Родопсин грає роль зорового пігменту. Родопсин - це зоровий пігмент

Яку функцію виконує білок Родопсин? заданий автором Атьяна Кабардинськанайкраща відповідь це Родопсин (зоровий пурпур) - основний зоровий пігмент у складі паличок сітківки ока людини та тварин. Належить до складних білків хромопротеїнів. Модифікації білка, властиві різним біологічним видам, можуть суттєво відрізнятися за структурою та молекулярною масою.

Родопсин відноситься до суперсімейства трансмембранних рецепторів GPCR (рецепторів, пов'язаних з G-білками). При поглинанні світла конформація білкової частини родопсину змінюється і він активує G-білок трансдуцин, який активує фермент цГМФ-фосфодіестеразу. В результаті активації цього ферменту в клітині знижується концентрація цГМФ і закриваються цГМФ-залежні натрієві канали. Оскільки іони натрію постійно викачуються із клітини АТФ-азой, концентрація іонів натрію всередині клітини падає. що спричиняє її гіперполяризацію. В результаті фоторецептор виділяє менше гальмівного медіатора глутамату, і в біполярній нервовій клітині, яка "розгальмовується", виникають нервові імпульси.

Дослідники вивчили умови стабільного існування та дисоціації комплексів родопсину з трансдуцином. Ті чи інші порушення цих молекулярних взаємодій можуть спричинити сліпоти. Але, на думку вчених, отримані знання знадобляться і вивчення багатьох інших захворювань.
G-білки, до яких належить трансдуцин, активуючись через сполучені рецептори, беруть участь у різних патологічних процесах. Відповідно, вони виявляються пов'язаними з діабетом, алергією, депресією, серцево-судинними порушеннями. І очікується, що з іншими молекулами G-білки взаємодіють за подібними механізмами.
Будова сітківки та зорової клітини-фоторецептора – «палички». А. Скануюча електронна мікрофотографія сітківки миші. Палички становлять ~70% з усіх (6.4×106) клітин сітківки, частку колб припадає ~2%. Зовнішні сегменти паличок (НСП) містять "диски", мембрана яких збагачена родопсином, а внутрішні сегменти (ВС) відповідають за забезпечення клітини енергією та поживними речовинами. Б. Електронна мікрофотографія НСП, виділеного із сітківки миші. Молярне співвідношення між родопсином та фосфоліпідами мембрани «дисків» - ~1:60; частка інших білків у мембрані невелика, та його роль процесі зору поки залишається нез'ясованою. В. Схематичне зображення клітини-палички. Під дією світла проникність мембрани НСП для іонів падає, що призводить до гіперполяризації та виникнення нервового імпульсу. Квазитографічне зображення поверхні родопсин-містить мембрани диска, отримане за допомогою атомно-силової мікроскопії в різному масштабі. Пунктирним овалом обведений димер родопсину, що «вибився» з рядів, що утворюються іншими димерами. Вважається, що активною формою рецептора, здатної до реакцію світ, є саме димер.
Просторова структура зорового родопсину.
Трансмембранна топологія родопсину.
посилання
Джерело:

Відповідь від 22 відповіді[гуру]

Вітання! Ось добірка тем із відповідями на Ваше запитання: Яку функцію виконує білок Родопсин?

Відповідь від INFERNO[гуру]
Родопсин (зоровий пупур) - основний зоровий пігмент у складі паличок сітківки ока людини і тварин. Належить до складних білків хромопротеїнів. Модифікації білка, властиві різним біологічним видам, можуть суттєво відрізнятися за структурою та молекулярною масою.
При поглинанні кванта світла (фотона) хромофорна група білка (11-цис-ретиналь) ізомеризується в трансформу. Порушення зорового нерва відбувається при фотолітичному розкладі родопсину за рахунок зміни іонного транспорту у фоторецепторі. Згодом родопсин відновлюється (регенерує) в результаті синтезу 11-цис-ретиналю та опсину або в процесі синтезу нових дисків зовнішнього шару сітківки.
Родопсин відноситься до суперродини трансмембранних рецепторів GPCR (рецепторів, пов'язаних з G-білками). При поглинанні світла конформація білкової частини родопсину змінюється і він активує G-білок трансдуцин, який активує фермент цГМФ-фосфодіестеразу. В результаті активації цього ферменту в клітині знижується концентрація цГМФ і закриваються цГМФ-залежні натрієві канали. Оскільки іони натрію постійно викачуються із клітини АТФ-азой, концентрація іонів натрію всередині клітини падає. що спричиняє її гіперполяризацію. В результаті фоторецептор виділяє менше гальмівного медіатора глутамату, і в біполярній нервовій клітині, яка "розгальмовується", виникають нервові імпульси.
Відповідає за нічний зір, при яскравому освітленні розкладається, повне відновлення у людини займає близько 30 хвилин.

