Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

пассивного транспорта ионов натрия удовлетворительно коррелирует с увеличением электрического сопротивления клеточной мембраны.

Решающая роль ионов Na+ в возникновении мембранного потенциала подтверждается опытами японского исследователя Хамасаки, согласно которым изолированная сетчатка глаза лягушки не обнаруживает обычной электро-ретинограммы при отсутствии ионов Na+ в наружной среде. В дальнейшем было показано, что амплитуда рецепторного потенциала увеличивается прямо пропорционально логарифму концентрации Na+. Сходные по смыслу данные приводят также Арден и Эрнст. Введение ионов Na+ внутрь палочки уменьшало величину световой гиперполяризации мембраны. Последующее восстановление исходного натриевого градиента путем добавления ионов

Na+ в окружающую среду приводило к нормализации мембранного потенциала.

f Рассмотрим теперь более подробно возможные механизмы трансмиссии сигнала от дисков к наружной плазматической мембране. Если трансмиссия сигнала осуществляется химическим путем, то медиатор должен обладать коэффициентом диффузии в водной среде порядка 10~5 см2-с~1 и его равновесная концентрация в палочке, имеющей диаметр 10 мкм, должна устанавливаться за время менее 2 мс. Медиатор должен обладать также высоким сродством к структурам, формирующим каналы пассивной проницаемости ионов в мембране. Этим условиям в фоторецепторной клетке удовлетворяют ионы Са2+. Первые данные об ионах Са2+ как медиаторе передачи информации от дисков к наружной мембране палочки были получены Иошиками и Хэггинсом. Оказалось, что увеличение концентрации Са2+ от 1,4 до 20 мМ в окружающей среде имитирует действие света. С другой стороны, при помещении палочек в раствор с низкой концентрацией Са2+ (10~7 М) значительно искажается световая зависимость фотоответа: для возникновения сигнала необходима энергия, в 10 раз превышающая обычную. Более того, в присутствии кальциевого ионофо-ра Х-537А, под действием которого концентрация Са2+ по обе стороны мембраны быстро выравнивается, уже низких концентраций Са2+ (10~5М) достаточно, чтобы подавить темновой ток.

Предполагается, что после освещения Са2+ выходит из дисков, в которых он накапливался в темноте. Прямыми измерениями установлено, что концентрация Са2+ в дисках составляет величину порядка 10~3М, а в междисковом пространстве — 10~6М; освещение вызывает увеличение концентрации Са2+ в междисковом пространстве на величину 5-10-7—10~бМ, что соответствует в пересчете на один поглощенный фотон 3—300 ионам Са2+.

К сожалению, еще окончательно не выяснен вопрос о механизмах темнового накопления дисками ионов Са2+, а также светового их высвобождения. По мнению одного из ведущих специалистов в области фотобиологии зрения Бонтинга, в мембранах дисков представлены два типа сайтов, обладающих высоким и низким сродством к Са2+. Большую долю связывания обеспечивают сайты низкого сродства (фосфолипиды?). Сайты высокого сродства могут быть элементами системы транслокации Са2+. На возможное участие системы АТФ-аз в темновом накоплении Са2+ указывает зависимость эффективности процесса от экзогенной АТФ.

Высказывается также предположение, что в качестве химического медиатора структурного сигнала может выступать циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), в присутствии которого проницаемость бислойных липид-ных мембран для ионов Na+ увеличивается. Однако в последнее время в качестве одного из возможных кандидатов на роль медиатора сигнала от дисков к наружной мембране рассматривается не циклический аденозинмонофосфат, а циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), концентрация которого в наружных сегментах примерно на два порядка превышает концентрацию цАМФ. В мембранах наружных сегментов обнаружены и ферменты метаболизма цГМФ — гуанилатциклаза и фосфодиэсте-раза. Показано, что после освещения концентрация цГМФ в наружных сегментах сильно уменьшается, причем этот эффект связан не с ингибированием гуанилат-циклазы, а обусловлен стимуляцией фосфодиэстеразы. Спектр действия этого процесса полностью совпадает со спектром поглощения родопсина. Поскольку изолированная фосфодиэстераза, согласно данным Битенского с сотр., каким-либо ощутимым поглощением в видимой части спектра не обладает и светом не активируется, это указывает на участие эффектов мембранного дальнодействия в фотоиндуцированной стимуляции фосфодиэстеразы.

Подсчитано, что при фототрансформации одной молекулы родопсина активируется одна молекула фосфодиэстеразы, которая, в свою очередь, при физиологических условиях гидролизует за 10 мкс лишь восемь молекул цГМФ. Если принять, что в адаптированном к темноте наружном сегменте имеется около 40 000 молекул цГМФ, то очевидно, что только снижением концентрации цГМФ в наружном сегменте передачу сигнала от дисков к наружной мембране объяснить нельзя.

