Тонкий пигмент за сетчаткой

Зрительная фототрансдукция представляет собой комплекс процессов, который отвечает за изменение (фототрансформацию) пигментов и последующую их регенерацию. Необходимо это для передачи информации из внешнего мира к нейронам. Благодаря биохимическим процессам, при влиянии света с различной длиной волны, возникают структурные изменения в строении пигментов, которые находятся в бислойном липидном участке мембран внешней доли фоторецептора.

Изменения в фоторецепторах

Фоторецепторы всех позвоночных животных, включая человека, могут реагировать на световые лучи путем изменения фотопигментов, которые располагаются в бислойных мембранах в области внешней доли колбочек и палочек.

Сам зрительный пигмент представляет собой белок (опсин), который является производным витамина А. Сам бета-каротин содержится в пищевых продуктах, а также синтезируется в клетказ сетчатки (фоторецептоный слой). Эти опсины ил хромофоры в связанном состоянии локализуются в глубине биполярных дисков в зоне внешних долей фоторецепторов.

Около половины опсинов приходится на бислойный липидный слой, который связан снаружи короткими петлями белка. Каждая молекула родопсина имеет в своем составе семь трасмембранных участков, которые окружают хромофор в бислое. Хромофор располагается горизонтально в мембране фоторецептора. Внешний диск мембранного участка имеет большое количество зрительных молекул пигмента. После того, как был поглощен фотон света, вещество пигмента переходит из одной изоформы в другую. В результате этого молекула претерпевает конформационные изменения, а структура рецептора восстанавливается. При этом метародопсин активирует G-белок, что запускает каскад биохимических реакций.

Фотоны света воздействуют на зрительный пигмент, что приводит к активации каскада реакций: фотон – родопсин – метародопсин – трансдуцин – фермент, который гидролизует цГМФ.В результате этого каскада формируется закрывающаяся мембрана на внешнем рецепторе, которая связана с цГМФ и отвечает за работу катионного канала.

В темноте через открытые каналы проникают катионы (в основном ионы натрия), которые приводят к частичной деполяризации ячейки фоторецептора. При этом этот фоторецептор выбрасывает медиатор (глутамат аминокислоты), который воздействует на инаптические окончания нейронов второго порядка. При незначательном световом возбуждении молекула родопсина изомеризуется в активную форму. Это приводит к закрытию ионного трансмембранного канала, и, соответственно, останавливает катионный поток. В результате клетка фоторецептора гиперполяризуется, а медиаторы перестают выделяться в зоне контакта с нейронами второго порядка.

В темноте через трансммбранные каналы осуществляется поток ионов натрия (80%), кальция (15%), магния и других катионов. Чтобы удалить избыток кальция и натрия во время темноты, в клетках фоторецепторов действует катионный обменник. Ранее считалось, что кальций участвует в фотоизомерации родопсина. Однако в настоящее время получены доказательства того, что этот ион играет и другие роли в фототрансдукции. За счет присутствия достаточной концентрации кальция, палочковые фоторецепторы становятся более восприимчивыми к свету, а также значительно увеличивается восстановление этих клеток после освещения.

Колбочковые фоторецепторы способны приспособиться к уровню освещения, поэтому человеческий глаз способен воспринимать объекты при разном освещении (начиная от теней под деревом и заканчивая предметов, расположенных на блестящем освещенном снегу). Палочковые фоторецепторы имеют меньшую приспособляемость к уровню освещения (7-9 единиц и 2 единицы для колбочек и палочек, соответственно).

Фотопигменты экстерорецепторов колбочек и палочек сетчатки глаза

К фотопигментам колбочкового и палочкового аппарата глаза относят:

• Йодопсин;
• Родопсин;
• Цианолаб.

Все эти пигменты отличаются друг от друга аминокислотами, которые входят в состав молекулы. В связи с этим пигменты поглощают определенную длину волны, точнее диапазон длин.

Фотопигменты экстерорецепторов колбочек

В колбочках сетчатки глаза располагается йодопсин и разновидность йодопсина (цианолаб). Все выделяют три типа йодопсина, которые настроены на длину волны в 560 нм (красный), 530 нм (зеленый) и 420 нм (синий).