Родопсин основний зоровий пігмент. Міститься в паличках сітківки ока морських безхребетних, риб, майже всіх наземних хребетних та людини. Належить до складних білків хромопротеїнів. Модифікації білка, властиві різним біологічним видам, можуть суттєво відрізнятися за структурою та молекулярною масою.

Функції родопсину

Під впливом світла світлочутливий зоровий пігмент змінюється і з проміжних продуктів його перетворення безпосередньо відповідальний виникнення зорового порушення. Зорові пігменти, що містяться у зовнішньому сегменті фоторецепторної клітини, є складними забарвленими білками. Та їхня частина, яка поглинає видиме світло, називається хромофором. Це хімічна сполука - альдегід вітаміну А, або ретиналь. Білок зорових пігментів, із якими пов'язаний ретиналь, називається опсином.

При поглинанні кванта світла хромофорна група білка ізомеризується у транс-форму. Порушення зорового нерва відбувається при фотолітичному розкладі родопсину за рахунок зміни іонного транспорту у фоторецепторі. Згодом родопсин відновлюється в результаті синтезу 11-цис-ретиналю та опсину або в процесі синтезу нових дисків зовнішнього шару сітківки.

Родопсин відноситься до суперродини трансмембранних рецепторів GPCR. При поглинанні світла конформація білкової частини родопсину змінюється і він активує G-білок трансдуцин, який активує фермент цГМФ-фосфодіестеразу. В результаті активації цього ферменту в клітині знижується концентрація цГМФ і закриваються цГМФ-залежні натрієві канали. Оскільки іони натрію постійно викачуються з клітини АТФ-азой, концентрація іонів натрію всередині клітини падає, що викликає гіперполяризацію. В результаті фоторецептор виділяє менше гальмівного медіатора глутамату, і в біполярній нервовій клітині, яка «розгальмовується», виникають нервові імпульси.

Спектр поглинання родопсину

Мал. 1. Спектр поглинання родопсину жаби Rana temporaria в дигітоніновому екстракті. Видно два максимуми поглинання у видимій та ультрафіолетовій області. 1 родопсин; 2 ¦ індикатор жовтий. По осі абсцис довжина хвилі; по осі ординат оптична щільність.

Специфічний спектр поглинання зорового пігменту визначається як властивостями хромофора та опсину, так і характером хімічного зв'язку між ними. Цей спектр має два максимуми - один в ультрафіолетовій ділянці, зумовлений опсином, і інший - у видимій ділянці, - поглинання хромофора рис. 1. Перетворення при дії світла зорового пігменту до кінцевого стабільного продукту складається з низки швидких проміжних стадій. Досліджуючи спектри поглинання проміжних продуктів в екстрактах родопсину за низьких температур, при яких ці продукти стабільні, вдалося докладно описати весь процес знебарвлення зорового пігменту.

У живому оці поряд із розкладанням зорового пігменту, природно, постійно йде процес його регенерації. При темновой адаптації цей процес закінчується лише тоді, коли весь вільний опсин з'єднався з ретиналем.

Денний та нічний зір

Зі спектрів поглинання родопсину видно, що відновлений родопсин відповідає за нічний зір, а при денному «колірному зорі» розкладається і максимум його чутливості зміщується в синю область. При достатньому освітленні паличка працює разом з колбочкою, будучи приймачем синій області діапазону. . Повне відновлення родопсин у людини займає близько 30 хвилин.

У паличках сітківки людини міститься пігмент родопсин, або зоровий пурпур, максимум спектра поглинання якого знаходиться в області 500 нанометрів (нм). У зовнішніх сегментах трьох типів колб (синьо-, зелено- і червоно-чутливих) міститься три типи зорових пігментів, максимуми спектрів поглинання яких знаходяться в синій (420 нм), зеленій (531 нм) та червоній (558 нм) частинах спектру. Червоний колбочковий пігмент отримав назву "йодопсин" (поглинає жовту частину спектру). Молекула зорового пігменту порівняно невелика, складається з більшої білкової частини (опсин) і меншої хромофорної (ретиналь, або альдегід вітаміну А). Ретиналь може бути в різних просторових конфігураціях, тобто ізомерних формах, але тільки одна з них - 11-цис-ізомер ретиналю виступає як хромофорна група всіх відомих зорових пігментів. Джерелом ретиналю в організмі служать каротиноїди, тому нестача їх призводить до дефіциту вітаміну А і, як наслідок, до недостатнього ресинтезу родопсину, що у свою чергу є причиною порушення сутінкового зору, або «курячої сліпоти».

Молекулярна фізіологія фоторецепції.

У темряві ретиналь у вигляді цис-форми (Рис. 14 А). На світлі змінює свою конфігурацію і перетворюється на транс-форму (Рис. 14 Б). Його бічний ланцюг випрямляється. Зв'язок ретиналю та білка переривається. Розкладання пігменту супроводжується його вицвітанням, при цьому вивільняється енергія, яка створює ПД, який через синапс запускає імпульс у нейронах. Зворотне перетворення пігменту родопсин відбувається при затемненні очей. Для утворення ретиналю необхідний цис-ізомер вітаміну А. Якщо вітамін А в організмі відсутній, розвивається куряча сліпота (людина не бачить у сутінках).

