Структура и функция сетчатки

Сетчатка у млекопитающих животных состоит из нескольких слоев клеток различного типа. Прежде чем достигнуть фоторецеп-торных клеток, световые лучи должны пройти через все слои этих клеток (см. рис. 15.16, Б). Фоторецепторные клетки — это сильно видоизмененные волосковые клетки. Сома клетки — внутренний сегмент содержит ядро и большое количество мелких митохондрий (рис. 15.17, А); в базальной части имеется афферентное синаптичес-кое окончание, а от верхнего конца отходит рудиментарная реснич-

43* 675

 

Диск,

П игментный эп ителий

Наружная мембрана

Максимальный темновой ток

цГМФ^^р закрывается

Г-- Канал

открывается

Снижение натриевой проводимости

Синоптическое окончание

Темнота В

^cNa

Потенциал поко

Наружный - сегмент колбочки

я

Синоптическое окончание

Na

Свет

Уменьшение gr,

 

Рис. 15.17.

Морфофункциональная организация фоторецепторов позвоночных животных:

 

А. Палочка и колбочка сетчатки. Б. Схема передачи фотовозбуждения к ионным каналам на­ружной мембраны рецептора: Р. — фотопигмент родопсин; С —белок; ФДЭ — фосфодиэсте-раза; ГМФ — гуанозинмонофосфат; цГМФ — циклический гуанозинмонофосфат. В. Измене­ние ионного тока через мембрану фоторецептора при освещении. Г. Изменение мембранного потенциала (потенциала покоя) фоторецептора при освещении: £м_а — равновесный потенциал для ионов натрия; Е_к — равновесный потенциал для ионов калия. По оси ординат — время

 

ка, внутри которой, как и в киноцилии, по кругу располагают­ся 9 пар фибрилл. Ресничка в одних случаях образует расшире­ние — наружный сегмент в виде цилиндра, в других — в виде кол­бы. Соответственно первый тип фоторецептора получил название палочки, а второй — колбочки. У колбочек мембрана образует дис-

Наружный сегмент Внутренний сегмент

кообразные, накладывающиеся друг на друга ш.шичшытш уменьшающиеся в диаметре в направлении к верхнему и»ин\ внутренняя полость каждого диска сообщается с внутри и ми средой колбочки. У палочек мембраны дисков полностью зам кнуты и внутреннее пространство диска изолировано от внут­ренней среды наружного сегмента палочки. Диски собраны стопкой и заключены в футляр из поверхностной мембраны на­ружного сегмента.

В мембраны дисков обоих типов фоторецепторов встроен ин­тегральный фоторецепторный белок — фотопигмент, концентра­ция которого весьма значительна. Например, у коров на долю фо­топигмента приходится около 80 % общего количества белков мембраны. Все это указывает на то, что процессы фотохимическо­го преобразования энергии светового стимула происходят именно в дисках. Большое количество дисков увеличивает светочувстви­тельную поверхность фоторецептора. Зрительные диски образу­ются на протяжении всей жизни животного. Они постепенно в те­чение нескольких недель перемещаются по наружному сегменту с последующим отделением от него, поглощением и разрушением клетками пигментного эпителия. Пигментный эпителий выпол­няет еще ряд важных функций: препятствует отражению и рассе­иванию световых лучей, способствует более четкому зрительному восприятию. Наружные сегменты фоторецепторов окружены от­ростками пигментного эпителия. При сильном освещении части­цы пигмента перемещаются из эпителиальных клеток и экраниру­ют наружные сегменты от яркого света.

При регистрации электрической реакции фоторецепторов на световой стимул было обнаружено, что палочки и колбочки генерируют только гиперполяризационные рецепторные потен­циалы (см. рис. 15.17, Г). Измерение проводимости до освеще­ния и во время действия светового стимула показало, что в тем­ноте мембрана наружного сегмента примерно в одинаковой мере проницаема для ионов натрия и калия. Поэтому (см. гл. 2) согласно уравнению Голдмана величина покоя фоторецептор-ных клеток находится приблизительно между равновесным потенциалом для ионов калия и натрия. Ионы натрия входят в наружный сегмент по своему градиенту через каналы, кото­рые в темноте открыты.

Важно отметить, что при генерации темнового тока ионы на­трия не накапливаются во внутриклеточном пространстве благо­даря интенсивному функционированию Na⁺ — К⁺-ионного насо­са. Не случайно в фоторецепторах сосредоточено во внутреннем сегменте большое количество митохондрий. При освещении на­триевые каналы закрываются, что приводит к уменьшению темно­вого тока и к сдвигу мембранного потенциала в сторону равновес­ного калиевого потенциала, т. е. к гиперполяризации мембраны. После окончания действия светового стимула мембранный потен-

 

циал вновь сдвигается в положительном направлении и занимает уровень между равновесными калиевым и натриевым потенциала­ми. Изменения мембранного потенциала передаются путем про­стого кабельного распространения тока на базальную часть внут­реннего сегмента клетки, где модулируют процесс высвобождения нейромедиатора из пресинаптического участка клетки.

