Структура и функции сетчатки
Сетчатка у млекопитающих животных состоит из нескольких слоёв клеток различного типа. Прежде чем достигнуть фоторецепторных клеток,световые лучи должны пройти через все слои этих клеток. Фоторецепторные клетки — это сильноизменённые волосковые клетки. Сома клетки — внутренний сегмент содержит ядро и большое количество мелких митохондрий; в базальной части имеется афферентное синаптическое окончание,а от верхнего конца отходит рудиментарная ресничка,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 — виде колбы. Соответственно первый тип фоторецептора получил название палочки,а второй — колбочки. У колбочек ембрана образует дискообразные, накладывающиеся друг на друга выпячивания,уменьшающиеся в диаметре в направлении к верхнему концу; внутренняя полость каждого диска сообщается с внутренней средой колбочки. У палочек мембраны дисков полностью замкнуты 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, концентраци 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 перемехаются по наружному сегменту с последующим отделением от него,поглощением и разрушением клетками пигментного эпителия. Пигментный эпителий выполняет ещё 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 гиперполяризационный рецепторные потенциалы. 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. Ионы натрия входт в наружный сегмент по своему градиенту через каналы,которые в темноте открыты.
Важно отметить,что при генерации темнового тока ионы натрия не накапливаютс во внутриклеточном пространстве благодаря интенсивному функционированию Na-K — 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 потенциал сдвиается в положительном направлении т занимает уровень между равновесными калиевым и натриевым потенциалами. Изменения мембранного потенциала передаются путём простого кабельного распространения тока на базальную часть внутреннего сегмента клеткии,где модулируют процесс высвобождения нейромедиатора из пресинаптического участка клетки.
Разберем механизм передачи возбуждения от фоторецепторного белка к ионым каналам. Согласно электрофизиологическим,биохимическим и биофизическим исследованиям фотоактивируемый белок и ионные каналы в фоторецепторах пространственно разнесены: внутриклеточным посредником выступают молекулы циклического гуанозин — 3`,5`-монофосфата. 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 ц ГМФ.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 фоторецепторной клетки, превышающей в дестки тысч раз первоначальную энергию фотостимула. Примерная, в определённой 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 18 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 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*10^12 молекул на 1см^2 мембраны. Родопсин лучше всего поглощает свет с длиной волны около 500нм. В дальнейшем были определены др. пигменты.
Все изученные фотопигменты состоят из 2 главных компонентов:белка опсина и простетической группы,которая в одних случаях представлена ретиналем,в др — 3-гидроретиналем. В темноте опсин и ретиналь тесно связаны друг с другом. Как предполагают,ретиналь точно «входит» как ключ в замок в определённый 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 цич-форме, превращается в люмиродопсин — неустойчивое соединение с ретиналем в транс-форме,с выпрямленной боковой цепью. Необходимо отметить., что цис-транс-изомеризация является единственным эффектом,вызываемым светом в зрительном пигменте.
Все последующие реакции происходят спонтанно с выделением энергии при физиологических температурах. Люмиродопсинн превращается в метародопсин. Измененная форма опсина,очевидно, вызывает активацию G-белка, запускающего ферментативный каскад реакций,в результате чего происходит гидролизцГМФ и закрытие натриевых каналов. Метародопсин спонтанно гидролизуетс до ретиналя и опсина. Транс-форма ретиналя переходит в ретинол,т.е. Вновь идёт процесс изомеризации — превращение в цис-форму. После этого цис-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 тёмное помещение,то окружающие предметы мало различимы. Однако по мере восстановления уровня родопсина чувствительность фоторецепторов к свету возрастает и глаза начинают различать окружающую обстановку. Этот процесс приспособления называют темновой адаптацией. В норме содержание ретиналя в фоторецепторах в результате фотохимических процессов восполняется из витамина А1, запасенного в клетках пигментного эпителия, в которые он поступает из крови Недостаток витамина А1 в пище приводит к замедлению образования ретиналя и соответственно родопсина. Это сопровождается заметным снижением чувствительности глаза к свету. Глаз теряет способность к световой адаптации,развивается так называемая «куриная слепота».