О существовании и идентификации цианолаба

Цианолаб представляет собой разновидность йодопсина. В сетчатке глаза синие колбочки располагаются регулярно в периферической зоне, зеленые и красные колбочки локализуются хаотично по всей поверхности сетчатки. При этом плотность распределения колбочек с зеленым пигментов больше, чем красных. Наименьшая плотность отмечается у синих колбочек.

В пользу теории трихромазии свидетельствуют следующие факты:

• Была определена спектральная чувствительность двух пигментов колбочки при помощи денситометрией.
• С использованием микроспектрометрии было определено три пигмента колбочкового аппарата.
• Был идентифицирован генетический код, ответственный за синтез красных, синих и зеленых колбочек.
• Ученым удалось изолировать колбочки и измерить их физиологический ответ на облучение светом с определенной длинной волны.

Теория трохромазии раньше была не в состоянии объяснить наличие четырех основных цветов (синий, желтый, красный, зеленый). Также было затруднительно объяснить, почему люди-дихроматы способны различать белый и желтый цвета. В настоящее время открыт новый фоторецептор сетчатки, в котором роль пигмента исполняет меланопсин. Это открытие расставило все по местам и помогло ответить на многие вопросы.

Также в недавних исследованиях при помощи флуоресцентного микроскопа были изучены срезы сетчатки птиц. При этом было выявлено четыре типа колбочек (фиолетовая, зеленая, красная и синяя). За счет оппонентного цветного зрения фоторецепторы и нейроны дополняют друг друга.

Фотопигмент палочек родопсин

Родопсин относится к семейству G-связанных белков, который так назван из-за механизма трансмембранной передачи сигнала. При этом в процесс вовлекаются G-белки, расположенные в примембранном пространстве. При исследовании родопсина была установлена структура этого пигмента. Это открытие очень важно для биологии и медицины, потому что родопсин является родоначальником в семействе GPCR-рецепторов. В связи с этим его строение используется в изучении всех остальных рецепторов, а также определяет функциональные возможности. Родопсин назван так, потому что имеет ярко-красную окраску (с греческого он дословно переводится как розовое зрение).

Дневное и ночное зрение

Изучая спектры поглощения родопсина, можно заметить, что восстановленный родопсин отвечает за восприятие света в условиях низкой освещенности. При дневном свете этот пигмент разлагается, и максимальная чувствительность родопсина смещается в синюю спектральную область. Это явление получило название эффект Пуркинье.

При ярком освещении палочка перестает воспринимать дневные лучи, а эту роль на себя берет колбочка. При этом происходит возбуждение фоторецепторов в трех областях спектра (синий, зеленый, красный). Далее эти сигналы преобразуются и направляются в центральные структуры мозга. В результате формируется цветное оптическое изображение. Для полного восстановления родопсина в условиях низкой освещенности требуется коло получаса. В течение всего этого времени происходит улучшение сумеречного зрения, которое достигает максимума по окончании периода восстановления пигмента.

Биохимик М.А. Островский провел ряд фундаментальных исследований и показал, что палочки, содержащие пигмент родопсин, участвуют в восприятии объектов в условиях низкого освещения и отвечают за ночное зрение, которое имеет черно-белую окраску.

Описание

Фоторецепция, т. е. восприятие света и переработка его энергии в другие виды энергии — химическую и электрическую, происходит в сетчатке.

Уже более ста лет тому назад было установлено, что в сетчатке имеются два вида фоторецепторов — палочки и колбочки (рис. 16).

Рис. 16. Схематическое изображение рецепторных клеток сетчатки: а — периферические палочки (П) и периферические колбочки (К); б — фовеальные колбочки

Палочки очень чувствительны к свету, но не различают цветов. Цветовое зрение обеспечивают колбочки. Строение сетчатки чрезвычайно сложно. Обычно в ней различают десять слоев, схематически изображенных на рис. 17.

