Трансдукция запускается поглощением фотона хромофорной группой (11-цис ретиналем) в молекуле родопсина. Достаточно большая энергия, которую доставляет поглощенный фотон, тратится на фотоизомеризацию 11-цис ретиналя. Вместе с тем из-за тепловых флуктуаций молекула родопсина может с некоторой вероятностью активироваться и без поглощения фотона (так называемая реакция спонтанной темновой изомеризации). Такую темновую изомеризацию палочка воспринимает как ложный световой сигнал. Вероятность тепловых изомеризаций крайне мала: при комнатной температуре ее полупериод достигает 500-1000 лет. Это означает, что молекула родопсина исключительно стабильна. Казалось бы, темновой шум в зрительной системе должен быть ничтожен. Но в наружном сегменте палочки содержится огромное количество молекул родопсина (у черепахи и лягушки ~109, у человека ~108), и суммарное число спонтанных изомеризаций в каждой палочке может быть не столь уж мало. Поэтому в зрительной системе возникает шум, который человек, долго находясь в полной темноте, может “увидеть” как очень редкие случайные световые вспышки.
Итак, палочка способна уверенно детектировать один фотон, т.е. представляет собой эффективный счетчик квантов света. Сейчас достаточно ясен молекулярный механизм, обеспечивающий высокую чувствительность палочки [9]. Фотоизомеризация 11-цис ретиналя в молекуле родопсина запускает каскад ферментативных реакций, усиливающий сигнал в 105-106 раз. В результате в наружном сегменте палочки возникает электрический сигнал, который распространяется вдоль клетки по плазматической мембране и передается в первом синапсе следующим нервным клеткам сетчатки. По существу фототрансдукция - это вариант классической цепной реакции, подобной атомному взрыву, только происходящий в светочувствительном наружном сегменте зрительной клетки.
Внутри наружного сегмента палочки находится несколько сотен фоторецепторных дисков, каждый из которых содержит до 106 молекул зрительного пигмента родопсина. В мембране фоторецепторного диска находятся также основные белки - участники процесса трансдукции: Р - родопсин, Т - трансдуцин или G-белок и ФДЭ - фермент фосфодиэстераза; в цитоплазме наружного сегмента - фермент гуанилатциклаза - ГЦ. В темноте родопсин, трансдуцин и фосфодиэстераза неактивны. Ионный канал в плазматической мембране открыт благодаря “сидящим” на нем молекулам циклического гуанозинмонофосфата - цГМФ. Через открытый ионный канал внутрь клетки по градиенту концентрации поступают ионы натрия (Na+ ) и кальция (Ca++ ). В результате на мембране поддерживается электрический потенциал –40 мВ. При поглощении кванта света молекулой родопсина происходит изомеризация хромофора (11-цис ретиналя) и изменяется конформация белковой части молекулы. Это приводит к обесцвечиванию родопсина, который активирует трансдуцин (Т), в свою очередь взаимодействующий с фосфодиэстеразой (ФДЭ). Активированный ФДЭ гидролизует цГМФ, вследствие чего его концентрация в цитоплазме наружного сегмента падает. Ионный канал, который теряет цГМФ, закрывается, плазматическая мембрана гиперполяризуется, и возникает электрический нервный сигнал. Цепная реакция Р-Т-ФДЭ приводит к усилению светового сигнала в 105-106 раз.
Одно из удивительных и важных свойств палочки как счетчика одиночных фотонов - постоянство формы и величины электрического отклика, которое обеспечивается строго определенной геометрией клетки. Палочка напоминает фотоумножитель с сотнями или даже тысячами ориентированных фоторецепторных дисков. В плазматической мембране, окружающей всю клетку, равномерно распределены ионные каналы. Если световая вспышка достаточно яркая и насчитывает не десяток, а множество фотонов, они поглощаются молекулами родопсина по всей длине наружного сегмента. И тогда электрический ответ палочки существенно выше. Но все равно этот относительно большой электрический сигнал всего лишь сумма однофотонных сигналов.
Иными словами, элементарный акт в работе зрительной клетки - ее электрический ответ на поглощение единичного фотона. Таким образом, достаточно высокая энергия изомеризации 11-цис ретиналя, специфичность и высокая эффективность фототрансдукции, удивительное постоянство параметров фоторецепторного электрического ответа на поглощение единичного фотона и, возможно, некоторые другие механизмы и обеспечивают работу палочки в режиме счетчика фотонов с высоким отношением сигнал-шум.
Итак, абсолютная световая чувствительность зрительной системы (глаза и мозга) определяется наименьшим количеством световой энергии, которое вызывает субъективное ощущение света. В настоящее время порог светового восприятия экспериментально определен в (4-7)·10–10 эрг/с. Это - минимальный поток световой энергии от точечного источника, который падает на роговицу глаза и воспринимается мозгом как вспышка света. Для фотонов с длиной волны 507 нм (максимум кривой видности палочкового зрения) такая пороговая энергия соответствует 50-150 фотонам. Около половины этой энергии теряется на пути к сетчатке в оптических средах глаза, главным образом за счет отражения от роговицы и поглощения в хрусталике и стекловидном теле. Из доходящих до сетчатки 25-75 фотонов собственно фоторецепторными клетками поглощается всего 5-15, остальные (называемые “лишними”) проходят сквозь сетчатку и поглощаются лежащим за ней однослойным черным пигментным эпителием.
Природа феномена предельной световой чувствительности зрительной клетки находит свое объяснение. Заслуга С.Лэнгли, Ю.Б.Харитона, С.И.Вавилова, С.Хехта и многих других исследователей состоит в установлении самого этого феномена: одного поглощенного светового кванта достаточно для физиологического возбуждения рецептора сумеречного зрения - палочки сетчатки глаза.
Литература
1. Langley S.P. // Proc. Amer. Acad. Sci. 1881. V.16. P.342.
2. Langley S.P. // Phil. Mag. 1889. V.27. Series 5, 1.
3. Chariton J., Lea C.A. // Proc. Roy. Soc. 1929. V.CXXII.-A. P.304-352.
4. Вавилов С.И. Глаз и солнце. М., 1927.
5. Вавилов С.И. Флуктуации света и их измерения визуальным методом // Тр. физиол. оптики. Л., 1936. С.332-342.
6. Брумберг Е.М., Вавилов С.И. // Изв. АН СССР (ОМЕН). 1933. №7. С.919-941.
7. Hecht S., Shlaer S., Pirenne M.H. // J. General Physiology. 1942. V.25. P.819-840.
8. Островский М.А., Говардовский В.И. Механизмы фоторецепции позвоночных // Физиология зрения. М., 1992. С.5-59.
9. Pepe U.M. // J. Photochem. Photobiology. 1999. V.48. P.1-10.
29-04-2015, 01:59