Опсин при впливі кванта світла також змінюється. Відбувається рух заряду на білку. Цей процес веде до раннього рецепторного потенціалу (РРП). Після РРП розвивається пізній РРП, який відбиває порушення нервового членика рецептора – внутрішнього сегмента. ПРП через синапс запускає імпульс у нейронах. Структура йодопсину близька до родопсину (теж складається з ретиналю з білком опсином).

НЕЙРОНИ СІТЧАТКИ

Фоторецептори сітківки синаптично пов'язані з біполярними нейронами. При дії світла зменшується виділення медіатора (глутамату) із фоторецептора, що призводить до гіперполяризації мембрани біполярного нейрона. Від нього нервовий сигнал передається на гангліозні клітини, аксони яких є волокнами зорового нерва. Передача сигналу як з фоторецептора на біполярний нейрон, і від нього на гангліозну клітину відбувається безімпульсним шляхом. Біполярний нейрон не генерує імпульсів через гранично малу відстань, на яку він передає сигнал.

На 130 млн фоторецепторних клітин припадає лише 1 млн 250 тис. гангліозних клітин, аксони яких утворюють зоровий нерв. Це означає, що імпульси від багатьох фоторецепторів сходяться (конвергують) через біполярні нейрони до однієї гангліозної клітини. Фоторецептори, з'єднані з однією гангліозною клітиною, утворюють рецептивне поле гангліозної клітини. Рецептивні поля різних гангліозних клітин частково перекривають одне одного. Таким чином, кожна гангліозна клітина підсумовує збудження, що виникає у великій кількості фоторецепторів. Це підвищує світлову чутливість, але погіршує просторовий дозвіл. Лише в центрі сітківки, в районі центральної ямки, кожна колбочка з'єднана з однією так званою карликовою біполярною клітиною, з якою з'єднана також лише одна гангліозна клітина. Це забезпечує тут високий просторовий дозвіл, але різко зменшує світлову чутливість.

Взаємодія сусідніх нейронів сітківки забезпечується горизонтальними та амакриновими клітинами, через відростки яких поширюються сигнали, що змінюють синаптичну передачу між фоторецепторами та біполярними клітинами (горизонтальні клітини) та між біполярними та гангліозними клітинами (амакринові клітини). Амакринові клітини здійснюють бічне гальмування між сусідніми гангліозними клітинами (рис. 15).

Крім аферентних волокон, у зоровому нерві є і відцентрові, або еферентні, нервові волокна, що приносять до сітківки сигнали з мозку. Вважають, що ці імпульси діють на синапс між біполярними і ганлиозными клітинами сітківки, регулюючи проведення порушення між ними.

29. СВІТЛОВА І ТЕМНОВА АДАПТАЦІЯ

При переході від темряви до світла настає тимчасове засліплення, та був чутливість очі поступово знижується. Це пристосування зорової сенсорної системи до умов яскравого освітлення називається світловою адаптацією. Зворотне явище (Темпова адаптація) спостерігається при переході зі світлого приміщення майже не освітлене. Спочатку людина майже нічого не бачить через знижену збудливість фоторецепторів і зорових нейронів. Поступово починають виявлятися контури предметів, потім розрізняються і його деталі, оскільки чутливість фоторецепторів і зорових нейронів у темряві поступово підвищується.

Підвищення світлової чутливості під час перебування у темряві відбувається нерівномірно: у перші 10 хв вона збільшується у десятки разів, а потім протягом години – у десятки тисяч разів. Важливу роль цьому процесі грає відновлення зорових пігментів. Пігменти колбочок у темряві відновлюються швидше за родопсин паличок, тому в перші хвилини перебування в темряві адаптація обумовлена ​​процесами в колбочках. Цей перший період адаптації не призводить до більших змін чутливості ока, оскільки абсолютна чутливість колбочкового апарату невелика.

Наступний період адаптації обумовлений відновленням родопсину паличок. Цей період завершується лише до кінця першої години перебування у темряві. Відновлення родопсину супроводжується різким (у 100 000-200 000 разів) підвищенням чутливості паличок до світла. У зв'язку з максимальною чутливістю у темряві лише паличок слабо освітлений предмет видно лише периферичним зором.

Істотну роль адаптації, крім зорових пігментів, грає зміна (перемикання) зв'язків між елементами сітківки. У темряві площа збудливого центру рецептивного поля гангліозної клітини збільшується внаслідок ослаблення чи зняття горизонтального гальмування. При цьому збільшується конвергенція фоторецепторів на біполярні нейрони та біполярних нейронів на гангліозну клітину. Внаслідок цього за рахунок просторової сумації на периферії сітківки світлова чутливість у темряві зростає.