Рис. 17. Схема строения сетчатки

Зрачок нужно представить себе лежащим где-то выше рисунка, так что свет идет сверху вниз. К слою рецепторных клеток— палочек и колбочек (слой 2) свет доходит сквозь 8 прозрачных слоев, от десятого до третьего. В них происходит первичная обработка информации. После прохождения биологической мембраны (слой 10) свет последовательно проходит сквозь волокна зрительного нерва 9, ганглиозные клетки 8. Далее следуют аксоны биполяров и внутренний ядерный слой 6, 7, ножки колбочек и сферулы палочек 5, ядра рецепторных клеток 4 и наружная пограничная мембрана 3. Активное поглощение света, приводящее к возникновению нервных импульсов, начинается в сегментах рецепторов, отмеченных буквой а, куда свет поступает, пройдя по волноводам б. Остатки ненужного более света, предупреждая его рассеяние, поглощает пигментный эпителий (слой 1).

Возбуждение в виде электрического и химического воздействия идет в обратном направлении: по аксонам, т. е. удлиненным проводящим отросткам, оно передается во внутренний ядерный слой, сложным образом распределяется и перерабатывается горизонтальными и амакриновыми клетками. Горизонтальные клетки осуществляют латеральные, т. е. боковые, связи рецепторов, объединение их друг с другом. Амакриновые клетки (клетки, не имеющие аксонов) тоже как-то участвуют в переработке информации. Биполярные клетки соединяются с ганглиозными, длинные аксоны которых образуют волокна зрительного нерва, по этим волокнам сигналы передаются в мозг.

Палочки и колбочки распределены по сетчатке очень неравномерно. На периферии преобладают палочки, а в центральной части — колбочки. Центральную часть сетчатки называют макулярной областью или просто макулой. Название произошло от латинского слова macula — пятно. Присутствие макулярного пигмента придает макуле желтоватый цвет, что объясняет ее русское название — желтое пятно.

Желтое пятно имеет овальную форму, оно несколько вытянуто в горизонтальном направлении. Размер его точно не установлен: различные авторы указывают размер по горизонтали от 1,5 до 3 мм, что соответствует угловым размерам от 5 до 10°. По-видимому, возможны большие индивидуальные различия в размере желтого пятна. В середине желтого пятна расположена центральная ямка, или фовеа (по латыни fovea centralis), с поперечником примерно 0,4 мм, что соответствует углу 1,2° в пространстве предметов, см. формулу (12). Схематически сечение фовеа меридиональной плоскостью изображено на рис. 18,б.

Рис. 18. Схема строения желтого пятна: а — размеры различных областей его, б — разрез центральной ямки

Числа слева указывают те же слои, что и на рис. 17. Почти все слои сильно истончены, что и обусловило углубление в сетчатке — ямку. Тот предмет, который человек хочет особенно внимательно рассмотреть, проецируется на середину центральной ямки. Тут лежит точка фиксациии, т. е. точка, через которую проходит зрительная ось.

В центральной ямке, в непосредственной близости к точке фиксации, тесно прижаты друг к другу колбочки и только колбочки — палочек здесь нет. Колбочки здесь особенно тонкие (см. рис. 16,б). Поперечный размер наружного сегмента фовеальной колбочки 2 мкм, т. е. меньше половины минуты в угловой мере. По-видимому, каждая фовеальная колбочка через биполярную клетку связана со своим волокном зрительного нерва, которое передает в мозг только ее сигналы. Такое устройство фовеа обеспечивает высокую разрешающую способность центральной ямки. Периферические колбочки раза в три толще фовеальных и уже ие имеют индивидуального представительства в мозгу, так же как и палочки. Это ясно из того, что сетчатка человека содержит около 120 млн. палочек и 7 млн. колбочек, а волокон зрительного нерва от глаза отходит только около миллиона. Группы рецепторов в сетчатке объединяются в рецепторные поля, посылая один общий сигнал по волокну зрительного нерва. Объединение импульсов, их переработка и выработка единого сигнала в виде нескольких нервных импульсов происходит в основном во внутреннем ядерном слое.

На квадратный миллиметр сетчатки приходится примерно 160 тыс. рецепторов. В центральной ямке, свободной от палочек, находится приблизительно 26 тыс. колбочек.

