasına bağlı olması gibi. Görme reseptörlerinden veya termal hassasiyet reseptörlerinden gelen sinirler. Young'ın hipotezinde öne sürdüğü gibi, farklı renklerin algılanmasındaki farklılık, basitçe 3 tip fotoreseptörden hangisinin o ışık tarafından daha fazla etkinleştirildiğine bağlıdır. Her üç tür de mevcut olduğunda eşit olarak heyecanlandım, beyaz çıktı...

Pirinç. 3. İnsan fotoreseptörlerinin ve çeşitlilerinin duyarlılık spektrumları görsel pigmentler. (A) Üç renkli görsel pigmentin duyarlılık spektrumu eğrileri; mavi, yeşil ve kırmızıya karşılık gelen dalga boylarında emilim zirvelerini gösterir. (B) Makaklarda konilerin mavi, yeşil ve kırmızıya ve çubuklara (siyahla gösterilmiştir) duyarlılık spektrumları. Yanıtlar emme elektrotları kullanılarak kaydedildi, ortalaması alındı ve normalleştirildi. Çubuk spektrum eğrileri, insanlarda görsel pigmentlerle ilgili çalışmalardan elde edildi. (C) Renk duyarlılığı testi kullanılarak maymun ve insan koni spektrumlarının karşılaştırılması. Sürekli eğri, insanlara farklı dalga boylarında ışık sunarak renk duyarlılığını belirlemeye yönelik bir deneyi göstermektedir. Noktalı çizgi, dış segmente giderken lensteki ışık emilimi ve pigmentler için düzeltme yapıldıktan sonra ayrı ayrı konilerdeki akımların kaydedilmesinden tahmin edilen sonuçları gösterir. Her iki deneyin sonuçları arasındaki uyum şaşırtıcı derecede yüksektir.

Eğer farklı renklerdeki iki ışık huzmesini aynı anda beyaz bir ekrana yansıtırsak, bu renklerin her ikisinden de az çok farklı olan tek bir renk görürüz. Göz kuruluğunu karşılaştırırsak, üç ana rengin karışımıyla dış ışığın bileşimindeki tüm tonları algılayabildiğimiz gerçeğini daha iyi anlayabiliriz... Ses söz konusu olduğunda... duyarız. Düşük tonlar kadar uzun dalgalar ve yüksek ve delici dalgalar kadar kısa dalgalar, ayrıca kulak aynı anda birçok ses dalgasını yakalayabilir; bir sürü not. Ancak bu durumda, tıpkı farklı renklerin... tek bir karmaşık renk halinde birleşmesi gibi, bunlar tek bir karmaşık akor halinde birleşmezler. Eğer değiştirirsek göz farkı anlayamaz turuncu renk kırmızıya veya sarıya; ancak C ve E notalarının aynı anda ses çıkardığını duyarsak, böyle bir ses bize D notası gibi gelmez. Eğer kulak müzik tonlarını, gözün renkleri algıladığı gibi algılasaydı, her akor, biri çok alçak, biri çok yüksek ve biri arada olmak üzere üç sabit notanın birleşimiyle temsil edilebilirdi; bu notalar yalnızca ses tonlarındaki değişikliklerle olası tüm müzik efektlerine neden olurdu. bu üç notanın göreceli ses yüksekliği... Bununla birlikte, sonsuz sayıda ton ve tonlama yoluyla renklerin birinden diğerine yumuşak geçişini görebiliyoruz... Renklerin her birini algılama şeklimiz... temel olarak bağlıdır yapımız hakkında gergin sistem. Şu anda renk algısı teorisini doğrulamaya yönelik anatomik temelin ne insanlarda ne de dört ayaklılarda tanımlanmadığını kabul etmek gerekir.