Разберем механизм передачи возбуждения от фоторецепторно-го белка к ионным каналам. Согласно электрофизиологическим, биохимическим и биофизическим исследованиям фотоактивируе-мый белок и ионные каналы в фоторецепторах пространственно разнесены: внутриклеточным посредником выступают молекулы циклического гуанозин-3', 5'-монофосфата (цГМФ). В темноте цГМФ «удерживает» ионные натриевые каналы в открытом состо­янии. Поглощение света фотопигментом (родопсином) вызывает активацию G-белка. Активированный G-белок, в свою очередь, ак­тивирует фермент фосфодиэстеразу, которая гидролизует цГМФ, превращая его в обычный ГМФ. Снижение концентрации цГМФ приводит к закрытию натриевых каналов и темновой ток умень­шается. После светового стимула в темноте под действием друго­го фермента — гуанилатциклазы происходит восстановление кон­центрации цГМФ. Повышение уровня цГМФ ведет к открытию натриевых каналов и восстановлению темнового тока до перво­начального уровня. То, что цГМФ является вторичным посред­ником в фотоэлектрических процессах, позволяет объяснить чрез­вычайно высокую чувствительность фоторецепторов. Так, погло­щение рецепторной клеткой нескольких фотонов, энергия которых ничтожна, вызывает заметную электрическую реакцию фоторецеп-торной клетки, превышающей в десятки тысяч раз первоначальную энергию фотостимула. Примерная, в определенной степени зани­женная оценка показывает, что фотовозбуждение одной молекулы фотопигмента активирует 10 молекул G-белка. Далее одна моле­кула G-белка активирует 10 молекул фосфодиэстеразы, которая, в свою очередь, гидролизует 10 молекул цГМФ. Таким образом ак­тивация 1 молекулы фотобелка уменьшает содержание цГМФ на 1000 молекул, т. е. происходит усиление реакции в 1000 раз.

Большие успехи достигнуты в изучении структуры и фото­химических превращений фотопигментов в фоторецепторных клетках при нанесении светового стимула. Предположение о том, что для процесса фоторецепции нужен какой-то пигмент, было выдвинуто в конце XVIII в. Д. Дрейпером. Вскоре после этого В. Кюне выделил чувствительное к свету вещество — родопсин, ко­торое обусловливает пурпурный цвет сетчатки. Им же было пока­зано, что после обесцвечивания пигмента на свету (пурпурный цвет бледнеет) его цвет восстанавливается через некоторое время в темноте при условии сохранения контакта между рецепторными клетками и пигментным эпителием. Родопсин содержится в па­лочках всех млекопитающих. Плотность молекул родопсина в

фоторецепторной мембране весьма велика — 5- III¹' мпнгкуи на 1 см² мембраны. Родопсин лучше всего поглощаем i шч < пни ной волны около 500 нм (сине-зеленая область). В шим.ниннгм были определены другие пигменты.

Все изученные фотопигменты состоят из двух глаииыч номмп нентов: белка опсина и простетической группы, которая и шиш* случаях представлена ретиналем (альдегидная форма витамина А|), в других — 3-гидроретиналем (альдегидная форма витамина А;) Действие света на родопсин (а также на другие зрительные иш менты) можно представить в виде следующей общей схемы:

Свет

Родопсин------- > Ретиналь + Опсин

<------------

Темнота

↕

Ретинол

В темноте опсин и ретиналь тесно связаны друг с другом. Как предполагают, ретиналь точно «входит» как ключ в замок в опре­деленный участок молекулы опсина. Поглощение светового кван­та вызывает цепь конформационных превращений и в ретинале, и в опсине. Родопсин, в котором ретиналь находится в форме изо­гнутой молекулы — в г^ыс-форме, превращается в люмиродопсин — неустойчивое соединение с ретиналем в транс-форме, с выпрям­ленной боковой цепью. Необходимо отметить, что цис-транс-vao- меризация является единственным эффектом, вызываемым све­том в зрительном пигменте.

Все последующие реакции происходят спонтанно с выделени­ем энергии при физиологических температурах (т. е. при обычной температуре тела животного). Люмиродопсин превращается в метародопсин. Измененная форма опсина, очевидно, вызывает активацию G-белка, запускающего ферментативный каскад реак­ций, в результате чего происходит гидролиз цГМФ и закрытие натриевых каналов. Метародопсин спонтанно гидролизуется до ретиналя и опсина. 7)?анс-форма ретиналя переходит в ретинол (витамин АО, т. е. вновь идет процесс изомеризации — превраще­ние в г<«с-форму. После этого г<ис-ретиналь с белком опсином в темноте формируют родопсин, который вновь участвует в фото­кинетическом процессе.