Роль пигментного слоя — первого, считая от склеры, сводится, очевидно, к тому, чтобы поглотить свет, прошедший уже остальные 9 слоев, и избавить сетчатку от засветки лишним рассеянным светом. С той же целью чернят внутренние стенки биноклей п фотокамер. Восемь слоев сетчатки — от десятого до третьего — в высокой степени прозрачны. Но во втором слое — в рецепторах должно происходить значительное поглощение света, без чего невозможна фотореакция — превращение энергии света в энергию нервного возбуждения. Значит, в палочках и колбочках должны присутствовать поглощающие свет пигменты. В палочках действительно найден такой пигмент — родопсин, или зрительный пурпур. Это сложное белковое вещество. Изучен его состав. Спектр поглощения зрительного пурпура исследован как в извлеченном состоянии (in vitro), так и в живом глазу (in vivo). Поскольку палочки чувствительны только к свету, а цвета не различают, для них достаточно одного светочувствительного вещества. В колбочках в соответствии с принятыми колориметрическими представлениями следовало бы предположить наличие трех пигментов, отличающихся по спектральному поглощению. Однако до сих пор из колбочек сетчатки человека или обезьяны не удалось выделить ни одного пигмента. Если такие пигменты и существуют, то, по-видимому, в концентрации гораздо меиьшей, чем концентрация родопсина. Кроме того, выделить пигмент колбочек из сетчатки труднее потому, что колбочек в 17 раз меньше, чем палочек. Но существуют животные только с колбочковым зрением, например куры. Они очень плохо видят в сумерках (куриная слепота), их сетчатка лишена родопсина. И вот из их сетчатки удалось выделить колбочковое светочувствительное вещество — иодопсин. Но спектральная кривая его поглощения совершенно не согласуется со спектральными свойствами колбочек. Чрезвычайно тонкими спектрофотометрическими опытами с сетчаткой человека и человекообразных обезьян удалось нащупать микроучастки с кривыми поглощения, которые могли бы обеспечить цветовое зрение. Так появилась принятая сейчас многими учеными гипотеза о трех видах колбочек, каждый из которых чувствителен в своей области спектра. Можно предполагать в сетчатке четыре рода рецепторов: палочки и три вида колбочек — «красные», «зеленые» и «синие». Есть, однако, аргументы и в пользу того, что в каждой фовеальной колбочке присутствуют все три пигмента. Быть может, они по-разному локализованы в колбочке. Вообще механизмы, обеспечивающие цветовое зрение, еще далеко не выяснены, в силу чего кроме гипотезы трех видов колбочек существуют и другие конкурирующие предположения, связанные или с геометрией колбочек, или с инерционными свойствами приемников.

Строение колбочки весьма сложно. Она представляет собой волновод, направляющий н преобразующий световую волну. На колбочку сильно действуют лучи, идущие по ее оси пли близко к оси, что объясняет так называемый эффект Стайлса — Кроуфорда. Стайлс и Кроуфорд показали, что один и тот же узкий пучок света воспринимается как менее яркий, когда он проходит через край зрачка, а не через его центр. Так как именно крайние лучи обусловливают сферическую аберрацию, строение колбочки помогает ослабить вредное действие этой аберрации.

Вогнутость поверхности сетчатки почти полностью компенсирует кривизну поля оптической системы глаза. Форму сетчатки, как и всего глазного яблока, поддерживает давление стекловидного тела. В норме внутриглазное давление не превышает 27мм рт. ст. (3,6 кПа). Давление 28 мм и выше служит симптомом весьма часто встречающейся глазной болезни — глаукомы.

Сетчатка обильно снабжается кровью с помощью крупных и мелких сосудов, хорошо видимых на ее поверхности в офтальмоскоп. Поскольку в организме человека нет другого места, где сосуды так хорошо просматриваются в интактном органе, офтальмоскопирование может служить для диагностики не только глазных, но и многих других болезней, прежде всего сосудистых заболеваний.

—-

Статья из книги: Глаз и свет | Луизов А.В.