Bu doğru ve ileri görüşlü tahminler bir dizi farklı gözlemle doğrulandı. Wald, Brauk, McNicol ve Dartnall ve meslektaşları spektrofotometri kullanarak insan retinasında farklı pigmentlere sahip üç tip koninin varlığını gösterdiler. Baylor ve meslektaşları aynı zamanda maymunların ve insanların konilerindeki akımları yönlendirmeyi de başardılar. Üç koni popülasyonunun, spektrumun mavi, yeşil ve kırmızı kısımlarına karşı farklı ancak örtüşen hassasiyet aralıklarına sahip olduğu bulundu. Heyecan verici elektrik sinyalleri için en uygun dalga boyları, gözün renk spektrumuna duyarlılığını ölçen spektrofotometri ve psikofizik deneyler kullanılarak belirlenen, görsel pigmentler tarafından ışık emiliminin zirveleriyle tam olarak örtüşüyordu. Sonuçta Natais, kırmızı, yeşil ve mavi spektruma duyarlı üç tip konideki opsin pigmentini kodlayan genleri klonladı ve sıraladı.

Nasıl oluyor da farklı görsel pigmentlerin molekülleri belirli bir dalga boyundaki ışığı tercihli olarak yakalayabiliyor? Rodopsinin çubukların görsel pigmenti olduğu ve konilerin üç görsel pigmentinin de aynı kromoforu, 11-cis-retinal'i içerdiği ortaya çıktı. Ancak pigmentin protein kısmının amino asit dizileri birbirinden farklıdır. Sadece birkaç amino asitteki farklılıklar, bunların spektruma karşı farklı hassasiyetlerini açıklamaktadır.

Renk körlüğü

Her ne kadar bir fotoreseptör tipi tek başına rengi algılama yeteneğine sahip olmasa da, Şekil 2'de gösterildiği gibi üç tip koni vardır. 4 tanesi zaten yetenekli.

Prensip olarak, renk tanıma için farklı pigmentlere sahip iki tip koni yeterli olacaktır, ancak bu durumda dalga boylarının bir takım kombinasyonları eşit olarak algılanacaktır. Bir kişi renk körlüğünden muzdarip olduğunda da benzer bir durum ortaya çıkar. Nathans'ın gösterdiği gibi bu tür insanlar, pigmentlerden birinin yokluğuna yol açan genetik kusurlara sahiptir. Bilimin mevcut durumunun zirvesinden bakıldığında, moleküler mekanizmaların Young ve Helmholtz'un parlak ve şaşırtıcı derecede doğru düşüncelerini ne kadar güzel bir şekilde doğruladığını görünce hayrete düşmeden edemiyoruz.

Pirinç. 4. Çubuktaki "karanlık" akım. (A) Karanlıkta, sodyum iyonları çubukların dış kısmındaki katyon kanallarından geçerek depolarizasyona neden olur; Kalsiyum iyonları da bu katyon kanallarından geçebilir. Potasyum akımının zarın iç kısmında dışarı doğru akması nedeniyle akım döngüsü çubuğun kıstağı içinden geçer. (B) Dış segmentte aydınlatma meydana geldiğinde, cGMP'nin hücre içi konsantrasyonundaki azalmaya bağlı olarak kanallar kapanır ve çubuk hiperpolarize olur. Hiperpolarizasyon verici salınımında azalmaya yol açar. Çubuk içinde sodyum, potasyum ve kalsiyum konsantrasyonları, iç segment (siyah daireler) bölgesinde bulunan özel pompalar ve iyon değiştiriciler tarafından korunur. Kalsiyum taşıyıcıları da dış segmentte bulunur.

Renk görme ve renk körlüğünün temel özelliklerinin fotoreseptörlerde bulunması gerektiği yönündeki fikirleri, doğrudan fizyolojik ölçümlerin yanı sıra pigmentlerin yapısındaki genetik ve protein seviyelerindeki farklılıkların incelenmesiyle de doğrulandı; potansiyel oldukça iyi durumda. -40 mV olup, 80 mV olan denge potasyum potansiyeli E K'den uzaktır.