Світлова чутливість ока залежить від впливів ЦНС. Роздратування деяких ділянок ретикулярної формації стовбура мозку підвищує частоту імпульсів у волокнах зорового нерва. Вплив ЦНС на адаптацію сітківки до світла проявляється у тому, що освітлення одного ока знижує світлову чутливість неосвітленого ока. На чутливість до світла впливають також звукові, нюхові та смакові сигнали.

Зорові пігменти

Зорові пігменти

Будова родопсину

Колбочки та колірний зір

Колірна сліпота

Література

Зорові пігменти

Зорові пігменти сконцентровані у мембранах зовнішніх сегментів. Кожна паличка містить близько 108 молекул пігменту. Вони організовані кілька сотень дискретних дисків (близько 750 у паличці мавп), які пов'язані із зовнішньої мембраною. У колбочках пігмент розташований у спеціальних пігментних складках, які є продовженням зовнішньої клітинної мембрани фоторецептора. Молекули пігменту становлять близько 80% від усіх білків диска. Зорові пігменти настільки щільно упаковані в мембранах зовнішнього сегмента, що відстань між двома молекулами пігменту зорового в паличці не перевищує 10 нм. Така щільна упаковка підвищує ймовірність того, що фотон світла при проходженні шару фоторецепторних клітин буде уловлений. Виникає таке запитання: як виникають сигнали при поглинанні світла зоровими пігментами?

Поглинання світла зоровими пігментами

Події, що відбуваються під час поглинання світла пігментом паличок - родопсином, вивчалися за допомогою психофізіологічних, біохімічних та молекулярних методик. Молекула зорового пігменту і двох компонентів: білкової, званої опсином, і хромофора, 11-цис-витамин А-альдегіду, званого ретиналем (рис.1). Слід уточнити, що хромофор містить хімічну групу, яка надає колір сполуки. Кількісні характеристики поглинаючої здатності пігментів були вивчені за допомогою спектрофотометрії. При освітленні родопсину - зорового пігменту паличок - світлом різної довжини хвилі, синьо-зелене світло з довжиною хвилі близько 500 нм поглиналося найкраще. Подібний результат був отриманий при освітленні окремої палички під мікроскопом пучками світла з різною довжиною хвиль. Була виявлена ​​цікава залежність між спектром поглинання родопсину та нашим сприйняттям сутінкового світла. Кількісні психофізичні дослідження, виконані на людині, показали, що блакитно-зелене денне світло з довжиною хвилі близько 500 нм оптимальне для сприйняття сутінкового світла в темряві. Вдень, коли палички неактивні і використовуються тільки колби, ми найбільш чутливі до червоного кольору, що відповідає спектру поглинання колб (про це ми поговоримо далі).

При поглинанні родопсин одного фотона ретиналь зазнає фотоізомеризації і переходить з 11-цис в транс-конфігурацію. Цей перехід відбувається дуже швидко: приблизно за 10-12 секунд. Після цього білкова частина пігменту також зазнає серії трансформаційних змін з утворенням ряду проміжних продуктів. Одна з конформацій протеїнової частини – метародопсин II – найбільш важлива для передачі сигналу (ми обговоримо це далі у цьому розділі). На рис.2 показана послідовність подій при знебарвленні та регенерації активного родопсину. Метародопсин II утворюється через 1 мс. Регенерація пігменту після його розпаду відбувається повільно протягом декількох хвилин; для цього необхідне транспортування ретиналю з фоторецепторів пігментний епітелій.

Будова родопсину

На молекулярному рівні білок опсин складається з 348 амінокислотних залишків, що утворює 7 гідрофобних зон, кожна з яких складається з 20-25 амінокислот, становлячи 7 трансмембранних спіралей. Ν-кінець молекули розташований у позаклітинному просторі (тобто всередині диска палички), а С-кінець знаходиться у цитоплазмі.

Рис.1. Структура родопсину хребетних, вбудованого в мембрану фоторецептора. Спіраль дещо розгорнута, щоб показати розташування ретиналю (зазначено чорним). С - С-кінець, N - N-кінець.

Рис.2. Вицвітання родопсину на світлі. У темряві 11-цис-ретиналь міцно пов'язаний із білком опсином. Захоплення фотона призводить до ізомеризації цис ретиналю в троні ретиналь. У цьому комплекс опсин all-тронс-ретиналь швидко перетворюється на метародо псин II, який дисоціює на опсин і all троні ретиналь. Регенерація родопсину залежить від взаємодії фоторецепторів та клітин пігментного зпітелію. Метародопсин II включає та підтримує в активному стані систему вторинних посередників.

