Феномен зору оптика фотохімічних реакцій. Фотохімія

У статті наводяться дані про функціонування зорового циклу у вищих тварин та людини. Розглянуто фотоцикл хромофорного ретинальвмісного трансмембранного рецепторного білка родопсину, відповідального за функції сприйняття світла при поглинанні його молекулою кванта світла та подальших біохімічних реакцій, пов'язаних із закриттям катіонних (Na + /Са 2+) каналів та гіперполяризації мембрани. Показано механізм взаємодії родопсину з рецепторним G-білком трансдуцином, що є ключовим біохімічним етапом у зоровому процесі, що полягає в активації трансдуцину при його взаємодії з активованим родопсином та обмін у зв'язаному стані ГТФ на ГДФ. Потім комплекс дисоціює та активує фосфодіестеразу шляхом заміщення її інгібіторної субодиниці. Також розглянуто механізм сприйняття кольору зоровим апаратом, що має здатність аналізувати певні діапазони оптичного спектра, як кольору. Змішування зеленого і червоного кольору не робить ніякого середнього кольору: мозок сприймає його як жовтий колір. При випромінюванні електромагнітних хвиль, що відповідають зеленому та червоному кольору, мозок сприймає "середнє рішення" - жовтий колір.

ВСТУП

Зір (зорове сприйняття) - процес психофізіологічної обробки зображення об'єктів навколишнього світу, що здійснюється зорової системою, і що дозволяє отримувати уявлення про величину, форму і колір навколишніх предметів, їх взаємне розташування і відстань між ними. За допомогою зору людина отримує 90% всієї інформації, що надходить у мозок. Невипадково така величезна роль зору життєдіяльності людини. За допомогою зору людина отримають не тільки величезну кількість інформації про навколишній світ, а також може насолоджуватися красою природи і великими витворами мистецтва. Джерелом зорового сприйняття є світло, що випромінюється або відбивається від предметів зовнішнього світу.

Функція зору здійснюється завдяки складній системі різних взаємозалежних структур - зорового аналізатора, що складається з периферичного відділу (сітківка, зоровий нерв, зоровий тракт) і центрального відділу, що поєднує підкіркові та стовбурові центри середнього мозку, а також зорову область кори півкуль великого мозку. Людське око сприймає світлові хвилі лише певної довжини – від 380 до 770 нм. Світлові промені від предметів, що розглядаються, проходять через оптичну систему ока (рогівку, кришталик і склоподібне тіло) і потрапляють на сітківку, в якій розташовані світлочутливі клітини - фоторецептори (колбочки і палички). Світло, потрапляючи на фоторецептори, викликає каскад біохімічних реакцій зорових пігментів, що містяться в них (зокрема, найбільш вивченого з них родопсину, відповідального за сприйняття електромагнітного випромінювання видимого діапазону), і в свою чергу, - виникнення нервових імпульсів, які передаються в наступні нейрони сітківки і далі в зоровий нерв. По зоровим нервам, потім по зоровим трактам нервові імпульси надходять у латеральні колінчасті тіла - підкірковий центр зору, а звідти в кірковий центр зору, розташований у потиличних частках головного мозку, де відбувається формування зорового образу.

За останнє десятиліття російськими та зарубіжними вченими було отримано нові дані, що розкривають молекулярні основи зорового сприйняття. Ідентифіковано зорові молекули, що беруть участь у реакції на світло і розкрито механізм їх дії. У цій статті розглянуто основні біохімічні механізми, пов'язані з зоровим сприйняттям та еволюцією зорових молекул.

Молекулярні засади зору.

Процес сприйняття світла має певну локалізацію у фоторецепторних клітинах сітківки ока, чутливих до світла. Сітківка за своєю будовою є багатошаровим шаром нервової тканини, чутливою до світла, який вистилає внутрішню задню частину очного яблука. Сітківка розташована на пігментованій мембрані, що позначається як пігментований епітелій сітківки (ПЕМ), який поглинає світло, що проходить крізь сітківку. Це запобігає зворотному відображенню світла крізь сітківку та нове реагування, що не дозволяє зору розпливатися.

Світло проникає крізь око і створює складну біохімічну реакцію у клітинах фоторецепторів сітківки, чутливих до світла. Фоторецепторні клітини поділяються на два типи, які за їх характерну форму називають паличками та колбками (рис. 1). Палички розташовані в забарвленому шарі сітківки ока, в якому синтезується відповідальний за колірне сприйняття фотохромний родопсин білок, і є рецепторами світла низької інтенсивності. Колбочки виділяють групу зорових пігментів (йодопсин) і пристосовані розрізняти кольори. Палички дозволяють бачити чорно-білі зображення при тьмяному світлі; колбочки здійснюють колірний зір при яскравому світлі. Сітківка людини містить близько 3 млн. колб та 100 млн. паличок. Розміри їх дуже невеликі: довжина близько 50 мкм, діаметр – від 1 до 4 мкм.

Електричні сигнали, що генеруються колбочками і паличками, обробляються іншими клітинами сітківки – біполярними та гангліозними клітинами, перш ніж вони передаються в мозок по зоровому нерву. Додатково є ще два шари проміжних нейронів. Горизонтальні клітини передають повідомлення туди і назад між клітинами фоторецепторів, біполярних клітин та один одному. Аамакринні клітини (клітини сітківки) взаємопов'язані з біполярними клітинами, гангліозними клітинами, а також одна з одною. Обидва види таких проміжних нейронів відіграють головну роль обробці візуальної інформації лише на рівні сітківки перед тим, як вона передаються у мозок для кінцевої обробки.

Колбочки приблизно в 100 разів менш чутливі до світла, ніж палички, але краще сприймають швидкі рухи. Паличка може бути збуджена одним фотоном - найменшою можливою кількістю світла. Каскад молекулярних взаємодій посилює цей «квант» інформації у хімічний сигнал, який потім сприймається нервовою системою. Ступінь посилення сигналу змінюється в залежності від фонового освітлення: палички чутливіші при тьмяному світлі, ніж при яскравому. В результаті вони ефективно функціонують у широкому діапазоні фонового освітлення. Сенсорна система паличок упакована в добре помітні клітинні субструктури, які можна легко виділяти та досліджувати in vitro.

Колбочки та палички подібні до будови і складаються з чотирьох ділянок. У їхній будові прийнято розрізняти:

зовнішній сегмент, що містить мембранні напівдиски;

внутрішній сегмент, що містить мітохондрії;

сполучний відділ - перетяжка;

синаптичну область.

За будовою паличка є довгою тонкою клітиною, розмежованою на дві частини. Зовнішній сегмент клітини містить більшу частину молекулярного механізму, що детектирує світло та ініціює нервовий імпульс. Внутрішній сегмент відповідальний за генерацію енергії та оновлення молекул у зовнішньому сегменті. Крім цього, внутрішній сегмент формує синаптичне закінчення, яке служить зв'язку з іншими клітинами. Якщо ізольовану сітківку трохи потрясти, зовнішні сегменти паличок відпадають і весь апарат збудження можна досліджувати in vitroу високоочищеному вигляді. Ця властивість паличок робить їх незамінним об'єктом дослідження біохіміків.

Зовнішній сегмент палички є вузькою трубкою, заповненою чаркою тонких мембранних дисків; утвореними цитоплазматичною мембраною та відокремленими від неї. В одній клітці їх приблизно 2 тисячі. І трубка, і диски утворені двошаровою цитоплазматичною мембраною одного й того самого типу. Але зовнішня (плазматична) мембрана палички та мембрана дисків мають різні функції у фоторецепції світла та генерації нервового імпульсу. Диски містять більшість білкових молекул, що беруть участь у поглинанні світла та ініціації збудливої ​​відповіді. Зовнішня мембрана служить для перетворення хімічного сигналу на електричний.

Зв'язок між двома сегментами здійснюється через цитоплазму та пару вій, що переходять з одного сегмента в інший. Вії містять лише 9 периферичних дублетів мікротрубочок: пара центральних мікротрубочок, характерних для вій, відсутня. Внутрішній сегмент паличок – це область активного метаболізму; вона заповнена мітохондріями, що доставляють енергію для процесів зору, та полірибосомами, на яких синтезуються білки, що беруть участь у освіті мембранних дисків та зорового пігменту родопсину.