Pirinç. 5. Çubukların dış segmentindeki sodyum kanallarının açılmasında cGMP'nin rolü. Tekli kanalların aktivitesi, farklı konsantrasyonlarda cGMP içeren bir çözelti içine yerleştirilmiş içten dışa bir yama kelepçesi kullanılarak kaydedildi. Kanalın açılması akımın yukarı doğru sapmasına neden olur. Kontrolde kanal açılma sıklığı çok düşüktü; cGMP eklenmesi, doğrudan cGMP konsantrasyonuna bağlı olan tek kanal açılma sıklığında artışa yol açtı.

Karanlıkta gelen akım, öncelikle dış segment katyon kanalları boyunca elektrokimyasal gradyanı takip eden sodyum iyonları tarafından taşınır. Işığın etkisi altında fotoreseptördeki hiperpolarizasyon, bu kanalların kapanmasından kaynaklanır ve bu da membran potansiyelinin E K'ye doğru kaymasına yol açar.

Fotoreseptör kanallarının özellikleri

Fizyolojik koşullar altında dış segment katyon kanallarının kalsiyum/sodyum/potasyum iyon iletkenlik oranı 12.5:1.0:0.7'dir ve tek kanal iletkenliği yaklaşık 0.1 pS21). Sodyum konsantrasyonu kalsiyum konsantrasyonundan çok daha yüksek olduğundan gelen akımın yaklaşık %85'i sodyum iyonlarından gelir. Potasyum iyonlarının itici gücü hücrenin dışına doğru yönlendirilir. Kalsiyum iyonları kanaldan geçtiğinde, bu iyonlar gözenek duvarına sıkı bir şekilde bağlanır ve böylece diğer iyonların geçişine müdahale eder. Bu nedenle kalsiyumun hücre dışı ortamdan uzaklaştırılması, iletkenliği 25 pS'ye yükselen kanallardan potasyum ve sodyum iyonlarının daha kolay geçişine yol açar.

Fesenko, Yau, Baylor, Strayer ve meslektaşları, döngüsel GMP'nin diskten membran yüzeyine kadar dahili bir sinyal taşıyıcısı rolü oynadığını gösterdi. Şekil 4'te gösterildiği gibi sitoplazmadaki yüksek cGMP konsantrasyonu katyon kanallarını açık tutar. Membranın iç yüzeyinden cGMP konsantrasyonu azaldıkça katyon kanallarının açılması nadir bir olay haline gelir. Dolayısıyla, fotoreseptörlerin membran potansiyeli, sitoplazmadaki cGMP konsantrasyonunun bir yansımasıdır: cGMP konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, hücrenin depolarizasyonu da o kadar büyük olur. cGMP konsantrasyonu ise gelen ışığın yoğunluğuna bağlıdır. Işık yoğunluğunun artması cGMP konsantrasyonunun azalmasına neden olur ve açık kanalların oranını azaltır. cGMP'nin yokluğunda hemen hemen tüm kanallar kapalıdır ve dış segment membranının direnci lipit çift katmanının direncine yaklaşır.

cGMP kapılı kanalların moleküler yapısı

Çubukların dış segmentindeki iyon kanalları için cDNA izole edilmiş ve bu kanalların alt birimlerinin amino asit dizileri insan, büyükbaş hayvan, fare ve tavukların retinasında belirlenmiştir. Bunlar ve koku alma sisteminde bulunanlar gibi diğer cGMP kapılı iyon kanalları için önemli DNA benzerliği bulunmuştur.