Ретиналь з'єднаний з опсином через залишок лізину, розташований у сьомому трансмембранному сегменті. Опсин належить до сімейства білків, що мають 7 трансмембранних доменів, до якого входять і метаботропні рецептори медіаторів, такі як адренергічні та мускаринові рецептори. Як і родопсин, ці рецептори передають сигнал вторинним посередникам за допомогою активації G-білка. Родопсин напрочуд стійкий у темряві. Байор підрахував, що для спонтанної теплової ізомеризації молекули родопсину необхідно близько 3000 років, або 1023 більше, ніж для фотоізомеризації.

Колбочки та колірний зір

Дивовижні дослідження та експерименти, виконані Янгом та Гельмгольцем у XIX столітті, привернули увагу до дуже важливого питання про кольоровий зір, і самі вчені дали чітке і точне пояснення цьому феномену. Їх висновок про існування трьох різних типів колірних фоторецепторів витримав випробування часом і був підтверджений на молекулярному рівні. Знову можна процитувати Гельмгольца, який порівняв сприйняття світла та звуку, кольору та звукового тону. Можна позаздрити ясності, силі і красі його думки, особливо в порівнянні зі збиваючими з пантелику віталістистичними концепціями, широко поширеними в XIX столітті:

Всі відмінності в колірних тонах залежать від комбінації в різних пропорціях трьох основних кольорів ... червоного, зеленого і фіолетового ... Подібно до того, як сприйняття сонячного світла і його теплоти залежить ... від того, чи потрапляють промені сонця на нерви, що йдуть від рецепторів зору або від рецепторів теплової чутливості Як припустив Янг у своїй гіпотезі, відмінність у сприйнятті різних кольорів залежить просто від того, який із трьох типів фоторецепторів більше активується цим світлом. Коли всі три типи однаково збуджені, виходить білий колір.

Мал. 3. Спектри чутливості фоторецепторів людини та різних зорових пігментів. (А) Криві спектрів чутливості трьох колірних зорових пігментів, що показують піки поглинання на довжинах хвиль, що відповідають блакитному, зеленому та червоному. (В) Спектри чутливості колб до блакитного, зеленого і червоного кольорів, і паличок (показано чорним) у макак. Відповіді реєструвалися за допомогою всмоктувальних електродів, усереднювалися та нормалізувалися. Криві діапазону палички були отримані при дослідженні зорових пігментів на людях. (С) Порівняння спектрів колб мавп та людини за допомогою тесту чутливості до кольору. Безперервна крива показує експеримент визначення чутливості до кольору в людини, при пред'явленні йому світла різної довжини хвилі. Пунктиром показані результати, передбачені на основі реєстрації струмів в окремих колбочках, після корекції поглинання світла кришталиком і пігментами на шляху до зовнішнього сегменту. Збіг між результатами обох дослідів напрочуд високий.

Якщо ми проектуємо на білий екран два пучки світла різних кольорів одночасно… ми бачимо лише один колір, більш менш відмінний від обох цих кольорів. Ми зможемо краще зрозуміти видатний факт того, що ми здатні сприймати всі відтінки у складі зовнішнього світла шляхом суміші трьох основних кольорів, якщо ми порівняємо сухе око... У разі звуку... ми чуємо більш довгі хвилі як низькі тони, а короткі хвилі - як високі і пронизливі, ще вухо здатне вловлювати одночасно багато звукових хвиль, тобто. багато нот. Однак вони β даному випадку не зливаються в один складний акорд, подібно до того, як різні кольори ... зливаються в один складний колір. Око не може показати різницю, якщо ми замінюємо помаранчевий колір на червоний чи жовтий; але якщо ми чуємо ноти до і ми, що звучать одночасно, нам подібне звучання не здається нотою ре. Якби вухо сприймало музичні тони подібно до того, як око сприймає кольори, кожен акорд міг би бути представлений комбінацією трьох постійних нот, однією дуже низькою, однією дуже високою та однією проміжною, викликаючи всі можливі музичні ефекти лише шляхом змін відносної гучності цих трьох нот. Однак ми здатні бачити плавний перехід кольорів одного в інший через безліч відтінків і градацій ... Те, яким чином ми сприймаємо кожен з кольорів ... залежить е основному від будови нашої нервової системи. Слід зізнатися, в даний час ні в людини, ні у чотирилапих не описана анатомічна база для підтвердження теорії сприйняття кольору.

Ці точні та далекоглядні передбачення були підтверджені серією різних спостережень. За допомогою спектрофотометрії Вальд, Браук, МакНікол та Дартнел з колегами показали наявність у сітківці людини трьох типів колб із різними пігментами. Також Бейлор з колегами зуміли відвести струми від колб мавп та людини. Було виявлено, що три популяції колб мають різні, але перекриваються діапазони чутливості до блакитної, зеленої і червоної частини спектру. Оптимальні довжини хвиль для збудження електричних сигналів точно збіглися з піками поглинання світла зоровими пігментами, встановленими за допомогою спектрофотометрії та при психофізичних експериментах з вимірювання чутливості ока до колірного спектру. Зрештою Натаїсом були клоновані та секвеновані гени, що кодують пігмент опсин у трьох типах колб, чутливих до червоного, зеленого та блакитного спектру.