РОДОПСИН І ЙОГО СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ

До найважливіших інтегральних молекул трансмембранних рецепторних G білків, пов'язаних з мембраною дисків, відноситься родопсин . Він являє собою фоторецепторний хромофорний білок паличок, який поглинає фотон і створює відповідь, що становить першу стадію ланцюга подій, що забезпечують зір. Родопсин складається з двох компонентів - безбарвного білка опсину, що функціонує як фермент і ковалентно пов'язаного хромофорного компонента - похідного вітаміну А, 11- цис-ретиналю, що акцептує світло (рис. 2). Поглинання фотона світлі 11- цис-ретиналем «включає» ферментативну активність опсину та приводить у дію біохімічний каскад фоточутливих реакцій, відповідальних за зорове сприйняття.

Родопсин належить до сімейства G-рецепторів (GPCR-рецепторів), відповідальних за механізм трансмембранної передачі сигналу, заснований на взаємодії з внутрішньоклітинними мембранними G-білками – сигнальними G-білками, що є універсальними посередниками при передачі гормональних сигналів від рецепторів клітинної мембрани до ефекторних білків що викликає кінцеву клітинну відповідь. Встановлення його просторової структури є важливим у біології та медицині, оскільки родопсин як «родоначальник» сімейства GPCR-рецепторів є «моделлю» структури та функцій багатьох інших рецепторів, надзвичайно важливих з науково-фундаментальної та практичної (фармакологічної) точок зору.

Просторова структура родопсину довго не піддавалася вивченню «прямими» методами – рентгеноструктурним аналізом та спектроскопією ЯМР, у той час як молекулярна структура іншого спорідненого родопсину трансмембранного білка бактеріородопсину з аналогічною структурою, що виконує функції АТФ-залежної транслокази в мембранах клітин галоф мембрану клітини та що бере участь у анаеробному фотосинтетичному фосфорилюванні (безхлорофільному синтезі), було визначено ще 1990-го року. Структура зорового родопсину залишалася невідомою аж до 2003 року.

За своєю будовою молекула опсину є поліпептидним ланцюгом з 348 залишків амінокислот. Амінокислотна послідовність опсину було визначено російськими вченими лабораторії Ю.А. Овчиннікова в Інституті біоорганічної хімії ім. М.М. Шемякіна в Москві. У цих дослідженнях отримано важливу інформацію про тривимірну структуру цього важливого білка, що пронизує мембрану диска. Поліпептидний ланцюг опсину утворює сім трансмембранних ділянок α-спіралі, розташовані впоперек мембрани та з'єднані між собою короткими неспіральними ділянками. При цьому N-кінець знаходиться у позаклітинній ділянці, а C-кінець α-спіралі - у цитоплазматичній. З однією з α-спіралей пов'язана молекула 11- цис-ретиналя, розташована поблизу середини мембрани отже її довга вісь паралельна поверхні мембрани (рис. 3). Також було встановлено місце локалізації 11- цис-ретиналю, пов'язаного альдимінним зв'язком з ε-аміногрупою залишку Lys-296, розташованого в сьомій α-спіралі. Таким чином, 11- цис-Ретиналь вмонтований в центр складного, високоорганізованого білкового оточення у складі клітинної мембрани паличок. Це оточення забезпечує фотохімічне «підстроювання» ретиналю, впливаючи на спектр його поглинання. Сам по собі вільний. цис-Ретиналь в розчиненому вигляді має максимум поглинання в ультрафіолетовій області спектру - при довжині хвилі 380 нм, в той час як родопсин поглинає зелене світло при 500 нм. Цей зсув у світлових довжинах хвиль важливий з функціональної точки зору: завдяки йому спектр поглинання родопсину приводиться у відповідність до спектра світла, що потрапляє в око.

Спектр поглинання родопсину визначається як властивостями хромофора – залишку 11- цис-ретиналя, і опсина. Цей спектр у хребетних має два максимуми – один в ультрафіолетовій ділянці (278 нм), зумовлений опсином, та інший – у видимій ділянці (близько 500 нм) – поглинання хромофора (рис. 4). Перетворення при дії світла зорового пігменту до кінцевого стабільного продукту складається з низки швидких проміжних стадій. Досліджуючи спектри поглинання проміжних продуктів в екстрактах родопсину при низьких температурах, при яких ці продукти стабільні, вдалося докладно описати весь процес знебарвлення зорового пігменту.

При поглинанні молекулою 11- цис-ретиналя фотона світла його молекула ізомеризується в 11- all-транс-Ретиналь (квантовий вихід 0,67), а сам родопсин знебарвлюється (фотоліз). При цьому відбувається обертання навколо зв'язку між 11-м та 12-м атомами вуглецю молекули 11- цис-ретиналя, внаслідок чого змінюється геометрія молекули та утворюється ізомерна форма - all-транс-Ретиналь без вигину, а через 10 мс відбувається алостеричний перехід родопсину в його активну форму (рис. 5). Енергія поглиненого фотона світла розпрямляє вигин ланцюга між 11-м та 12-м атомами вуглецю. У цій формі 11- цис-ретиналь існує у темряві. У хребетних фотоліз родопсин закінчується відривом хромофора від опсину; у безхребетних хромофор залишається пов'язаним із білком на всіх стадіях фотолізу. У хребетних родопсин регенерується зазвичай у результаті взаємодії опсину з 11- цис-ретиналем, у безхребетних - при поглинанні другого фотона світлі.

Молекула родопсину, вбудована в мембрану паличок, дуже чутлива до світлової дії (рис. 6). Встановлено, що поглинання фотона світла молекулою в половині випадків викликає ізомеризацію. цис-ретіналю. Спонтанна ізомеризація молекули ретиналю в темряві відбувається дуже рідко - приблизно раз на 1000 років. Така відмінність має важливий наслідок зору. Коли один фотон потрапляє на сітківку ока, молекула родопсину, що поглинула його, реагує з ним з високою ефективністю, в той час як мільйони інших молекул родопсину в сітківці ока залишаються "мовчазними".

Наступні цикли фотохімічного перетворення родопсину та його активації призводять до збудження зорового нерва 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.

ГЛЯДНИЙ ЦИКЛ РОДОПСИНУ

В даний час досягнуто певного прогресу в розумінні того, що відбувається на останньому етапі каскаду збудження - на зовнішній мембрані паличок. Цитоплазматична мембрана клітини вибірково проникна для електрично заряджених іонів (Na + , Ca 2+), внаслідок чого утворюється різниця електричних потенціалів між внутрішньою та зовнішньою стороною клітинної мембрани. У стані спокою внутрішня частина мембрани клітини несе негативний заряд близько 40 мВ стосовно зовнішньої. У 1970 роках вченими було показано, що після освітлення клітини світлом різниця потенціалів на мембрані палички збільшується. Це збільшення залежить від інтенсивності стимулу та фонового освітлення; максимальна різниця потенціалів при цьому становить – 80 мВ.

Збільшення різниці потенціалів – гіперполяризація відбувається внаслідок зменшення проникності мембрани для катіонів натрію Na+, що несуть позитивний заряд. Після того, як була встановлена ​​природа гіперполяризації, було встановлено, що поглинання одного фотона призводить до того, що в плазматичній мембрані палички закриваються сотні натрієвих каналів, блокуючи вхід мільйонів іонів натрію Na + всередину клітини. Виникнувши під впливом світлового опромінення, гіперполяризація потім поширюється по зовнішній мембрані палички на інший кінець клітини до синаптичного закінчення, де виникає нервовий імпульс, що передається в мозок.

Ці фундаментальні дослідження дозволили дати уявлення про те, що відбувається на початку та наприкінці фотохімічного каскаду зорового сприйняття світла, але залишили невирішеним питання: а що відбувається посередині? Як ізомеризація молекули ретиналю в мембрані диска паличок призводить до закривання натрієвих каналів у зовнішній клітинній мембрані? Як відомо, у паличках плазматична мембрана не стикається з мембраною дисків. Це означає, що передача сигналу від дисків зовнішньої мембрани повинна здійснюватися за допомогою внутрішньоклітинного посередника-медіатора збудливого сигналу. Оскільки один фотон може викликати закриття сотень натрієвих каналів, кожен акт поглинання фотона повинен супроводжуватися утворенням багатьох посередників молекул.