Fotoreseptörlerde sinyal iletimi

Rodopsinin fotoizomerizasyonu membran potansiyelinde değişikliklere nasıl yol açar? Çubuklar ve konilerdeki elektrik sinyallerini uyarmak için bir tür iç haberciye ihtiyaç duyulduğu uzun yıllar anlaşıldı. Çubuğun dış bölümü bölgesindeki fotonların absorpsiyonu hakkındaki bilginin bir taşıyıcı kullanılarak iletildiğinden şüphelenmenin nedenlerinden biri, rodopsin pigmentinin kendisinin diskin içinde yer alması ve sinyalin sitoplazma boyunca yayılmasıydı. dış membran. İkinci sebep ise tepkilerdeki ciddi artıştı. Kaplumbağa fotoreseptörleri üzerinde çalışan Baylor ve meslektaşları, sadece bir fotonun soğurulması ve 108 pigment molekülünden birinin aktivasyonuyla bile membran iletkenliğinde ve kaydedilen elektrik sinyallerinde bir azalmanın meydana geldiğini gösterdi.

Aktive edilmiş bir fotopigment molekülünün membran potansiyelini değiştirdiği olayların sırası, iki elektrotlu potansiyel kenetleme ve moleküler biyoloji teknikleri kullanılarak çubukların ve konilerin dış bölümlerinin incelenmesiyle aydınlatılmıştır. Bir ışık fotonunun soğurulmasından elektrik sinyaline kadar olan sinyal iletim şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.

Karanlıkta, çubukların ve konilerin dış bölümlerinden sürekli gelen "karanlık" bir akım akar. Membran sistemlerinin bir sonucu olarak. Bu kanalların membran bölgeleri özellikle S4 bölgesi ve iyon gözeneklerini oluşturan bölgede diğer katyon seçici kanallarla yapısal benzerlikler göstermektedir. Fotoreseptör iyon kanalları, moleküler kütleleri sırasıyla 63 ve 240 kDa olan en az 2 farklı protein alt biriminden oluşan tetramerlerdir.

Hücre içi nükleotid bağlanma bölgeleri, alt birimlerin karboksil ucunun yakınında bulunur. Bu alt birimlerin oositlerde ekspresyonu, çubukların dış bölümlerinde bulunanlara benzer özelliklere sahip katyon kanallarının oluşmasıyla sonuçlanır: cGMP tarafından aktive edilirler ve beklenen iletkenlik-geçirgenlik oranlarına sahiptirler.

Pirinç. Şekil 6. Bir fotopigment molekülünün aktivasyonu sırasında G-protein aktivasyonunun mekanizması. G-protein transducin, metahodopsin II varlığında GTP'ye bağlanır, bu da fosfodiesterazın aktivasyonuna yol açar ve bu da cGMP'yi hidrolize eder. cGMP konsantrasyonu düştükçe sodyum kanalları kapanır.

Döngüsel GMP metabolik kademesi

cGMP konsantrasyonunda bir azalmaya ve ardından iyon kanallarının kapanmasına yol açan olaylar zinciri Şekil 5'te gösterilmektedir. Hücre içi cGMP konsantrasyonundaki azalmaya ışık neden olur ve fotopigmentin parçalanmasında bir ara madde olan metarodopsin II'nin oluşumuna yol açar. Metharhodopsin II, sırasıyla 3 polipeptit zincirinden oluşan G-protein transdusini üzerinde etki gösterir.

Metarodopsin II ve transdusinin etkileşimi, G proteinine bağlı molekül GDP'nin GTP ile değiştirilmesine yol açar. Bu, alt birimlerden ayrılan G protein alt birimini aktive eder ve daha sonra membran bölgesinde bulunan fosfodiesterazı aktive eder: cGMP'yi hidrolize eden bir enzim. cGMP konsantrasyonu düşer, daha az açık iyon kanalı olur ve çubuk hiperpolarize olur. Bu basamak, aktif metarodopsin II'nin C-terminalinin fosforilasyonuyla kesintiye uğrar. Katyon kanallarının durumunu düzenlemede cGMP'nin anahtar rolü biyokimyasal deneylerle doğrulanmıştır. Fotoreseptörlerin aydınlatılması hücredeki cGMP seviyelerinde %20'lik bir düşüşe neden olabilir.

