Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 90
Текст из файла (страница 90)
Возбудимые мембраныи сенсорные системы339Рис. 37.19.Инактивация норадреналина.37.12. Для возбуждения палочки сетчаткиглаза достаточно одного фотонаРассмотрим теперь возбудимые рецепторы,активируемые светом. У человека имеютсядва типа фоторецепторных клеток, называемых палочками и колбочками в соответствии с их формой. Колбочки функционируют на ярком свету и ответственны зацветовое зрение, тогда как палочки воспринимают слабый свет, но не различают цвета.В сетчатке глаза человека содержится 3 млн.колбочек и 1 млрд.
палочек. Эти фоторецепторные клетки преобразуют энергию светав движение атомов, а далее и в нервный импульс. Палочки и колбочки образуютсинапсы с биполярными клетками, которыеРис. 37.20. Синтез и инактивация γ-аминобутирата.340Часть V.Молекулярная физиологияв свою очередь взаимодействуют с другиминервными клетками в сетчатке. Электрические сигналы, генерированные фоторецепторными клетками, преобразуются, проходя по сложной сети нервных клетокв сетчатке, и затем передаются в мозг по волокнам зрительного нерва. Таким образом,сетчатка выполняет две функции, а именнотрансформирует свет в нервные импульсыи интегрирует зрительную информацию.В 1938 г.
Зелиг Хехт (Selig Hecht) открыл,что для возбуждения палочки (клетки) сетчатки человека достаточно одного фотона.Рассмотрим молекулярную основу исключительно высокой чувствительности этихклеток. Палочки представляют собой тонкие удлиненные структуры диаметром обычно 1 мкм и длиной 40 мкм. Основныефункции этой клетки четко разделены пространственно (рис. 37.22). Наружный сегмент палочки специализирован для фоторецепции. В нем содержится примерно 1000дисков, сложенных стопкой (рис. 37.23). Диски представляют собой закрытые уплощенные мешочки толщиной около 160 А.Эти мембранные структуры насыщены фоторецепторными молекулами.
Мембраныдисков и плазматическая мембрана наружного сегмента не соприкасаются. Тонкая ресничка соединяет наружный сегмент с внутренним сегментом, богатым митохондриями и рибосомами. Во внутреннемсегменте с очень высокой скоростью вырабатывается АТР и идет активный синтезбелков. Диски наружного сегмента имеютсрок жизни всего лишь 10 дней и постояннообновляются. Внутренний сегмент соприкасается с ядром, расположенным рядомс синаптическим тельцем. Синаптическоетельце, в котором содержится много синаптических пузырьков, образует синапс с биполярными клетками.37.13.
Родопсин - фоторецепторный белокпалочекДля стимуляции фоторецепторных клетокнеобходимо поглощение света. Поглощениефотона света должно вызвать структурныеизменения светопоглошающей группировкиРис. 37.21.Микрофотография клеток палочек сетчатки, полученнаяв сканирующем электронноммикроскопе. (Печатается с любезного разрешения д-ра DericBownds.)N-конец расположен в водной фазе внутридиска, а С-конец - на другой стороне мембраны диска, в цитозоле.
N-концеваяобласть родопсина содержит две олигосахаридные единицы, ковалентно присоединенные к аспарагиновой боковой цепи.(хромофора). Фоточувствительным веществом палочек является родопсин, состоящий из белка опсина и простетическойгруппы, представленной 11-цис-ретиналем(рис. 37.24). Родопсин представляет собойтрансмембранный белок массой 38 кДа. ЕгоРис. 37.23.Рис. 37.22.Схематическоеизображениепалочки сетчатки.Наружный сегмент палочкисетчатки под электронным микроскопом. Видны уложенныестопкой диски. (Allen J. M., ed.,Molecular organizationandbiological function, Harper andRow, 1967.)37.
Возбудимые мембраныи сенсорные системы341Рис. 37.24. Структура 11-цис-ретиналя, полностью-транс-ретиналя и полностью-транс-ретинола (витамина А).Этим сахарам, по-видимому, принадлежитважная роль в направленном передвиженииродопсина из внутреннего сегмента к ди-Рис. 37.25.342скам. Дело в том, что родопсин, как и другиемембранные белки эукариот, синтезируетсяна рибосомах, прикрепленных к эндоплазматическому ретикулуму. Новосинтезированный родопсин попадает в аппаратГольджи и лишь после этого достигаетплазматической мембраны. Новые дискиобразуются в основании внутреннего сегмента путем инвагинации плазматическоймембраны, и именно поэтому углеводныеединицы родопсина оказываются локализованными внутри диска, хотя первоначально,входя в состав плазматической мембраны,они обращены во внеклеточное пространство (рис. 37.25).Опсин, подобно другим белкам, лишенным простетических групп, не поглощает видимого света.
Цвет родопсина и егочувствительность к свету определяютсяприсутствием 11-цис-ретиналя, являющегося высокоэффективным хромофором. Благодаря 11-цис-ретиналю родопсин обладаетширокой полосой поглощения в видимойобласти спектра с максимумом при 500 нм,что прекрасно соответствует солнечному излучению. Примечательна также интенсивность поглощения видимого света родопсином. Коэффициент экстинкции родопсинапри 500 нм очень высок, а именно4•104 см-1•М-1 (рис. 37.26). Суммарнаясила поглощения видимого света родопсином приближается к максимальным значениям для органических соединений.