У 1973 р. було висунуто припущення, що у темряві дисках накопичуються іони кальцію Ca + , а при освітленні вони вивільняються і, досягаючи шляхом дифузії плазматичної мембрани, закривають натрієві канали. Ця приваблива гіпотеза викликала велику цікавість і породила безліч експериментів. Однак наступні експерименти показали, що хоча іони кальцію Ca + і відіграють велику роль у зорі, вони не є збуджуючим медіатором. Роль медіатора, як з'ясувалося, грає 3", 5"-циклічний гуанозинмонофосфат (cGMP) (рис. 7).

Здатність з GMP функціонувати як медіатор визначається його хімічною структурою. cGMP – це нуклеотид класу гуанілових нуклеотидів, представлених у РНК. Як і інші нуклеотиди, він складається з двох компонентів: азотистої основи - гуаніну, та залишку п'ятивуглецевого цукру рибози, атоми вуглецю в якому в положеннях 3" і 5", з'єднані за допомогою фосфатної групи. Фосфодіефірний зв'язок замикає молекулу з GMP в кільце. Коли це кільце ціле, cGMP здатний підтримувати натрієві канали мембрани у відкритому стані, а коли фосфодіефірний зв'язок розщеплюється ферментом фосфодіестеразою, натрієві канали спонтанно закриваються, внаслідок чого електричні властивості мембрани змінюються та виникає нервовий імпульс (рис. 8).

Між збудженням родопсину та ферментативним розщепленням cGMP лежить кілька проміжних стадій. Коли молекула 11- цис-ретиналя поглинає фотон і активується опсин, родопсин у свою чергу активує фермент, званий трансдуцином. Взаємодія активованої форми родопсину з G-білком трансдуцином є ключовою біохімічною стадією в зоровому процесі. Трансдуцин є ключовим інтермедіатом у каскаді збудження. Цей рецепторний G-білок активує специфічну фосфодіестеразу, яка розкриває кільце cGMP, приєднуючи молекулу води, здійснюючи гідроліз cGMP. Хоча схему цього процесу описати нескладно, але з'ясування та розуміння його фізіологічної ролі вимагали безлічі різних експериментів.

Згодом було виявлено, що на світлі концентрація cGMP у зовнішніх сегментах паличок зменшується. Наступні експерименти показали, що це зменшення є наслідком гідролізу cGMP під дією фосфодіестерази, специфічної до даного нуклеотиду. У той час кальцієва гіпотеза була ще дуже популярна, але вже не викликало сумнівів і те, що cGMP має значний прямий вплив на збудливу відповідь.

На конференції, що проходила в 1978 р., П. Лібман з Пенсільванського університету повідомив, що в суспензії зовнішніх сегментів паличок один фотон може ініціювати активацію сотень молекул фосфодіестерази на секунду. У ранніх роботах у присутності іншого нуклеотиду - аденозинтрифосфату (АТP) спостерігалося набагато менше посилення, ніж у присутності гуанозинтрифосфату (GTP).

Гуанозинтрифосфат (GTP) має таку ж структуру, як нециклічна форма GMP, але в GMP з 5"-вуглецевим атомом пов'язана не одна фосфатна група, а ланцюжок з трьох фосфатів, з'єднаних один з одним фосфодіефірними зв'язками. Енергія, запасена в цих зв'язках, використовується у багатьох клітинних функціях, наприклад, при відщепленні від GTP однієї фосфатної групи (при цьому утворюється гуанозиндифосфат, GDP) виділяється значна кількість енергії, таким чином клітина отримує енергію, що дозволяє здійснювати хімічні реакції, які в іншому випадку енергетично невигідні. цей процес має місце при активації фосфодіестерази, де GTP є необхідним кофактором.

У 1994 р. вдалося ін'єкувати cGMP у зовнішній сегмент інтактної палички, і результати цього виявилися вражаючими. Як тільки циклічний гуанозинмонофосфат потрапляв усередину клітини, швидко зменшувалась різниця потенціалів на плазматичній мембрані та різко збільшувалася затримка між подачею світлового імпульсу та гіперполяризацією мембрани. Це пояснюється тим, що cGMP відкриває натрієві канали і вони залишаються відкритими доти, доки cGMP не розпадеться під дією активованої світлом фосфодіестерази на GMP. Ця гіпотеза здавалася дуже привабливою, але прямих її доказів не було.

Істотне значення механізмі передачі світлового сигналу має те що, що з активації фосфодиэстеразы необхідний GTP. Це дозволило припустити, що важливим інтермедіатом активації може бути білок, що зв'язує GTP. Потрібно було ретельно дослідити, що відбувається з GTP у паличках. Метою перших експериментів було виявити зв'язування GTP та його похідних у зовнішніх сегментах паличок. Мічений радіоактивним ізотопом вуглецю 14 С GTP інкубували з паличками та фрагментами зовнішніх сегментів. Після кількох годин препарат промивали на фільтрі, що затримує фрагменти мембран і великі молекули, такі як білки, і пропускає дрібні молекули, у тому числі GTP і метаболічно близькі йому сполуки. Виявилося, що значна частина радіоактивності залишається пов'язаною з мембранною фракцією. Надалі з'ясувалося, що у мембрані залишається GTP, a GDP.

Ці досліди показали, що мембрани паличок містить білок, здатний зв'язувати GTP і відщеплювати від нього одну фосфатну групу з утворенням GDP. Здавалося дедалі очевиднішим, що такий білок - ключовий інтермедіат і перетворення GTP на GDP може приводити в дію процес активації.

Одним з разючих фактів було те, що мембрани паличок не тільки пов'язують гуанілові нуклеотиди, але при висвітленні з них вивільняється GDP, причому цей процес значно посилюється в присутності GTP в розчині. Сформувалася гіпотеза, яка пояснювала ці явища. Очевидно, якийсь етап процесу активації включає обмін GTP на GDP мембрані. Тому вивільнення GDP так і збільшується при додаванні GTP: GTP повинен заміщатися GDP. Надалі GTP перетворюється на GDP.

Встановлено, що обмін GTP на GDP стосується центральної події процесу активації. Досліджувався вплив світла на поглинання GDP мембранами паличок і виявилося, що фотозбудження однієї молекули родопсину призводить до зв'язування близько 500 молекул GTP. Відкриття цього посилення стало важливим етапом на шляху пояснення посилення, властивого каскаду збудження.

Цей фундаментальний результат призвів до важливого висновку, що у каскаді збудження бере участь білковий інтермедіат, що існує у двох станах. В одному стані він зв'язує GDP, в іншому – GTP. Обмін GDP на GTP, що є сигналом до активації білка, ініціюється молекулою родопсину і в свою чергу активує специфічну фосфодіестеразу. Фосфодіестераза розщеплює циклічний GMP, внаслідок чого закриваються натрієві канали у плазматичній мембрані. Незабаром цей білок було виділено. Він отримав назву трансдуцин, оскільки опосередковує трансдукцію - перетворення світла на електричний сигнал. Було встановлено, що трансдуцин складається з трьох білкових субодиниць. альфа (α), бета (β) і гамма (γ).

Сигнал передається від активованого родопсину до трансдуцину та від його GTP-форми до фосфодіестерази. Якщо така картина вірна, слід очікувати, по-перше, що трансдуцин може переходити в GTP-форму без фосфодіестерази, і, по-друге, що фосфодіестераза здатна активуватися від збудженого світлом родопсину. Для перевірки цього припущення використовувалася синтетична мембранна система, що не містить фосфодіестерази. На штучну мембрану наносили очищений трансдуцин GDP-формі, а потім додавали активований родопсин. У цих дослідах було встановлено, що кожна молекула родопсин каталізує захоплення мембраною 71 молекул аналога GTP. Отже, активуючи трансдуцин, кожна молекула родопсин каталізує обмін GDP на GTP у безлічі молекул трансдуцину. Таким чином вдалося виявити підсилювальний ефект родопсину, для прояву якого було виділено очищену активну форму трансдуцину - у вигляді його комплексу з GTP. Тут дослідників чекав сюрприз. У неактивній GDP-формі молекула трансдуцину ціла – всі три її субодиниці знаходяться разом. Виявилося, що при переході в GTP-форму трансдуцин дисоціює: α-субодиниця відокремлюється від β- і γ-субодиниці білка, а GTP зв'язується з вільною α-субодиницею.