Işığa maruz kaldığında depolarize olan omurgalı reseptörleri

Yukarıda verilen ışık alma mekanizmasının ilginç bir istisnası bazı omurgalı reseptörleridir. Kertenkelelerin başlarının üstünde üçüncü bir gözü vardır. Ana (yan) gözler tarafından algılanana benzer bir görüntüyü algılayabilen küçük "koniler" içerir. Ancak bu fotoreseptörler, aydınlatıldığında depolarize olmaları bakımından dikkate değerdir. Buradaki nükleotit kapılı kanallar, bir istisna dışında diğer omurgalıların fotoreseptörlerine benzer bir yapıya ve fonksiyona sahiptir: fotoreseptör ve G proteininin aktivasyonu, cGMP konsantrasyonunda bir artışa yol açar. Bunun sonucunda dış segmentin kanalları açılır ve katyonlar hücreye yönlendirilerek “ışık” akımı oluşturulur. Bu karanlıkta fosfodiesteraz aktivitesinin inhibisyonu nedeniyle oluşur. Sonuç olarak, kertenkelenin gözünde şu olaylar dizisi meydana gelir: ışık - [cGMP] - dış segmentin katyon kanallarının açılması - depolarizasyon.

cGMP kademesinde sinyal amplifikasyonu

İki aşamalı cGMP kademesi, başlangıç sinyalinde önemli bir artış sağlar; bu, çubukların ışığa karşı olağanüstü duyarlılığını açıklar. İlk olarak, aktif metarodopsin II'nin bir molekülü, GDP yerine birçok GTP molekülünün eklenmesini katalize eder ve böylece yüzlerce G protein alt birimini serbest bırakır. İkinci olarak, her bir alt birim, diskte, sitoplazmada bulunan çok sayıda cGMP molekülünü parçalayabilen ve böylece çok sayıda kanalın kapanmasına yol açabilen bir fosfodiesteraz molekülünü aktive eder.

Tek ışık kuantumuna yanıt olarak sinyaller

Tek bir ışık kuantumunun algılanan ışık hissini üretebildiğine dair kanıtlar ortaya çıktı çok sayıda sorular. Bu tek yanıt ne kadar büyük? Bu sinyal gürültü seviyesinden nasıl ayrılır? Peki bu tür bilgiler retinadan daha yüksek görme merkezlerine güvenilir bir şekilde nasıl aktarılıyor? Tek ışık kuantasına yanıt olarak sinyalleri ölçmek için Baylor ve meslektaşları, kurbağaların, maymunların ve insanların retinalarındaki bireysel çubuklardan gelen akımları kaydetti. Bu deneyler, böyle bir şeyin nasıl yapıldığını gösteren benzersiz bir deneyin örneğini temsil etmektedir. zor süreç Zayıf ışık parlamalarının algılanması gibi, bireysel molekül seviyesinde meydana gelen değişikliklerle ilişkili olabilir.

Bu deneyler için, bir hayvandan veya kadavra materyalinden bir retina parçasını izole etme prosedürü karanlıkta gerçekleştirilmelidir. Akımı ölçmek için çubuğun dış kısmı ince bir pipete emilir. Beklendiği gibi, bu deneyler karanlıkta akımın sürekli olarak dış bölüme aktığını gösteriyor. Işık parlamaları dış segmentteki kanalların kapanmasına yol açarak "karanlık" akımın azalmasına neden olur. Akım genliği küçüktür ve emilen kuantum sayısıyla orantılıdır. Bazen flaş tek bir tepki verir, bazen çift tepki verir ve bazen de hiç tepki vermez.