Яким чином молекули різних зорових пігментів здатні переважно вловлювати світло певної довжини хвилі? Виявляється, родопсин - зоровий пігмент паличок і всі три зорові пігменти колб містять у своєму складі один і той же хромофор, 11-цис-ретиналь. Однак амінокислотні послідовності білкової частини пігменту відрізняються один від одного. Відмінностями всього в декількох амінокислотах і пояснюється їх різна чутливість до спектру.

Колірна сліпота

Хоча один тип фоторецептора не здатний сам по собі сприймати колір, три типи колб, як показано на рис. 4, вже здатні.

У принципі, двох типів колб з різними пігментами було б достатньо для розпізнавання кольору, проте в цьому випадку ряд комбінацій довжин хвиль сприймався б однаково. Подібна ситуація виникає у разі, коли людина страждає на колірну сліпоту. Такі люди, як було показано Натансом, мають генетичні дефекти, що призводять до відсутності одного з пігментів. З висоти нинішнього стану науки ми не можемо не вразитися тому, наскільки красиво молекулярні механізми підтверджують блискучі і напрочуд точні роздуми Янга та Гельмгольця.

Мал. 4. «Темновий» струм у паличці. (А) У темряві іони натрію проходять через катіонні канали у зовнішньому сегменті паличок, викликаючи деполяризацію; іони кальцію також здатні проходити через ці катіонні канали. Петля струму проходить через перешийок палички за рахунок того, що калієвий струм тече у напрямку назовні у внутрішньому сегменті мембрани. (В) Коли відбувається освітлення зовнішнього сегмента, канали закриваються через зменшення внутрішньоклітинної концентрації цГМФ, і паличка гіперполяризується. Гіперполяризація веде до зменшення вивільнення медіатора. Концентрації натрію, калію та кальцію підтримуються усередині палички спеціальними насосами та іонообмінниками, розташованими в області внутрішнього сегменту (чорні кружки). Транпортери кальцію також знаходяться у зовнішньому сегменті.

Їх ідея про те, що основні атрибути кольорового зору і колірної сліпоти повинні бути виявлені в самих фоторецепторах, були підтверджені за допомогою прямих фізіологічних вимірювань, а також при вивченні відмінностей у будові пігментів на генетичному і білковому рівнях. далеко від рівноважного калієвого потенціалу ЕК, що становить – 80 мВ.

Мал. 5. Роль цГМФ у відкритті натрієвих каналів зовнішнього сегмента паличок. Проводилася реєстрація активності одиночних каналів за допомогою inside-out patch clamp, що знаходяться в розчині з різною концентрацією цГМФ. Відкриття каналу призводить до відхилення струму вгору. Частота відкриття каналів була дуже низька у контролі, додавання цГМФ призводило до збільшення частоти відкриття одиночних каналів, яка прямо залежала від концентрації цГМФ

Вхідний струм у темряві переноситься в основному іонами натрію, наступними електрохімічним градієнтом через катіонні канали зовнішнього сегмента. Гіперполяризація фоторецептора при дії світла обумовлена ​​закриттям цих каналів, що призводить до зсуву мембранного потенціалу у бік ЕК.

Властивості каналів фоторецептора

Катіонні канали зовнішнього сегмента за фізіологічних умов мають співвідношення у провідності іонів кальцію/натрію/калію як 12,5: 1,0: 0,7 і провідність одиночного каналу близько 0,1 пСм21). Через те, що концентрація натрію набагато вища, ніж концентрація кальцію, близько 85% вхідного струму посідає іони натрію. Рухаюча сила іонів калію спрямована назовні клітини. При проходженні каналу іонами кальцію ці іони міцно зв'язуються зі стінкою пори і заважають, таким чином, проведенню інших іонів. Саме через це видалення кальцію з позаклітинного середовища призводить до більш легкого проходження іонів калію та натрію через канали, провідність яких зростає до 25 пСм.

Фесенко, Яу, Бейлор, Страйер із колегами показали, що циклічна ГМФ грає роль внутрішнього переносника сигналу від диска до поверхні мембрани. Як показано на рис.4, висока концентрація цГМФ у цитоплазмі підтримує катіонні канали у відкритому стані. При зменшенні концентрації цГМФ із внутрішньої поверхні мембрани відкриття катіонних каналів стає рідкісною подією. Таким чином, мембранний потенціал фоторецепторів є відображенням концентрації цГМФ у цитоплазмі: чим вища концентрація цГМФ, тим більша деполяризація клітини. Концентрація ж цГМФ, своєю чергою, залежить від інтенсивності падаючого світла. Підвищення інтенсивності світла призводить до зменшення концентрації цГМФ та зменшує частку відкритих каналів. Без цГМФ багато каналів закриті, і опір мембрани зовнішнього сегмента наближається до значення опору ліпідного бислоя.