Необхідно було з'ясувати, яка субодиниця трансдуцину - α- (з приєднаним GTP) або β-, γ-субодиниця активує фосфодіестеразу. Було встановлено, що фосфодіестеразу активує α-субодиниця в комплексі з GTP; β- і γ-субодиниці, що залишаються разом, не впливають на роботу ферменту. Більш того, α-субодиниця викликала активацію трансдуцину і без родопсину; це пояснювало припущення, що трансдуцин може активувати фосфодіестеразу без присутності родопсину.

Механізм активації специфічної фосфодіестерази трансдуцином нині детально вивчений. У темряві фосфодіестераза мало активна, оскільки перебуває в інактивованому стані. Додавання невеликої кількості трипсину - ферменту, що розщеплює білки, активує фосфодіестеразу. Молекула фосфодіестерази складається з трьох поліпептидних ланцюгів; як і у трансдуцину, вони позначаються відповідно - , β- та γ-субодиниці . Тріпсин руйнує γ - субодиницю, але не α- і β -субодиницю. Таким чином, з'ясувалося, що інгібітором фосфодіестерази служить γ-субодиниця.

Пізніше вдалося виділити γ-субодиницю в чистому вигляді, додали її до активного комплексу α, β-субодиниць і виявилося, що γ-субодиниця пригнічує каталітичну активність трансдуцину більш ніж на 99%. Крім того, швидкість руйнування γ - субодиниці трипсином добре відповідає швидкості активації фосфодіестерази у каскаді збудження. Трансдуцин у GTP-формі може зв'язуватися з γ - субодиницею фосфодіестерази, утворюючи комплекс.

Всі ці дані складаються у таку картину. Після впливу світла α-субодиниця трансдуцину з приєднаним GTP зв'язується з фосфодіестеразою і інгібуюча її γ-субодиниця відокремлюється. Внаслідок цього трансдуцин активується і проявляється каталітична активність фосфодіестерази. Ця активність велика: кожна активована молекула ферменту може здійснити гідроліз 4200 молекул гуанозинмонофосфату циклічного за 1 секунду. Отже, стала ясною більшість біохімічних реакцій зорового циклу (рис. 9). Початковий етап каскаду збудження – поглинання фотона родопсином. Потім активований родопсин взаємодіє з трансдуцином, що призводить до обміну GDP на GТР, що відбувається на α-субодиниці трансдуцину. В результаті α-субодиниця відокремлюється від решти ферменту, активуючи фосфодіестеразу. Остання розщеплює безліч молекул з GМР . Цей процес триває лише близько мілісекунди. Через деякий час «вбудований таймер» α-субодиниці трансдуцину розщеплює GTP з утворенням GDP і α-субодиниця возз'єднується з β- та γ-субодиницями . Фосфодіестераза також відновлюється. Родопсин інактивується і потім перетворюється на форму, готову до активації.

Внаслідок дії однієї молекули родопсину утворюється кілька сотень активних комплексів α - субодиниці трансдуцину GTP, що є першим ступенем посилення. Потім α-субодиниця трансдуцину, що несе GTP, активує фосфодіестеразу. На цій стадії посилення немає; кожна молекула α-субодиниці трансдуцину пов'язує та активує одну молекулу фосфодіестерази. Наступну стадію посилення забезпечує пара трансдуцин-фосфодіестераза, що діє як одне ціле. α-субодиниця трансдуцину залишається пов'язаною з фосфодіестеразою до тих пір, поки та не розщепить 3"-5"-зв'язок у циклічному гуанозинмонофосфаті. Кожна активована молекула ферменту може перетворити кілька тисяч молекул GMP. Це посилення, що забезпечує родопсин, лежить в основі чудового за своєю ефективності перетворення, завдяки якому один єдиний фотон викликає інтенсивний нервовий імпульс.

Проте організм здатний сприймати світло багаторазово, отже, цей цикл має і вимикатися. Виявляється трансдуцин грає ключову роль у активації, а й у деактивації. Його α-субодиниця має вбудований механізм - “таймер”, який перериває активований стан, перетворюючи зв'язаний GTP на GDP. Механізм впливу цього “таймера” не зовсім зрозумілий. Відомо, що гідроліз GTP з утворенням GDP у фазі деактивації відіграє важливу роль у здійсненні циклу. Реакції, які ведуть активації, енергетично вигідні. Навпаки, деякі реакції деактивації невигідні; без перетворення GTP на GDP система не може бути приведена у вихідний стан для нової активації.

Коли GTP розщеплюється і утворюється GDP, α-субодиниця трансдуцину звільняє інгібуючу γ-субодиницю фосфодіестерази. Потім γ-субодиниця знову зв'язується з фосфодіестеразою, повертаючи її в стан спокою. Трансдуцин відновлює свою доактиваційну форму завдяки возз'єднанню субодиниць α та β, γ . Родопсин деактивується за допомогою ферменту – кінази, що розпізнає його специфічну структуру. Цей фермент приєднує фосфатні групи до кількох амінокислот на одному кінці поліпептидного ланцюга опсину. Родопсин потім утворює комплекс з арестином білком, який блокує зв'язування трансдуцину і повертає систему назад у темновий стан.

Дослідження зорового каскаду в середині 1980-х на початку 1990-х рр. спиралися значною мірою на припущення про те, що циклічний гуанозинмонофосфат відкриває натрієві канали зовнішньої мембрани палички і що його гідроліз призводить до їх закривання. Однак про механізми цих процесів було відомо небагато. Чи діє cGMP на канали прямо чи через якісь проміжні стадії? Певна відповідь це питання було отримано 1985 р. російським ученим Є.Є. Фесенко з Інституту біологічної фізики у Москві. В експериментах використовувалася мікропіпетка, в яку затягувалася невелика ділянка плазматичної мембрани палички. Він щільно прилипав до кінчика піпетки і той бік, яка в нормі була звернена всередину клітини, виявлялася зовнішньою. Цю сторону мембрани омивали різними розчинами та визначали їх вплив на натрієву провідність. Результати були отримані однозначні: натрієві канали відкриваються безпосередньо cGMP; інші речовини, включаючи іони кальцію Ca + на них не впливають.

Блискучі експерименти російських вчених спростували уявлення про іони кальцію Ca + як медіатор збудження і встановили останню ланку в каскаді збудження. Став зрозумілим і загальний контур ланцюга збудження. Як і передбачалося, потік інформації спрямований від родопсин до трансдуцину, потім до фосфодіестерази і, нарешті, до cGMP.

Хоча вивчення шляхів і механізмів каскаду збудження досягло великих успіхів, низка важливих питань все ще залишається без відповіді. Зокрема, не зрозуміло, як регулюється підсилювальна відповідь каскаду. Палички значно менш чутливі на яскравому світлі, ніж у темряві. Фонове освітлення має якось впливати на загальний результат дії системи, тобто на сумарне посилення, створюване на двох стадіях - при передачі сигналу від родопсин до трансдуцину і від фосфодіестерази до cGMP. Багато свідчить про участь іонів кальцію в цьому процесі, проте деталі цього механізму повністю не вивчені. У зв'язку з цим важливо було встановити структуру натрієвих каналів і механізми, що запобігають виснаження циклічного гуанозинмонофосфату в клітині. Великий внесок у вивчення цього зробили групи Б. Кауппа з інституту нейробіології при Оснабрюкському університеті (ФРН) та Лібмана: вони виділили керовані cGMP канали та реконструювали їхню функцію на модельних мембранах. Ключовий елемент – гуанілатциклаза – фермент, що синтезує cGMP. У клітині існує регуляція концентрації сGMP типу зворотного зв'язку, яка забезпечує після відповіді світловий стимул відновлення концентрації cGMP до вихідного рівня. Якби цього, клітина мала можливість спрацювати лише кілька разів і тим надовго вичерпала здатність до відповіді.

Результати останніх досліджень каскаду зорових реакцій у паличках мають відношення і до інших типів клітин. Система перетворення світлового сигналу на інших фоторецепторных клітинах - колбочках - подібна до такої паличок. Відомо, що у колбочках містяться три аналогічних родопсину зорових пігменту, відповідальних світ певної довжини хвилі - червоний, зелений чи синій. До складу всіх трьох пігментів входить 11- цис-Ретіналь. Із застосуванням методів молекулярної генетики було встановлено, що структура у колбочкових пігментів така сама, як у родопсину. Трансдуцин, фосфодіестераза та канали, контрольовані cGMP, у колбочках та в паличках дуже схожі.