Maymun çubuklarında, bir fotonun soğurulmasına yanıt olarak akımdaki azalma yaklaşık 0,5 pA'dır. Bu da yaklaşık 300 kanalın kapanmasına denk geliyor. Tüm kanalların %3 ila %5'i karanlıkta açılıyor. Bu, metabolik sinyaldeki önemli bir artış nedeniyle elde edilir. cGMP kademesi. Ayrıca, daha önce bahsedilen görsel pigmentlerin aşırı stabilitesi nedeniyle, rastgele izomerizasyon ve yanlış kanalın kapanması çok nadir görülen olaylardır. Bu, bireysel ışık kuantumlarının etkilerinin, çok düşük sabit gürültüden oluşan bir arka planda öne çıkmasına neden olur. Fotoreseptörler arasındaki boşluk bağlantıları aracılığıyla yapılan elektriksel bağlantının, arka plandaki gürültüyü azaltan ve tek kuantaya verilen çubuk tepkilerinin sinyal-gürültü oranını artıran ek bir yumuşatma etkisi sağladığı gösterilmiştir.

Edebiyat

1. Finn, J.T., Grunwald, M.E ve Yau, K-W. 1996. Döngüsel nükleotid kapılı iyon kanalları: Çeşitli işlevlere sahip genişletilmiş bir aile. Annu. Rev. Physiol.58: 395-426.

2. Nakanishi, S., Nakajima, Y., Masu, M., Ueda, Y., Nakahara, K., Watanabe, D., Yamaguchi, S., Kawabata, S. ve Okada, M. 1998. Glutamat reseptörler: Beyin fonksiyonu ve sinyal iletimi.

GÖRSEL PİGMENTLER(lat. pigmentum boyası) - retinanın fotoreseptörlerinin ışığa duyarlı pigmentleri. Bir ışık darbesinin enerjisini algılayan 3. madde, karmaşık bir fotokimyasal döngüden geçer. bunun sonucunda retinanın 3.p (koni veya çubuk) içeren ayrı bir görsel reseptörü heyecanlı bir duruma geçer ve alınan bilgiyi optik sinir boyunca merkezi sinir sistemine iletir. N. İle. Retinanın görsel hücrelerinin fotoreseptör zarının ana yapısal ve işlevsel parçası olan 3. s. böylece oynar Esas rol görme mekanizmalarında (bkz.).

Görsel pigmentlerin isimlendirilmesi ve yapısı. Omurgalı ve omurgasız hayvanların incelenen tüm 3.p.'leri, suda çözünmeyen membran proteini opsin ve ilişkili kromoforun (retinal) kompleksleridir. Retinal veya A vitamini aldehiti iki biçimde mevcut olabilir: retinal1 ve retinal2.

Kromoforun doğasına göre, 3. p. iki sınıfa ayrılır - retinal1 içeren rodopsinler (bkz.) ve retinal2 içeren porfiropsinler. Rodopsinler tüm kara ve deniz hayvanlarının göz retinasında, porfiropsinler ise tatlı su hayvanlarının göz retinasında bulunur. Bazı balıklarda ve amfibilerde aynı anda retina içeren 3. madde bulundu! ve retina. Retinanın çubuklarına veya konilerine özgü opsinlerdeki farklılıklar temelinde 3. sayfanın sınıflandırılmasına yönelik girişimler vardır. Örneğin, rodopsin, çubuk opsinli bir retinal1 kompleksidir, iyodopsin, koni opsinli bir retinal1 kompleksidir, porfiropsin, çubuk opsinli bir retinal2 kompleksidir, retinal-koni opsin kompleksi, siyanopsini oluşturur. Ancak en az beş farklı opsin bulunduğundan 3. p.'yi opsinlere göre sınıflandırmak son derece zordur.

Bilinen tüm bilgiler arasında boğaların, kurbağaların ve kalamarların gözlerinden izole edilen rodopsinler en kapsamlı şekilde incelenmiştir. Onlar söylüyor ağırlık (kütle) yaklaşık 30-40 bindir, her molekül yaklaşık olarak içerir. 400 amino asit ve bir kromofor. Ayrıca 3. sayfadaki molekül bir oligosakarit zinciri içerir: 3 glukozamin radikali, 2 mannoz, 1 galaktoz. Lipidler (esas olarak fosfolipidler) 3.p. molekülü ile güçlü bir kompleks oluşturur. Temel spektral özelliklerini korurken (bkz. Spektral analiz), lipit içermeyen 3.p, iyileşme yeteneği gibi işlevsel açıdan önemli bazı özelliklerini kaybeder.