Высокие хромофорные качества 11-цис-ретиналяобусловлены тем, что он является полиеном.Чередование в нем шести одинарныхи двойных (ненасыщенных) связей создаетдлинную ненасыщенную систему для переноса электрона.11-цис-ретиналь присоединен к родопсинучерез шиффово основание, которое образуется при связывании альдегидной группыОбразование дисков путем инвагинацииплазматическоймембраны.
Стрелками показана полярность молекул родопсина.Часть V.Молекулярная физиологияРис. 37.26.Спектрсина.поглощенияродоп-Рис. 37.27.Первичный акт при возбуждении светом - это изомеризация11-цис-изомера шиффова основания, образуемого ретиналем.вполностью-транс-форму.Двойная связь между С-11и С-12 показана зеленым цветом.ретиналь-изомеразы двойная связь междуС-11 и С-12 изомеризуется из транс-формыв цис-форму. Недостаточность витаминаА приводит к ночной («куриной») слепотеи в конечном итоге к повреждению наружных сегментов палочек.11-цис-ретиналя с ε-аминогруппой специфического остатка лизина в опсине.
Спектральные свойства родопсина свидетельствуют о том, что шиффово основание находится в протонированной форме.Первичный акт в процессе зрительного возбуждения известен. Как показал ДжорджУолд (George Wald), свет вызывает изомеризацию 11-цис-ретиналъной группы родопсинав полностью-транс-ретиналь. В результатеПредшественником 11-цис-ретиналя служит полностью-транс-ретинол (витамин А),который в организме млекопитающих неможет синтезироваться de novo. Полностью-транс-ретинол (рис. 37.24) превращается в 11-цис-ретиналь в два этапа. Сначала происходит окисление спиртовойгруппы в альдегидную в присутствии ретинол-дегидрогеназы и NADP + в качестве акцептора электронов. Затем под действием37.14.
Свет вызывает изомеризацию11-цис-ретиналяизомеризации сильно меняется геометрияретиналя (рис. 37.27). Образованное ретиналем шиффово основание передвигается поотношению к области кольца хромафорапримерно на 5 А. В сущности, поглощенныйфотон преобразуется в движение атомов.Значительная изомеризация ретиналяпроисходит практически в первые несколько37. Возбудимые мембраныи сенсорные системы343реакций фотолиза родопсина гидролизшиффова основания протекает настолькомедленно, что не играет никакой роли в генерировании нервного импульса.37.15. Свет вызывает гиперполяризациюплазматической мембраны наружногосегмента палочекРис. 37.28.Промежуточные этапы фотолиза родопсина. Приведеныдлины волн, соответствующиемаксимумам поглощения каждого из соединений, а такжепостоянная времени каждогоиз превращений.пикосекунд после поглощения фотона, о чемможно судить по появлению новой полосыпоглощения после сильного импульсногоосвещения лазером.
Образующийся приэтом промежуточный продукт фотолиза, называемый батородопсином (или прелюмиродопсином), содержит напряженную полностью-транс-формухромофора. Далееи ретиналь, и белок продолжает изменятьсвою конформацию, что приводит к образованию ряда промежуточных продуктов, различающихся по спектральным свойствам(рис. 37.28). При переходе от метародопсинаI к метародопсину II, длящемуся около миллисекунды, происходит депротонированиешиффова основания. Лишенное протонашиффово основание в метародопсине II гидролизуется в течение примерно одной минуты с образованием опсина и полностьютранс-ретиналя; последний путем диффузииотделяется от опсина, поскольку не соответствует участку связывания 11-цис-изомера.Полностью-транс-ретиналь в темноте изомеризуется снова в 11-цис-ретиналь, который связывается с опсином, и таким путем регенерируется родопсин.
В отличие отИзомеризация ретиналя из цис- в трансформу и последующие конформационныеизменения родопсина - это первичные актыпроцесса зрительного возбуждения. Следующий важный этап, необходимый для генерирования нервного импульса, был выявлен при электрофизиологических исследованиях интактной сетчатки. Квант светавызывает кратковременную гиперполяризацию плазматической мембраны наружныхсегментов (рис. 37.29).
Кинетика процессагиперполяризации зависит от интенсивности светового пучка и уровня устойчивогофонового освещения. Время реакции на единичный фотон составляет около секунды,а на интенсивный падающий свет - несколько миллисекунд. В палочках не возникаетпотенциала действия. Их реакция на светможет быть различной силы. Величина сигнала, идущего от наружного сегментак синапсу, зависит от числа поглощенныхфотонов. Если взять обладающие полнойчувствительностью адаптированные к темноте палочки, то полумаксимальный уровень гиперполяризации наблюдается припоглощении всего лишь 30 фотонов наружным сегментом палочки, содержащим40•106 молекул родопсина (рис.
37.30). Поглощение единичного фотона адаптированной к темноте палочкой вызывает гиперполяризацию порядка 1 мВ, что улавливаетсясинапсом и передается на другие нейронысетчатки. Исключительная чувствитель-Рис. 37.29.344Часть V.Молекулярная физиологияПод действием света происходит гиперполяризация палочексетчатки.ность - не единственное выдающееся свойство палочек. Их вторая поразительная особенность состоит в том, что реакциясветовоспринимающего аппарата фотодетектора на импульсное освещение зависитот уровня фоновой освещенности. Для возбуждения палочек, освещенных постояннымсветом, требуется значительно больше фотонов, чем для палочек, находящихся в темноте (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