ЕВОЛЮЦІЯG-БІЛКІВ

Значення каскаду з участю циклічного гуанозинмонофосфату не обмежується зором. Каскад збудження в паличках має помітну схожість із механізмом дії деяких гормонів. Наприклад, дія адреналіну починається з того, що він активує фермент, який називається аденілатциклазою. Аденілатциклаза каталізує утворення циклічного аденозинмонофосфату (сАМР), який є внутрішньоклітинним посередником для багатьох гормонів. Виявилася разюча подібність цієї реакції з функціонуванням каскаду збудження в паличках. Подібно до того, як каскад збудження починається з поглинання фотона родопсином, гормональний каскад починається зі зв'язування гормону специфічним білковим рецептором, розташованим на поверхні клітини. Комплекс рецептор-гормон взаємодіє з так званим G-білком, що нагадує трансдуцин. Такий самий обмін зв'язаних молекул, який активує трансдуцин (GTP на GDP), активує і G-білок, коли він взаємодіє з комплексом рецептор-гормон. G-білок, як і трансдуцин, складається з трьох субодиниць. Аденілатциклаза активується його α-субодиницею, що знімає інгібуючу дію. Стимулююча дія G-білка теж припиняється завдяки вбудованому "таймеру", що перетворює GTP на GDP.

Подібність трансдуцину та G-білків відноситься не тільки до активності, а й до структури. Трансдуцин та G-білки належать до одного сімейства - сімейства рецепторних мембранних білків, що передають ті чи інші сигнали. Усі ідентифіковані на цей час представники цієї групи мають практично однакову α-субодиницю. Крім того, α-субодиниця виконує ту саму функцію, що показано на молекулярному рівні. Нещодавно в кількох лабораторіях були встановлені нуклеотидні послідовності ДНК, що кодують α-субодиниці трансдуцину та трьох G-білків. Судячи з ДНК, амінокислотні послідовності цих чотирьох поліпептидних ланцюгів приблизно на половині своєї довжини ідентичні або майже ідентичні один одному.

При порівняльному аналізі генетичної інформації виявилося, що у складі α-субодиниць трансдуцину і G-білків є як ділянки, що залишилися незмінними в ході еволюції, так і області, що сильно диергували. У кожному білку є три місця зв'язування: одне для гуанілових нуклеотидів, одне для активованого рецептора (родопсин або комплекс гормон-рецептор) і одне для ефекторного білка - фосфодіестерази або аденілатциклази. Місця зв'язування GTP і GDP, як і слід очікувати, виходячи з їхньої вирішальної ролі в каскаді збудження, виявилися найбільш консервативними.

Крім того, виявилося, що GTP-зв'язувальні ділянки цих білків нагадують одну область функціонально зовсім іншого білка; так званого фактора елонгації Tu. Цей білок відіграє важливу роль у синтезі білків: він утворює комплекс з GTP і з молекулами аміноацил-тРНК, а потім зв'язується з рибосомою, тобто забезпечує процес елонгації - доставку амінокислот до місця зростання поліпептидного ланцюга, що синтезується. Цикл подій, що відбуваються з білком Tu в процесі його функціонування подібний до трансдуцинового циклу. Цикл починається розщепленням GTP. На молекулі Тu є місце зв'язування GTP, причому за амінокислотною послідовністю воно дуже подібне до ділянок зв'язування гуанілових нуклеотидів в трансду-цині та різних G-білках.

Синтез білків - один з основних аспектів метаболізму клітини, і ймовірно, що фактор елонгації Тu, що бере участь у цьому фундаментальному процесі, в ході еволюції виник раніше, ніж G-білки або споріднений з ним трансдуцин. Цей цікавий білок може бути предком і трансдуцину і G-білків. Контрольоване вивільнення та зв'язування білків, пов'язане з обміном GTP на GDP сформувалося на ранніх етапах еволюції та фактор елонгації Тu, можливо, є одним з перших еволюційних варіантів такого циклу.

Одна з дивовижних особливостей еволюції полягає в тому, що механізм, що виник стосовно певної функції, може надалі змінюватися і використовуватися для інших функцій. Саме це і сталося з механізмом дії Тu. Сформувавшись у ході еволюції для здійснення синтезу білка, він зберігався протягом мільярдів років і згодом увійшов до системи передачі гормональних та сенсорних сигналів. В останні кілька років одна з його функцій – трансдуциновий цикл – вивчений до найдрібніших деталей. Результати цих досліджень мають велике наукове значення, оскільки вдалося на молекулярному рівні зрозуміти один із найдивовижніших сенсорних механізмів – механізм передачі світла та зорового збудження.

Можливо, незабаром будуть розкриті нові уявлення про кольоровий зір. Все ще неясно, чи є зелений колір, який ми бачимо, середнім ефектом між жовтим та синім кольором, чи в деяких випадках він відповідає довжині хвиль, що відповідають зеленому кольору спектра.

Наш мозок може реєструвати зелений колір, як спектрометр, тобто при певній довжині електромагнітних хвиль. Він також може реєструвати зелений колір і як суміш жовтого та синього кольорів. Сприйняття кольорів зоровим аналізатором може бути визначено, як спектрометром.

Як приклад змішування електромагнітних хвиль, які відповідають зеленому та червоному кольору, наводиться жовтий колір. Вважається, що при зоровому акті діють пари синьо-жовтий і зелено-червоний колір. Зоровий аналізатор має властивість аналізувати певні діапазони оптичного спектру, як кольору. Змішування зеленого та червоного кольору не робить жодного середнього кольору. Мозок сприймає його як жовтий колір. Коли відбувається випромінювання електромагнітних хвиль, які відповідають зеленому та червоному кольорам, мозок сприймає «середнє рішення» – жовтий колір.

Так само синій і жовтий колір сприймаються, як зелений. Це означає, що між парами – синій-жовтий та зелено-червоний колір відбувається спектральне змішування кольору. Це стосується і положення, коли зоровий аналізатор «приймає рішення» про кольори, до яких він більш чутливий. Аналогічно зелений і синій колір сприймаються як ціан. Наприклад, зоровий аналізатор завжди сприймає апельсин в помаранчевому кольорі, оскільки від нього відбиваються електромагнітні хвилі, які відповідають жовтому та червоному кольорам. Найнижче проявляється зорова чутливість до фіолетового, синього та червоного кольору. Причому змішання електромагнітних хвиль, які відповідають синьому та червоному кольорам, сприймається як фіолетовий колір. При змішуванні електромагнітних хвиль, які відповідають більшій кількості кольорів, мозок не сприймає їх як окремі кольори, або як «середнє» рішення, а як білий колір. Ці дані свідчать, що уявлення про колір не визначається однозначно довжиною хвилі. Аналіз виробляється «біокомп'ютером» - мозком, і уявлення про колір, за своєю сутністю, є продуктом нашої свідомості.

ВИСНОВОК

Структурні дослідження родопсину та інших споріднених йому ретинальвмісних хромофорних білків (йодопсин, бактеріородопсин), а також виявлення очних патологій, пов'язаних з його функціонуванням, продовжуються в НІЦМБ (Болгарія) останні 10 років, і серед питань, що вимагають швидше

Які структурні перетворення супроводжують активацію родопсину та надають йому здатності взаємодіяти з рецепторними G-білками (трансдуцин, білки-кінази та аррестин)?

Які просторові структури комплексів активованого родопсину та трансдуцину?

Який механізм клітинного «дозрівання» та деградації родопсину?

Подальше дослідження родопсин має не тільки науково-фундаментальне, але і прикладне значення, і може бути використане для лікування або запобігання біохімічних порушень зору. Родопсин є найбільш дослідженим білком з сімейства GPCR-рецепторів, і викладені вище висновки, отримані для нього, можуть бути використані для вивчення структури і функціональних властивостей інших трансмембранних білків цього сімейства, наприклад бактеріородопсину .

ЛІТЕРАТУРА

1. Д. Х'юбел. Око, мозок, зір/ За ред. А. Л. Бизова., Мир, Москва (1990), 172 с.

2. M. J. Hogan, J. A Alvarado, J. E. Weddell. Histology of the Human Eye, Saunders, Philadelphia (1971), 115 p.

3. J. Nathans, D. Thomas, D. S. Hogness. “ Molecular genetics of human color vision: genes encoding blue, green, and red pigments”, Science, 232(47), 193–202 (1986).