Молекулярна структура цГМФ-керованих каналів

Було виділено кДНК для іонних каналів зовнішнього сегмента паличок та визначено амінокислотні послідовності субодиниць даних каналів у сітківці людини, бика, миші та курки. Було виявлено значну схожість ДНК для цих та інших цГМФ-керованих іонних каналів - наприклад, знайдених у нюховій

Передача сигналу у фоторецепторах

Як фотоізомеризація родопсину призводить до зміни мембранного потенціалу? Протягом багатьох років було зрозуміло, що потрібен якийсь внутрішній посередник для збудження електричних сигналів у паличках та колбочках. Однією з причин підозрювати, що інформація про поглинання фотонів в області зовнішнього сегмента палички передається за допомогою переносника був той факт, що сам пігмент родопсин знаходиться всередині диска, а сигнал поширюється через цитоплазму до зовнішньої мембрани. Другою причиною було значне посилення відповіді. Бейлор з колегами, вивчаючи фоторецептори черепахи, показав, що зменшення мембранної провідності та реєстрованих електричних сигналів виникає вже при поглинанні всього одного фотона та активації однієї зі 108 пігментних молекул.

Послідовність подій, при яких активована молекула фотопігменту змінює мембранний потенціал, була з'ясована при вивченні зовнішніх сегментів паличок та колб, використовуючи методи двоелектродної фіксації потенціалу та методів молекулярної біології. Схема передачі сигналу від поглинання фотона світла до електричного сигналу показано на рис. 3.

У темряві в зовнішніх сегментах паличок і колб протікає постійний вхідний «темновий» струм. В результаті їх мембран система. Мембранні ділянки цих каналів виявляють структурні подібності з іншими катіон-селективними каналами, особливо в області S4 та області, що формує іонну пору. Іонні канали фоторецептора є тетрамерами, складеними принаймні з 2 різних білкових субодиниць з молекулярною масою 63 і 240 кДа відповідно.

Внутрішньоклітинні місця зв'язування нуклеотидів розташовані біля карбоксильного кінця субодиниць. Експресія цих субодиниць в ооцитах призводить до формування катіонних каналів, що мають властивості подібні до каналів, розташованих у зовнішніх сегментах паличок: вони активуються цГМФ і мають очікувані співвідношення провідності і проникності.

Мал. 6. Механізм активації G-білка під час активації молекули фотопігменту. G-білок трансдуцин пов'язує ГТФ у присутності метародопсину II, що призводить до активації фосфодіестерази, яка, у свою чергу, гідролізує цГМФ. При падінні концентрації цГМФ закриваються натрієві канали.

Метаболічний каскад циклічного ГМФ

Ланцюжок подій, що призводять до зменшення концентрації цГМФ і подальшого закриття іонних каналів, показано на рис.5. Зменшення внутрішньоклітинної концентрації цГМФ викликається світлом, що призводить до утворення метародопсин II, проміжного продукту в розпаді фотопігменту. Метародопсин II впливає, у свою чергу, на G-білок трансдуцин, який складається з 3 поліпептидних ланцюгів.

Взаємодія метародопсину II та трансдуцину призводить до заміни пов'язаної з G-білком молекули ГДФ на ГТФ. Чи це активує? субодиницю G-білка, яка відокремлюється від субодиниць і, у свою чергу, активує розташовану в примембранній ділянці фосфодіестеразу: фермент, який гідролізує цГМФ. Концентрація цГМФ падає, стає менше відкритих іонних каналів, паличка гіперполяризується. Каскад переривається при фосфорилювання С-кінця активного метародопсину II. Ключова роль цГМФ у регулюванні стані катіонних каналів була підтверджена біохімічними експериментами. Висвітлення фоторецепторів може спричинити 20% падіння рівня цГМФ у клітині.

Рецептори хребетних, які деполяризуються при дії світла.

Цікавим винятком із механізму фоторецепції, наведеного вище, є деякі хребетні рецептори. У ящірок є третє око, розташоване на маківці. У ньому знаходяться маленькі «колбочки», здатні сприймати зображення, подібне до сприймається основними (бічними) очима. Ці фоторецептори, однак, є примітними тим, що деполяризуються при освітленні. Канали, керовані нуклеотидами, тут мають подібну будову та функціонування з фоторецепторами інших хребетних, за одним винятком: активація фоторецептора та G-білка призводить до збільшення концентрації цГМФ. В результаті цього канали зовнішнього сегмента відкриваються, і катіони направляються всередину клітини, формуючи світловий струм. Це відбувається завдяки пригніченню активності фосфодіестерази у темряві. В результаті в оці ящірки відбувається наступна послідовність подій: світло - [цГМФ] - покриття катіонних каналів зовнішнього сегмента - деполяризація.