Saf retinal var sarı absorpsiyon spektrumunun maksimumu 370 nm bölgesindedir. Opsin renksizdir, maksimum emilim ultraviyole bölgededir (yaklaşık 280 nm). Rodopsin molekülünün rengi kırmızımsı pembedir, maksimum absorpsiyon spektrumu yakl. 500 nm. Kompleksin oluşumu sırasında bu kadar güçlü bir spektral kaymanın nedeni (370'den 500 nm'ye - sözde batokromik kayma) henüz kesin bir açıklama alamadı.

Rodopsinlerin ve porfiropsinlerin absorpsiyon spektrumları maksimumları, görünür spektrumun oldukça geniş bir bölgesini kapsar - rodopsinler için 433'ten 562 nm'ye ve porfiropsinler için 510'dan 543 nm'ye kadar. Kurbağa, sazan ve tatlı su kaplumbağasının kurbağa yavrusunun 3. konileri de porfiropsinler, yani 620 nm'de maksimum absorpsiyon spektrumuna sahip siyanopsinler olarak kabul edilirse, bu bölgenin daha da geniş olduğu ortaya çıkar. Mikrospektrofotometri yöntemlerinin geliştirilmesi, hayvanlarda ve insanlarda birçok tipte tek fotoreseptör hücrenin absorpsiyon spektrumlarının belirlenmesini mümkün kılmıştır. Elde edilen verilere göre, insan retinasının 3.p.'si aşağıdaki maksimum absorpsiyon spektrumlarına sahiptir: çubuklar 498, mavi-, yeşil- ve kırmızıya duyarlı koniler - sırasıyla 440, 535 ve 575 nm.

3. sayfadaki çalışma Almanca olarak başladı. Araştırmacı H. Muller, 1851'de kurbağanın gözünden alınan pembemsi-mor retinanın ışıkta nasıl önce sarımsı, sonra beyazımsı hale geldiğini anlattı. 1877'de F. Boll da bu fenomeni tanımladı ve retinanın görme hücrelerinde bir tür kırmızı ışığa duyarlı maddenin bulunduğu ve bu maddenin renk değişikliğinin görme mekanizmasıyla ilişkili olduğu sonucuna vardı. 3. noktaların incelenmesinde büyük pay, 3. noktaları ayırmayı ve bunları ayrıntılı olarak incelemeyi başaran Kuhne'ye (W. Kuhne, 1877) aittir. Çıkardığı 3.p.'ye görsel mor adını verdi, protein doğasını belirledi, bazı spektral özelliklerini ve fototransformasyonlarını araştırdı ve 3.p.'nin karanlıkta yenilenme yeteneğini keşfetti. Amer.3. s.'nin çalışmasına büyük katkı sağlamıştır. biyokimyacı ve fizyolog J. Wald.