4. R. Henderson, J. M. Baldwin, T. A. Ceska, F. Zemlin, E. Beckmann, K. H. Downing. “Model for structure of bacteriorhodopsin based on high-solution electron cryo-microscopy”, J. Mol. Biol., 212 , 899–29 (1991).

5. К. Palczewski, T. Kumasaka, T. Hori, C. A. Behnke, H. Motoshima, B. A. Fox, I. Le Trong, D. C. Teller, T. Okada, R.E. Stenkamp, ​​M. Yamamoto, M. Miyano, “Crystal Structure of Rhodopsin: A G-Protein-Coupled Receptor”, Science, 289 , 739–745 (2000).

6. Ю. А Овчинніков, Н. Г. Абдулаєв, М. Ю. Фейгіна, І. Д. Артамонов, А. С. Богачук. "Глядачний родопсин: Повна амінокислотна послідовність і топологія в мембрані", Біоорганічна хімія, 10 , 1331–1340 19830.

7. P.A. Hargrave, J.H. McDowell, D.R. Curtis, J. K. Wang, E. Juszczak, S.L. Biophys. Struct. Mech., 9 , 235–244 (1983).

8. G. F. Schertler, P. A. Hargrave, “Projection structure of frog rhodopsin in two crystal forms”, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 9 2, 11578–11582 (1995).

9. В. М. Липкін. “Зорова система. Механізми передачі та посилення зорового сигналу в сітківці ока”, Соросівський освітній журнал, 9 , 2–8 (2001).

10. Y. Shichida, H. Imai. “Visual pigment: G-protein-coupled receptor for light signals”, Cell. Mol. Life Sci., 54 , 1299–1315 (1998).

11. А. Б. Рубін. Фотоперетворення бактеріородопсину та родопсину, Біофізика, Т.2., Москва, Наука (2004), 87 с.

12. Y. Liang, D. Fotiadis, T. Maeda, A. Maeda, A. Modzelewska, S. Filipek, D. A. Saperstein, A. Engel, K. Palczewski. “Rhodopsin signaling and organization in heterozygote rhodopsin knockout mice”, J. Biol. Chem., 279 , 48189–48196 (2004).

13. J. M. Baldwin, G. F. Schertler, V. M. Unger. “An α-carbon template for transmembrane helices in rhodopsin family of G-protein-coupled receptors”, J. Mol. Biol., 272 , 144–164 (1997).

14. J. Fitzgibbon, B. Appukuttan, S. Gayther, D. Wells, J. Delhanty, D. M. Hunt. “Localisation of the human blue cone pigment gene to chromosome band 7q31.3-32”, Human Genetics, 93 (1), 79–80 (1994).

15. К. Palczewski “G-Protein-Coupled Receptor Rhodopsin”, Annu. Rev. Biochem., 7 5, 743–767 (2006).

16. P. S. Park, S. Filipek, J. W. Wells, K. Palczewski. “Oligomerization of G-protein-coupled receptors: past, present, and future”, Biochemistry, 43 , 15643–15656 (2004).

17. I. Ignatov, M. Marinov. Color Kirlian Spectral Analysis. Color Observation with Visual Analyzer, EUROMEDICA, Hanover, (2008), 32 p.

18. О.В. Мосін, І. І. Ігнатов. "Природний фотоперетворюючий наноматеріал бактеріородопсин з галофільної бактерії Halobacterium halobium", Наноматеріали та наноструктури, 2 , 47-58 (2012).

Зоровий аналізатор є сукупністю структур, що сприймають світлову енергію у вигляді електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі 400 - 700 нм і дискретних частинок фотонів, або квантів, і формують зорові відчуття. За допомогою ока сприймається 80-90% усієї інформації про навколишній світ.

Завдяки діяльності зорового аналізатора розрізняють освітленість предметів, їх колір, форму, величину, напрямок пересування, відстань, на яку вони віддалені від ока та один від одного. Усе це дозволяє оцінювати простір, орієнтуватися у світі, виконувати різні види цілеспрямованої діяльності.

Поруч із поняттям зорового аналізатора існує поняття органу зору.

Орган зору - це око, що включає три різні у функціональному відношенні елементи:

Ø очне яблуко, в якому розташовані світлосприймаючий, світлозаломлюючий та світлорегулюючий апарати;

Ø захисні пристрої, т. е. зовнішні оболонки ока (склера і рогівка), слізний апарат, повіки, вії, брови;

Ø руховий апарат, представлений трьома парами очних м'язів (зовнішня і внутрішня прямі, верхня і нижня прямі, верхня і нижня косі), які іннервуються III (очіруховий нерв), IV (блоковий нерв) і VI (відвідний нерв) парами черепних нервів.

Структурно-функціональна характеристика

Рецепторний (периферичний) відділ зорового аналізатора (фоторецептори) підрозділяється на паличкові та колбочкові нейросенсорні клітини, зовнішні сегменти яких мають відповідно паличкоподібну ("палички") та колбочкоподібну ("колбочки") форми. Людина налічується 6-7 млн. колбочек і 110 - 125 млн. папочек.

Місце виходу зорового нерва із сітківки не містить фоторецепторів і називається сліпою плямою. Латерально від сліпої плями в області центральної ямки лежить ділянка найкращого бачення - жовта пляма, яка містить переважно колбочки. До периферії сітківки число колбочек зменшується, а кількість паличок зростає, і периферія сітківки містить лише одні палички.

Відмінності функцій колб і паличок є основою феномена двоїстості зору. Палички є рецепторами, що сприймають світлові промені в умовах слабкого освітлення, тобто безбарвний, або ахроматичний, зір. Колбочки ж функціонують в умовах яскравої освітленості та характеризуються різною чутливістю до спектральних властивостей світла (кольоровий чи хроматичний зір). Фоторецептори мають дуже високу чутливість, що обумовлено особливістю будови рецепторів і фізико-хімічних процесів, що лежать в основі сприйняття енергії світлового стимулу. Вважають, що фоторецептори збуджуються при дії ними 1 - 2 квантів світла.

Палички та колбочки складаються з двох сегментів - зовнішнього та внутрішнього, які з'єднуються між собою за допомогою вузької вії. Палички та колбочки орієнтовані в сітківці радіально, а молекули світлочутливих білків розташовані у зовнішніх сегментах таким чином, що близько 90% їх світлочутливих груп лежать у площині дисків, що входять до складу зовнішніх сегментів. Світло має найбільшу збудливу дію в тому випадку, якщо напрямок променя збігається з довгою віссю палички або колбочки, при цьому він спрямований перпендикулярно до дисків їх зовнішніх сегментів.

Фотохімічні процеси у сітківці ока. У рецепторних клітинах сітківки знаходяться світлочутливі пігменти (складні білкові речовини) – хромопротеїди, що знебарвлюються на світлі. У паличках на мембрані зовнішніх сегментів міститься родопсин, у колбочках – йодопсин та інші пігменти.

Родопсин і йодопсин складаються з ретиналю (альдегіду вітаміну А1) та глікопротеїду (опсину). Маючи подібність у фотохімічних процесах, вони різняться тим, що максимум поглинання перебуває у різних галузях спектра. Палички, що містять родопсин, мають максимум поглинання в ділянці 500 нм. Серед колб розрізняють три типи, які відрізняються максимумами в спектрах поглинання: одні мають максимум у синій частині спектру (430 - 470 нм), інші в зеленій (500 - 530), треті - у червоній (620 - 760 нм) частині, що обумовлено наявністю трьох типів зорових пігментів. Червоний колбочковий пігмент отримав назву "йодопсин". Ретиналь може бути в різних просторових конфігураціях (ізомерних формах), але тільки одна з них - 11-ЦІС-ізомер ретиналю виступає як хромофорна група всіх відомих зорових пігментів. Джерелом ретиналю в організмі є каротиноїди.

Фотохімічні процеси в сітківці протікають дуже ощадливо. Навіть при дії яскравого світла розщеплюється тільки невелика частина родопсину, що є в паличках (близько 0,006%).

У темряві відбувається ресинтез пігментів, що протікає з поглинанням енергії. Відновлення йодопсину протікає у 530 разів швидше, ніж родопсин. Якщо в організмі знижується вміст вітаміну А, то процеси ресинтезу родопсину слабшають, що призводить до порушення сутінкового зору, так званої курячої сліпоті. При постійному та рівномірному освітленні встановлюється рівновага між швидкістю розпаду та ресинтезу пігментів. Коли кількість світла, що падає на сітківку, зменшується, ця динамічна рівновага порушується і зсувається у бік більш високих концентрацій пігменту. Цей фотохімічний феномен є основою темнової адаптації.