Посилення сигналу у каскаді цГМФ

Двоетапний каскад цГМФ забезпечує значне посилення вихідного сигналу, чим пояснюється виняткова чутливість паличок до світла. По-перше, одна молекула активного метародопсину II каталізує приєднання багатьох молекул ГТФ замість ГДФ і таким чином звільняє сотні субодиниць G-білка. По-друге, кожна субодиниця активує одну молекулу фосфодіестерази в диску, яка здатна розщепити величезну кількість молекул цГМФ, що знаходяться в цитоплазмі, і таким чином призвести до закриття великої кількості каналів.

Сигнали у відповідь на поодинокі кванти світла

Дані про те, що поодинокі кванти світла можуть викликати відчуття світла, що сприймається, викликали велику кількість питань. Наскільки велика ця поодинока відповідь? Як цей сигнал виділяється з рівня шуму? І яким чином така інформація достовірно передається із сітківки до вищих зорових центрів? Щоб виміряти сигнали у відповідь на одиночні кванти світла, Бейлор із колегами реєстрували струми від окремих паличок у сітківках жаби, мавпи та людини. Ці досліди є унікальним прикладом експерименту, в якому показано, як такий складний процес, як сприйняття слабких спалахів світла, може корелювати зі змінами, що відбуваються на рівні окремих молекул.

Процедура з ізоляції фрагмента сітківки від тваринного чи трупного матеріалу повинна цих експериментів проводитися у темряві. Для вимірювання струму зовнішній сегмент палички засмоктується у тонку піпетку. Як і очікувалося, ці експерименти показують, що в темряві струм постійно протікає всередину зовнішнього сегмента. Спалахи світла призводять до закриття каналів у зовнішньому сегменті, викликаючи зменшення темного струму. Амплітуда струмів невелика та пропорційна числу поглинених квантів. Іноді спалах викликає одиночну відповідь, іноді – подвійну, а іноді – взагалі жодну реакцію.

У паличках мавпи зменшення струму у відповідь на поглинання одного фотона становить близько 0,5 пА. Це відповідає закриттю близько 300 каналів, тобто. від 3 до 5% всіх відкритих у темряві каналів. Це досягається завдяки значному посиленню сигналу метаболічному каскаді цГМФ. Більше того, через крайню стабільність зорових пігментів, згадану раніше, випадкова ізомеризація та хибне закриття каналів - події дуже рідкісні. Це призводить до того, що ефекти окремих квантів світла виділяються і натомість дуже низького постійного шуму. Було показано, що електричний зв'язок за допомогою щілинних контактів між фоторецепторами забезпечує додатковий ефект, що згладжує, який зменшує фоновий шум і покращує відношення сигнал/шум відповідей паличок на одиночні кванти.

Література

1. Finn, JT, Grunwald, M. E, Yau, K-W. 1996. Cyclic nucleotide-gated ion channels: An extended family with diverse functions. Annu. Rev. Physiol.58: 395-426.

2. Наканіші, S., Nakajima, Y., Masu, M., Ueda, Y, Nakahara, K., Watanabe, D., Yamaguchi, S., Kawabata, S., і Okada, M. 1998. Glutamate receptors : Brain function and signal trans-duction.

Морських безхребетних, риб, майже всіх наземних хребетних і людини та за даними недавнього дослідження у клітинах шкіри меланоцитах. Належить до складних білків хромопротеїнів. Модифікації білка, властиві різним біологічним видам, можуть істотно відрізнятися за структурою та молекулярною масою. Світлочутливий рецептор клітин-паличок, представник сімейства А (або сімейства родопсину) G-білоксполучених рецепторів (GPCR-рецепторів).

Функції родопсину

Родопсин відноситься до супер сімейства трансмембранних рецепторів GPCR (рецепторів, пов'язаних з G-білками). При поглинанні світла конформація білкової частини родопсину змінюється і він активує G-білок трансдуцин, який активує фермент цГМФ-фосфодіестеразу. В результаті активації цього ферменту в клітині знижується концентрація цГМФ і закриваються цГМФ-залежні натрієві канали. Оскільки іони натрію постійно викачуються з клітини АТФ-азой, концентрація іонів натрію всередині клітини падає, що викликає гіперполяризацію. В результаті фоторецептор виділяє менше гальмівного медіатора ГАМК, і в біполярній нервовій клітині, яка «розгальмовується», виникають нервові імпульси.

Спектр поглинання родопсину

У живому оці, поряд з розкладанням зорового пігменту, постійно йде процес його регенерації (ресинтезу). При темновой адаптації цей процес закінчується лише тоді, коли весь вільний опсин з'єднався з ретиналем.

Денний та нічний зір

Зі спектрів поглинання родопсину видно, що відновлений родопсин (при слабкому «сутінковому» освітленні) відповідає за нічний зір, а при денному «колірному зорі» (яскравому освітленні) він розкладається, і максимум його чутливості зміщується в синю область. При достатньому освітленні паличка працює спільно з колбочкою, будучи приймачем синьої області спектру