При очень ярком свете происходит интенсивное обесцвечивание родопсина. Для достижения исходного уровня родопсина требует­ся некоторое время, и чувствительность фоторецепторов в этот период снижена. Если в это время животное или человека помес­тить в темное помещение, то окружающие предметы мало различи­мы. Однако по мере восстановления уровня родопсина чувстви-

 

тельность фоторецепторов к свету возрастает и глаза начинают различать окружающую обстановку. Этот процесс приспособле­ния называют темповой адаптацией. В норме содержание рети-наля в фоторецепторах в результате фотохимических процессов восполняется из витамина А_{ (ретинола), запасенного в клетках пигментного эпителия, в которые он поступает из крови. Недо­статок витамина А_х в пище приводит к замедлению образования ретиналя и соответственно родопсина. Это сопровождается за­метным снижением чувствительности глаза к свету. Глаз теряет способность к темновой адаптации, развивается так называемая «куриная слепота».

ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ

Основы теории цветового зрения были заложены художниками эпохи Возрождения. Они хорошо знали, что можно воспроизвести любой цвет, комбинируя три основные краски: красную, желтую и синюю. На основании этих данных М. В. Ломоносов предполо­жил, что в глазу имеются структуры, обеспечивающие цветное восприятие путем комбинации трех цветов. Им впервые в 1751 г. была выдвинута идея о «трех материях дна ока». Подобная идея была высказана спустя 50 лет Т. Юнгом, который предположил, что рецепторы глаза избирательно воспринимают три основных цвета: красный, желтый и синий. Кроме того, рецепторы каждого типа в меньшей мере могут возбуждаться и другими цветами. Например, «красные» и «желтые» рецепторы наряду с тем, что бу­дут давать максимальную реакцию на соответствующие основные цвета," будут реагировать и на оранжевый. Таким образом, соглас­но Т. Юнгу, ощущение «оранжевого цвета» возникает в резуль­тате одновременного возбуждения «красных» и «желтых» ре­цепторов. Трихроматические теории Ломоносова — Юнга под­твердили в XIX—XX вв. многочисленные психофизические экс­перименты Максвела, Гельмгольца и Рэштона.

Однако объективные доказательства о существовании в сет­чатке глаза трех типов цветных рецепторов были получены впервые в 60-х годах XX в. У. Марксом и Э. МакНиколом. Изучая спектры поглощения одиночных колбочек из сетчат­ки золотой рыбки, они обнаружили три типа колбочек, кото­рые различались по спектральным пикам поглощения свето­вых волн и соответствовали трем зрительным пигментам. По­добного типа исследования, проведенные на сетчатке млеко­питающих, дали сходные результаты.

В соответствии с фотохимическими законами свет, состоящий из волн разной длины, стимулирует фотохимические реакции пропорционально поглощению световых волн каждой длины (каж­дого цвета). В том случае, если фотон не поглощается, то никакого

влияния на молекулу пигмента он не оказывает. I loi лощенный же фотон передает часть своей энергии молекуле пигмента и hi.i ii.iiui ет цепь реакций, в результате которых клетка генерирует рент торный потенциал (см. рис. 15.17, Б). Таким образом, полны p.i i ной длины (разного цвета) будут возбуждать фоторецепторпук» клетку пропорционально тому, насколько эффективно пигмеиi данной клетки поглощает эти волны, т. е. в соответствии с ее спектром поглощения света.

Цветовое зрение было выявлено у представителей всех клас сов позвоночных. Вместе с тем к настоящему времени экспери­ментальные данные не позволяют сделать окончательные выво­ды о вкладе палочек и колбочек в восприятие цвета. Как прави­ло, цветовое зрение связано с присутствием в сетчатке колбо­чек, однако в ряде случаев были обнаружены и «цветные» типы палочек. Морфологические отличия между тремя видами кол­бочек не выяснены. Поскольку структура и свойства ретиналя остаются во всех фоторецепторах неизменными, можно счи­тать, что цветочувствительность разных фотопигментов связана с изменениями структуры опсина. Родопсины человека имеют максимумы чувствительности в синей, зеленой и желтой частях спектра. Спектральные характеристики глаз животных и чело­века отличаются. Так, лошади, овцы и свиньи различают лишь красные и зеленые цвета. Цветовое ощущение, возникающее в ЦНС у человека и животных, очевидно, определяется соотно­шением между электрическими сигналами на выходе колбочек того или иного типа.