Особливе значення у фотохімічних процесах має пігментний шар сітківки, утворений епітелієм, що містить фусцин. Цей пігмент поглинає світло, перешкоджаючи відображенню та розсіюванню його, що зумовлює чіткість зорового сприйняття. Відростки пігментних клітин оточують світлочутливі членики паличок і колб, беручи участь в обміні речовин фоторецепторів і в синтезі пігментів зорових.

Внаслідок фотохімічних процесів у фоторецепторах ока при дії світла виникає рецепторний потенціал, який є гіперполяризацією мембрани рецептора. Це відмінна риса зорових рецепторів, активація інших рецепторів виявляється у вигляді деполяризації їхньої мембрани. Амплітуда зорового рецепторного потенціалу збільшується зі збільшенням інтенсивності світлового стимулу. Так, при дії червоного кольору, довжина хвилі якого становить 620 – 760 нм, рецепторний потенціал більш виражений у фоторецепторах центральної частини сітківки, а синього (430 – 470 нм) – у периферичній.

Синаптичні закінчення фоторецепторів конвергують біполярні нейрони сітківки. При цьому фоторецептори центральної ямки пов'язані лише з одним біполяром. Провідниковий відділ зорового аналізатора починається від біполярних клітин, потім гангліозні клітини, потім зоровий нерв, потім зорова інформація надходить на латеральні колінчасті тіла таламуса, звідки у складі зорової променистості проектується на первинні зорові поля.

Первинними зоровими полями кори є поле 16 і поле 17 – це шпорна борозна потиличної долі. Характерна світлова адаптація, тобто пристосування до певних умов освітлення.

При дії світла на сітківку відбуваються хімічні зміни пігментів, що у зовнішніх члениках паличок і колбочек. В результаті фотохімічної реакціївиникає збудження фоторецепторів сітківки.

У сітківці очей тварин ще наприкінці 70-х років минулого століття було відкрито світлочутливі пігменти і було показано, що ці речовини вицвітають на світлі. У паличках сітківки людини та багатьох тварин міститься пігмент родопсин, або зоровий пурпур, склад, властивості та хімічні перетворення якого докладно вивчені в останні десятиліття (Уолд та ін.). У колбочках птахів знайдено пігмент йодопсин. Очевидно, в колбочках є ще й інші світлочутливі пігменти. Раштон вказує на наявність у колбочках пігментів - хлоролабу та еритролабу; перший їх поглинає промені, відповідні зеленої, а другий - червоної частини спектра.

Родопсинявляє собою високомолекулярну сполуку, що складається з ретинена - альдегіду вітаміну А- та білка опсину. При дії світла відбувається цикл хімічних перетворень цієї речовини. Поглинаючи світло, ретин переходить у свій геометричний ізомер, що характеризується тим, що його бічний ланцюг випрямляється, що призводить до порушення зв'язку ретинена з білком. При цьому спочатку утворюються деякі проміжні речовини - люмпродопсин і метародопсин, після чого ретин відщеплюється від опсину. Під впливом ферменту, названого редуктазою ретинена, останній переходить у вітамін А, який надходить із зовнішніх члеників паличок у клітини пігментного шару.

При затемненні очей відбувається регенерація зорового пурпуру, тобто ресинтез родопсину. Для цього процесу необхідно, щоб сітківка отримувала цис-ізомер вітаміну А, з якого утворюється ретин. За відсутності в організмі вітаміну А утворення родопсину різко порушується, що призводить до розвитку згаданої вище курячої сліпоти. Освіта ретинена з вітаміну А є окисний процес, що відбувається за участю ферментної системи. В ізольованій сітківці ссавців, у якій порушені окислювальні процеси, немає відновлення родопсину.

Фотохімічні процеси у сітківцівідбуваються дуже економно, тобто при дії дуже яскравого світла розщеплюється тільки невелика частина наявного в паличках родопсину. Так, за даними Уолда, при дії світла інтенсивністю 100 люкс через 5 секунд розщеплюється в кожній паличці всього 1200 молекул зорового пурпуру з наявних у ній 18 млн молекул цієї речовини, тобто розпадається близько 0,005% родопсину.

Поглинання світла родопсином та його розщеплення різні залежно від довжини хвилі світлових променів, що діють нею. Родопсин, екстрагований з сітківки ока людини, виявляє максимальне поглинання під впливом світлових променів з довжиною хвилі близько 500 мм, які лежать у зеленій частині спектру. Саме це проміння здається найбільш яскравим у темряві. Порівняння кривої поглинання та знебарвлення родопсину при дії світла різної довжини хвилі з кривою суб'єктивної оцінки яскравості світла в темряві виявляє повний їх збіг ( Мал. 215).

Структурно-функціональна характеристика

Рецепторний відділ:

Палички – відповідальні за сутінковий зір.

Колбочки – відповідальні за денний зір.

У рецепторних клітинах сітківки перебувають пігменти: у паличках – родопсин, у колбочках – йодопсин та інші пігменти. Ці пігменти складаються з ретиналю (альдегід вітаміну А) і глікопротеїду опсину У темряві обидва пігменти перебувають у неактивній формі. Під дією квантів світла пігменти миттєво розпадаються (вицвітають) і переходять в активну іонну форму: ретиналь відщеплюється від опсину.

Пігменти відрізняються тим, що максимум поглинання знаходиться в різних сферах спектра. Палички, що містять родопсин, мають максимум поглинання в ділянці 500 нм. Колбочки мають три максимуми поглинання: у синій (420 нм), зеленій (551 нм) та червоній (558 нм).

Провідниковий відділ:

1-ий нейрон - біполярні клітини;

2 - ой нейрон - гангліозні клітини;

3-ий нейрон - таламус, метаталамус (зовнішні колінчасті тіла), ядра подушки.

Провідниковий відділ поза сітківкою складається з чутливого правого та лівого зорового нерва, часткового перехрестя нервових зорових шляхів правого та лівого ока (хіазму), зорового тракту. Волокна зорового тракту прямують до зорового пагорба (таламус, зовнішні колінчасті тіла, ядра подушки). Від них зорові волокна прямують до кори півкуль великого мозку.

Корковий відділ

Цей відділ розташований в потиличній частці (17, 18, 19-ті поля). 17 - е поле здійснює спеціалізовану переробку інформації, більш складну, ніж у сітківці та зовнішніх колінчастих тілах (ця первинна кора утворює зв'язки з полями 18, 19).

Підкіркові центри

Зовнішні колінчасті тіла - у них відбувається процес взаємодії аферентних сигналів, що йдуть від сітківки ока. За участю ретикулярної формації відбувається взаємодія зі слуховою та іншою сенсорною системою. Аксони нейронів зовнішнього колінчастого тіла розходяться як променів і закінчуються переважно у полі 17.

Верхні горбки четверогір'я.

Фотохімічні реакції у рецепторах сітківки

У паличках сітківки людини та багатьох тварин міститься пігмент родопсин, або зоровий пурпур. У колбочках знайдено пігмент йодопсин. У колбочках є також пігменти хлоролаб та еритролаб; перший їх поглинає промені, відповідні зеленої, а другий - червоної частини спектра.

Родопсин є високомолекулярною сполукою (молекулярна маса 270 000), що складається з ретиналю - альдегіду вітаміну А і білка опсину. При дії кванта світла відбувається цикл фотофізичних та фотохімічних перетворень цієї речовини: ретиналь ізомеризується, його бічне коло випрямляється, зв'язок ретиналю з білком порушується, активуються ферментативні центри білкової молекули. Після чого ретиналь відщеплюється від опсину. Під впливом ферменту, названого редуктазою ретиналю, останній перетворюється на вітамін А.

При затемненні очей відбувається регенерація зорового пурпуру, тобто. ресинтез родопсину. Для цього процесу необхідно, щоб сітківка отримувала цис-ізомер вітаміну А, з якого утворюється ретиналь. Якщо ж вітамін А в організмі відсутня, освіта родопсину різко порушується, що і призводить до розвитку згаданої вище курячої сліпоти.

