Глава 3. Строение глазного яблока

ля (альдегид витамина А) с опсином посред­ством основания Шиффа. Родопсин относится к так называемым трансмембранным белкам, N-конец которых обращен в междисковое про­странство, а С-конец обращен в цитоплазму (рис. 3.6.35) [447, 448]. Благодаря этому моле­кулы хромофора ориентированы параллельны­ми рядами вдоль мембран наружных члеников фоторецепторов, т. е. располагаются перпенди­кулярно падающим на него фотонам, обеспечи­вая максимальный сбор световой информации. Установлено, что диск наружного сегмента па­лочки содержит от 300 до 900 молекул родо­псина [447, 448].

В сетчатке человека выявлено четыре типа зрительных пигментов. Один тип обнаружен в палочках (родопсин) и три в колбочках (иодо-псин). В зависимости от спектральных особен­ностей поглощения световой энергии колбочко-вые пигменты разделяются на чувствительные к красной (570 нм), зеленой (540 нм) и синей частям спектра (440 нм). 11-цис-ретиналь яв­ляется хромофором для всех четырех классов зрительных пигментов человека.

Основным механизмом преобразования све­товой энергии является изменение характера взаимодействия хромофора (11-цис-ретиналь) с белком (опсин). Механизм этого процесса сво­дится к тому, что при действии световой энер­гии происходит изомеризация 11-цис-ретиналя с превращением его в полностью транс-рети-наль (рис. 3.6.36). Изменение строения молеку­лы ретиналя разрушает ее связь с опсином, что приводит к нарушению третичной структуры белка. Этот процесс происходит через ряд зве­ньев с образованием промежуточных продук­тов. Эти промежуточные вещества существуют

11 -цис-ретинил эфир

₁₁

11-цис-ретинол

ПЭС

Полностью-транс-ре-тинил эфир

11-цис ретинол__ _НАд_ф

НАДФН + Н⁺-

X та О ^ч

Полностью-транс-ретиналь

¹ Опсин

Полностью-транс-ретинол

11-цис ретиналь

Родопсин

JI

НСП

Рис. 3.6.36. Химические превращения родопсина в про­цессе зрительного цикла:

ПЭС — пигментный эпителий сетчатки; НСП — наружный сег­мент палочки

исключительно короткое время и их можно анализировать только при низких температурах (рис. 3.6.37). Наиболее важным звеном в этом процессе является переход метародопсина I в метародопсин II. Именно на этом этапе и про­исходят конформационные изменения белковой части родопсина, что приводит к появлению у последнего ферментативной активности. Эти изменения инициируют дальнейший каскад про­цессов преобразования, о которых речь пойдет несколько ниже [78, 371, 448].

Родопсин (498 нм)

Свет *- I Пикосекунды

Прелюмиродопсин (батородопсин) (543 нм)

I Наносекунды

Люмиродопсин (497 нм)

I Микросекунды

Метародопсин I (478 нм)

I Миллисекунды

Метародопсин II (380 нм)

I Секунды

Метародопсин III (465 нм)

I Минуты

Опсин (280 нм)

+ Транс-ретиналь (380 нм)

Рис. 3.6.37. Схема превращений родопсина под дейст­вием световой энергии (в скобках указаны спектраль­ные изменения продуктов реакции)

После разрушения связи хромофора с опси­ном наступает обратный процесс, т. е. реге­нерация родопсина. Происходит это следую­щим образом (рис. 3.6.36). При обесцвечива­нии зрительного пигмента полностью-транс-ре-тиналь высвобождается из зрительного пигмен­та и преобразуется в полностью-транс-ретинол. Полностью-транс-ретинол из наружных сегмен­тов фоторецепторов поступает в пигментный эпителий сетчатки, где он эстерифицируется, превращаясь в эфир полностью-транс-ретинил эфир. Последний превращается в 11-цис-рети­нол благодаря деятельности фермента — рети-ноид изомеразы. Образовавшийся в результа­те реакции 11-цис-ретонол возвращается в фо­торецепторы, где, окисляясь, превращается в 11-цис-ретиналь. 11-цис-ретиналь соединяется с опсином, образуя родопсин. Вновь образо­ванный родопсин может опять абсорбировать

Сетчатка

253

Темновые условия Наружный сегмент Внутренний сегмент

3Na*

-No*

Свет

фотон и инициализировать зрительный цикл. Таким образом, та же самая молекула опсина может многократно использоваться в зритель­ном возбуждении.