Следует отметить, что наряду с рассмотренной схемой «вторичных процессов рецепции» можно представить себе и другие механизмы темнового усиления. В основе одного из них, например, может лежать передача структурного сигнала от диска к наружной мембране в виде волны конформационного возмущения. На эту мысль наводит факт, описанный Хэггинсом; изменение проницаемости наружной мембраны наблюдается только в области, непосредственно примыкающей к облученным дискам. И наконец, по мнению ряда исследователей, родопсин входит в состав не только дисков, но и наружной мембраны, следовательно, изменение ее проницаемости может быть обусловлено прямыми фотоэффектами.

Шсле возникновения рецепторного потенциала в зрительной клетке в последующие события вовлекается пре-синаптическая область палочек и колбочек и контактирующие с ними отростки горизонтальных и биполярных нервных клеток. На эти нервные клетки сигнал передается с помощью медиатора ацетилхолина. В свою очередь биполярные клетки образуют синаптические связи с амакриновыми и ганглиозными клетками. Прямой афферентный путь сформирован из фоторецепторной биполярной и ганглиозной клеток. Горизонтальные и амакрино-вые нервные клетки обеспечивают коллатеральное, резервное взаимодействие. На уровне нервных клеток и их волокон зрительный сигнал передается с помощью электрического потенциала действия спайка, а в местах вторичных синапсов — с помощью ацетилхолина.

Резюмируя сказанное, последовательность событий, лежащих в основе фоторецепции, можно представить так:

цис-транс- конформационные

свет^ изомеризация »- перестройки в липохромопротеид- —

ретиналя ном комплексе

структурные увеличение

перестройки ? проницаемости для Na"7** *

мембран дисков его сорбция в диске и выход

I медиатора

раиний рецепториый потенциал

уменьшение прони- медиаторная передача

цаемости наружной сигнала через синапс нервным

мембраны для Na+и клеткам (спайк)

ее гиперполяризация

поздний рецепторный потенциал

5. ЦВЕТНОЕ ЗРЕНИЕ

Акцептор цветного зрения (иодопсин) локализован в мембранной системе дисков колбочек. Как и у родопсина, у иодопсина хромофорной группой является ретиналь.

0,02

Эти пигменты различаются

лишь белковыми носителями —

^ опсинами.

0,0/

О

В соответствии с наиболее обоснованной к настоящему времени теорией цветное зрение трех компонентно. Действительно, в сетчатке глаза обнаружено три рода колбочек, ответственных за восприятие сиqqq ^ ш него, зеленого и красного света.

Акцепция этих световых потоРис. 28. Дифференциальные ков осуществляется тремя виспектры поглощения различ- вами иодопсина.

ных колбочек в сетчатке гла- Vfie ЛИТР ЛЬНМР ЛПКЯЧЯТР лкза человека (Brown Р., Убедительные доказательWald G., 1964) ства существования трех различных зрительных пигментов (иодопсинов) получены с помощью микроспектрофотометрии одиночных колбочек сетчатки глаза (рис 28). Оказалось, что все исследованные колбочки обладали одним из трех возможных спектров поглощения с максимумами при 445, 535 и 570 нм. При этом три дискретных класса спектров поглощения колбочек обусловлены не различной природой хромофора, а структурными особенностями белковых частей зрительного пигмента — их опсинами. Существование трех типов колбочек подтверждается также электрофизиологическими исследованиями, в которых регистрировалась спектральная чувствительность отдельных колбочек (спектры действия рецепторного потенциала). В этих экспериментах удалось выявить три типа клеток, различающихся по спектральной чувствительности.

Известно, что при наследственных аномалиях цветного зрения относительно независимо (хотя и с различной частотой) может повреждаться любой компонент цветного зрения, т. е. каждый из белковых носителей запрограммирован своим структурным цистроном ДНК. По-видимому, все три иодопсина различаются первичной структурой своих белковых носителей.

Итак, для нормального зрения человека необходим биосинтез четырех различных белков: опсина палочек, «красного», «зеленого» и «синего» опсинов колбочек. Первичная структура их закодирована в четырех генах, два из которых («красный» и «зеленый») локализованы в женской Х-хромосоме. Следует подчеркнуть, что восприятие цветов и их оттенков является функцией всего зрительного анализатора и прежде всего головного мозга, а не только колбочек сетчатки.

Природа фотохимических и фотофизических стадий зрительного акта с участием иодопсинов изучена недостаточно, так как прямое получение препаратов иодопсина из адаптированной к темноте сетчатки довольно сложно. Эта трудность была преодолена Иошизавой и Уолдом, разработавшими для получения иодопсина специальную методику. Из адаптированной к свету сетчатки приготавливается суспензия зрительных клеток, из которых 20%-ным раствором дигитонина экстрагируют опсин палочек и колбочек. При инкубации смеси опсинов в темноте с избытком \\-цис- или 9-^ис-ретиналя белок ассоциирует с пигментом и заново образуются молекулы родопсина и иодопсина. Учитывая, что ретиналь ассоциирует гораздо быстрее с опсином колбочек, Иошизава и Уолд использовали ненасыщающие концентрации пигмента, при которых образовывался только иодопсин. Далее из смеси иодопсин выделяли обычными методами.

После облучения светом иодопсин, как и родопсин, пре

страница 26
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.10.2019)