Фотохімічні в сітківці відбуваються дуже економно, тобто. при дії навіть дуже яскравого світла розщеплюється тільки невелика частина родопсину, що є в паличках.

Структура йодопсину близька до родопсину. Йодопсин є також з'єднанням ретиналю з білком опсином, який утворюється в колбочках і відрізняється від опсина паличок.

Поглинання світла родопсином та йодопсином по-різному. Йодопсіп найбільше поглинає жовте світло з довжиною хвилі близько 560 нм.

Оптична система ока.

До складу внутрішнього ядра очного яблука входять: передня камера ока, задня камера ока, кришталик, водяниста волога передньої та задньої камер очного яблука і склісте тіло. Кришталик утворений прозорою безбарвною речовиною, яка не має ні судин, ні нервів, а його харчування відбувається завдяки водянистій волозі камер ока, 3 всіх сторін кришталик охоплений безструктурною капсулою, своєю екваторіальною поверхнею утворює війчастий поясок. допомогою тонких сполучнотканинних волокон (циновий зв'язок), що фіксують кришталик і своїм внутрішнім кінцем вплітаються в капсулу кришталика, а зовнішнім – у війчасте тіло. Найважливішою функцією кришталика є заломлення променів світла з метою їх чіткого фокусування на поверхню. Ця його здатність пов'язана зі зміною кривизни (випуклості) кришталика, що відбувається внаслідок роботи війкових (циліарних) м'язів. При скороченні цих м'язів війчастий поясок розслаблюється, опуклість кришталика збільшується, відповідно збільшується його заломлювальна сила, що потрібно при розгляді близько розташованих предметів. Коли вії м'язи розслаблюються, що буває при розгляданні далеко розташованих предметів, війчастий поясок натягується, кривизна кришталика зменшується, він стає більш сплощеним. Заломлювальна здатність кришталика сприяє тому, що зображення предметів (близько або далеко розташованих) падає точно на сітківку. Це називається акомодацією. З віком у людини акомодація послаблюється через втрату кришталиком еластичності та здатності змінювати свою форму. Зниження акомодації називається пресбіопією і спостерігається після 40-45

118. Теорії колірного зору (Г. Гельмгольц, Еге. Герінг). Порушення колірного зору. Фізіологічні механізми акомодації та рефракції ока. Гострота та поле зору. Бінокулярний зір.

Колірний зір - це здатність зорового аналізатора реагувати на зміни світлового діапазону між короткохвильовим (фіолетовим кольором – довжина хвилі 400 нм) та довгохвильовим (червоним кольором – довжина хвилі 700 нм) із формуванням відчуття кольору.

Теорії колірного зору:

Трикомпонентна теорія відчуття кольору Г. Гельмгольца. Відповідно до цієї теорії в сітківці є три види колб, що окремо сприймають червоний, зелений і синьо-фіолетовий кольори. Різні поєднання збудження колб приводять до відчуття проміжних кольорів.

Контрастна теорія Е.Герінга. Заснована на існуванні в колбочках трьох світлочутливих речовин (біло-чорна, червоно-зелена, жовто-синя), під впливом одних світлових променів відбувається розпад цих речовин і виникає відчуття білого, червоного, жовтого кольорів.

Типи порушення колірного зору:

1. Протанопія, або дальтонізм - сліпота на червоний та зелений кольори, Відтінки червоного та зеленого кольору не різняться, синьо-блакитні промені здаються безбарвними.

2. Дейтеранопія – сліпота на червоний та зелений кольори. Немає відмінностей зеленого кольору від темно-червоного та блакитного.

3. Тританопія - рідко зустрічається аномалія, не відрізняються синій та фіолетовий кольори.

4. Ахромазія – повна колірна сліпота при ураженні колбочкового апарату сітківки. Усі кольори сприймаються як відтінки сірого.

Пристосування ока до ясного бачення видалених різну відстань предметів називається акомодацією. При акомодації відбувається зміна кривизни кришталика і, отже, його заломлюючої здатності. При розгляді близьких предметів кришталик стає більш опуклим, завдяки чому промені, що розходяться від точки, що світиться, сходяться на сітківці. Механізм акомодації зводиться до скорочення м'язів, що змінюють опуклість кришталика. Кришталик укладено в тонку прозору капсулу, що переходить по краях у волокна цинової зв'язки, прикріпленої до війного тіла. Ці волокна завжди натягнуті і розтягують капсулу, що стискає кришталик. У війному тілі знаходяться гладком'язові волокна. При їх скороченні потяг цинових зв'язок послаблюється, а значить зменшується тиск на кришталик, який внаслідок своєї еластичності набуває більш опуклої форми.

Рефракція ока – процес заломлення світлових променів в оптичній системі органу зору. Сила заломлення світла оптичної системи залежить від кривизни кришталика і рогівки, що є заломлюючими поверхнями, а також від відстані один від одного.

Аномалії рефракції ока

Близорукість. Якщо поздовжня вісь ока занадто довга, то головний фокус буде не на сітківці, а перед нею, в склоподібному тілі. У цьому випадку паралельні промені сходяться в одну точку не на сітківці, а десь ближче за неї, а на сітківці замість точки виникає коло світлорозсіювання. Таке око називається короткозорим - міопічним. Далекозорість. Протилежністю короткозорості є далекозорість – гіперметропія. У далекозорому оці поздовжня вісь ока коротка, і тому паралельні промені, що йдуть від далеких предметів, збираються ззаду сітківки, а на ній виходить неясне розпливчасте зображення предмета.

Астигматизм. неоднакове заломлення променів у різних напрямках (наприклад, по горизонтальному та вертикальному меридіану). Астигматизм обумовлений тим, що рогова оболонка не є строго сферичною поверхнею: у різних напрямках вона має різний радіус кривизни. За сильних ступенів астигматизму ця поверхня наближається до циліндричної, що дає спотворене зображення на сітківці.

Бінокулярний зір.

це складний процес, який здійснюється спільною роботою обох очей, окорухових м'язів, зорових шляхів та кори головного мозку. Завдяки бінокулярному зору забезпечується стереоскопічне (об'ємне) сприйняття об'єктів та точне визначення їх взаємного розташування у тривимірному просторі, тоді як монокулярний зір переважно дає інформацію у двовимірних координатах (висота, ширина, форма предмета).

«Методична розробка розділу програми» - Відповідність освітніх технологій та методів поставленим цілям та змісту програми. Соціально-педагогічна значущість результатів застосування методичної розробки, що презентуються. Діагностичність запланованих освітніх результатів. - Пізнавальна - перетворююча - загальнонавчальна - самоорганізуюча.

"Модульна освітня програма" - Вимоги до розробки модуля. У німецьких університетах навчальний модуль складається із дисциплін трьох рівнів. Структура модуль. Навчальні курси другого рівня входять у модуль інших підставах. Зміст за окремим складовим компонентом узгоджується зі змістом інших складових компонентів модуля.

«Організація навчального процесу у школі» - Не зрозумієш. З-з-з! (Звук і погляд направляти по тексту). Додаток. Комплекс профілактичних вправ для верхніх дихальних шляхів. БІГИ НА НОШЕЧКАХ Мета: розвиток слухової уваги, координації та почуття ритму. Й-а-а! Завдання фізкультхвилин. Критерії оцінки здоров'язберігаючої складової в роботі вчителя.

Літній відпочинок - Музична релаксація, оздоровчий чай. Проведення моніторингу нормативно-правової бази суб'єктів літньої оздоровчої кампанії. Розділ 2. Робота з кадрами. Продовження вивчення танцю та практичні заняття. Розробка рекомендацій за підсумками минулих етапів. Очікувані результати. Етапи виконання програми.

"Школа соціального успіху" - Нова формула стандартів - вимоги: Початкової освіти. Тр – до результатів освоєння основних освітніх програм. Організаційний розділ. Попова Є.І. Введення ФГОС НГО. Предметні результати. Цільовий розділ. 2. Основна Освітня Програма. 5. Матеріали методичної наради.

«КСЄ» – основні поняття системного підходу. Концепція сучасного природознавства (КСЕ). Наука як критичне пізнання. - ціле - частина - система - структура - елемент - безліч - зв'язок - ставлення - рівень. Концепція концепції. Гуманітарні науки Соціологія Лінгвістика Етика Естетика. Фізика Хімія Геологія Географія.

Всього у темі 32 презентації