Из приведенной цепи реакций видно, что составленные части родопсина повторно ис­пользуются в зрительном цикле. Тем не менее процесс регенерации хроматофора предполага­ет обязательное постоянное пополнение клеток пигментного эпителия витамином А, из которо­го образуется эфир 11-цис-ретинила.

В организм человека витамин А поступает с пищей и хранится в печени. Поступая в кровь, он связывается с ретинол-связывающим белком и затем с преальбумином. Этот белковый ком­плекс, благодаря наличию фенестр в эндотели-альной выстилке капиллярных сосудов хориои-деи, легко проникает через мембрану Бруха и достигает клеток пигментного эпителия сетчат­ки. Затем витамин А отделяется от белковой части комплекса и поступает в цитоплазму пиг­ментных клеток для дальнейших преобразова­ний в 11-цис-ретиналь.

Для восстановления родопсина необходимо пополнение и его белковой части, т. е. опсина. Пополнение фоторецепторов опсином происхо­дит благодаря постоянно протекающему процес­су регенерации наружных члеников палочек и колбочек. Вновь образованные мембранные па­кеты, содержащие в своем составе и опсин, постепенно передвигаются к апикальной поверх­ности фоторецептора, где опсин связывается с 11-цис-ретиналем, образуя «новый» родопсин.

Кратко описав характер химических преоб­разований родопсина в процессе зрительного цикла, необходимо ответить на вопрос — каким образом описанные физико-химические процес­сы приводят к инициализации нервного импуль­са? Чтобы понять этот процесс необходимо об­ратиться к рис. 3.6.38. На рисунке видно, что в темновых условиях фоторецепторы деполяри­зованы. Это связано с тем, что натриевые кана­лы плазматических мембран сегментов палочек и колбочек в темноте открыты и из внеклеточ­ного пространства в цитоплазму фоторецептора поступает большое количество ионов натрия. При этом диффузия натрия из наружного сег­мента фоторецепторов во внутренний сегмент в темновых условиях обеспечивает формирование «темнового тока» [1206].

Натриевые каналы остаются открытыми благодаря высокой концентрации циклического гуанозин монофосфата (cGMP). Равновесие между ионами натрия и калия поддерживается благодаря деятельности АТФ-зависимого нат­рий/калиевого насоса.

Воздействие на зрительный пигмент свето­вой энергии приводит к закрытию ионных кана­лов и снижению проводимости Na+ через мем­брану наружного сегмента (рис. 3.6.38). При этом изменяется трансмембранный потенциал фоторецептора и возникает гиперполяризация.

Рис. 3.6.38. Схематическое изображение механизма

формирования нервного импульса в фоторецепторной

клетке:

В темноте ионы натрия (Na⁺), как и ионы кальция (Са⁺), пере­мещаются из наружного сегмента фоторецептора во внутренний благодаря деятельности Na⁺/K насоса (/), а поступают в наруж­ный сегмент через катионные каналы (2). При этом формируется «темновой ток» ионов натрия. Катионные каналы открыты тогда, когда сСМР (cG) находится в связанном состоянии. Поток ионов натрия в направлении внутреннего сегмента происходит по мере выхода из клетки ионов калия (3). Вследствие поглощения фото­на родопсином (5) активизируется фосфодиэстераза (6), что при­водит к повышению концентрации cGNP и закрытию катионных каналов. Следствием этого является уменьшение проницаемости мембраны для ионов натрия и усиление ее поляризации. Посред­ником в этом процессе являются ионы кальция, поскольку они эффективно блокируют натриевые каналы и вызывают наблюда­емую гиперполяризацию. Выведение ионов кальция обеспечива­ется деятельностью ионообменника (4) и при закрытых каналах

Таким образом, фоторецепторы отвечают на освещение не потенциалами действия, а гипер­поляризацией, величина которой пропорцио­нальна интенсивности освещения.

В деполяризованном (темновом) состоянии фоторецепторы высвобождают нейромедиаторы в синаптическую щель, которые взаимодейству­ют с постсинаптическими терминалами бипо­лярных и горизонтальных клеток.

Увеличение степени освещенности вызывает градуированную гиперполяризацию, которая вызывает уменьшение выделения нейромедиа-тора.

Необходимо отметить, что фоторецепторы, как и горизонтальные и биполярные клетки, не генерируют потенциалы действия, и таким об­разом отвечают на световую энергию уменьше­нием выделения медиатора [1206, 1055]. Только нейроны третьего порядка (ганглиозные клет­ки) генерируют потенциалы действия.

Как указано выше, индуцирует гиперполяри­зацию фоторецептора перекрытие ионных ка­налов. Изучению механизмов этого процесса

254