Görsel pigmentlerin fototransformasyonları. 3.p. ışığa maruz kaldığında, bunlarda fotokimyasal bir döngü meydana gelir. retinal cis-trans izomerizasyonunun birincil fotokimyasal reaksiyonuna dayanan dönüşümler (bkz. İzomerizm). Bu durumda kromofor ile protein arasındaki bağlantı bozulur. 3. sayfadaki dönüşümlerin sırası şu şekilde sunulabilir: Rodopsin (kromofor cis formundadır) -> prelumirodopsin -> lumyrhodopsin -> metarhodopsin I -> metarhodopsin II -> opsin proteini -> trans formunda kromofor. Retinol dehidrojenaz enziminin etkisi altında ikincisi, çubukların ve konilerin dış kısımlarından retinanın pigment tabakasının hücrelerine gelen A vitaminine dönüştürülür. Göz karardığında, 3. p.'nin yenilenmesi meydana gelir; kesimi gerçekleştirmek için, kromoforun (A vitamini aldehit) oluşumu için başlangıç ürün görevi gören A vitamini cis-izomerinin varlığı gereklidir. Vücutta A vitamini eksikliği veya yokluğu varsa rodopsin oluşumu bozulabilir ve bunun sonucunda alacakaranlık görme bozukluğu denilen hastalık gelişebilir. gece körlüğü (bkz. Hemeralopia). Lumirhodopsin'in reseptör hücresindeki metarodopsin I'e geçiş aşamasında rodopsinin fototransformasyon sürecinde, sözde parlak bir flaşa yanıt olarak meydana gelir. erken (kısa gecikmeli) reseptör potansiyeli. Ancak o değil görsel sinyal, fotoreseptör zarındaki 3. p'nin dönüşüm mekanizmasını incelemek için testlerden biri olarak hizmet edebilir. İşlevsel önemi sözdedir. latent periyodu (5-10 ms) metarodopsin II'nin oluşum zamanı ile karşılaştırılabilir olan geç reseptör potansiyeli. Metahodopsin I'in metahodopsin II'ye geçiş reaksiyonunun görsel sinyalin ortaya çıkmasını sağladığı varsayılmaktadır.

3. sayfa ışıkta sürekli olarak renk değiştirdiğinden, bunların sürekli yenilenmesini sağlayacak mekanizmaların olması gerekir. Bazıları son derece hızlıdır (fotorejenerasyon), diğerleri oldukça hızlıdır (biyokimyasal, rejenerasyon, Karanlık), diğerleri yavaştır (görsel hücredeki fotoreseptör zarının sürekli yenilenmesi sırasında 3. p. sentezi). Fotorejenerasyon omurgasız hayvanlarda önemli olan fizioldür (örneğin, kafadanbacaklılar- Kalamar ahtapotu). Biyokimyasal mekanizmada Omurgalılarda 3. sayfanın rejenerasyonunda, trans-retinalin (veya trans-vitamin A) tekrar cis-izomerik forma izomerizasyonunu sağlayan izomeraz enzimi (bkz.) Önemli bir rol oynamaktadır. Ancak böyle bir enzimin varlığına dair kesin kanıtlar henüz mevcut değildir. Retinal ve opsin'in 11-cis-izomerinin varlığında 3.p molekülünün oluşumunun reaksiyonu, enerji tüketimi olmadan kolayca gerçekleşir. Ağartılmış rodopsinin fosforilasyon reaksiyonuna girme yeteneği keşfedilmiştir (bkz.); bu reaksiyonun görsel hücrenin ışığa adaptasyon mekanizmasındaki bağlantılardan biri olduğu varsayılmaktadır.

Kaynakça: Akkerman Yu.Biyofizik, çev. İngilizce'den, M., 1964; Willie K. ve Det e V. Biyoloji, çev. English'ten, M., 1974, bibliogr.; Konev S.V. ve Volotovsky I.D. Moleküler fotobiyolojiye giriş, s. 61, Minsk, 1971; Ostrovsky M. A. ve Fedorovich I. B. Fotoreseptör membranında foto kaynaklı değişiklikler, kitapta: Biol'un yapısı ve fonksiyonları, membranlar, ed. A.S. Troshina ve diğerleri, s. 224, M., 1975, kaynakça; Duyusal sistemlerin fizyolojisi, ed. G.V. Gershuni, bölüm 1, s. 88, L., 1971; Görsel pigmentlerin biyokimyası ve fizyolojisi, ed. H. Langer, V. a. o., 1973; Duyusal fizyoloji el kitabı, ed. H. A. R. Jung a. o., v. 7, bölüm 1-2, B., 1972.

M. A. Ostrovsky.