Зрительные фотопигменты

Описание

В. Кюне нашел, что в нормально функционирующем глазу животного цвет сетчатки после интенсивного освещения светом восстанавливается, если животное снова поместить в темноту. На основе этих наблюдений был сделан вывод о наличии в сетчатке глаза светочувствительного вещества (пигмента), концентрация которого уменьшается на свету и восстанавливается в темноте.

Зрительные пигменты —это сложные молекулы хромолипопротеидов, состоящие у позвоночных и беспозвоночных животных из двух основных частей: хромофора (красящей части молекулы, определяющей цвет рецептора при освещении) и белка (опсина). Хромофор определяет максимум и интенсивность поглощения света в пигменте и представляет собой альдегид спиртов — витаминов А1 и А2.

Названия этих альдегидов — ретиналь-1 и ретиналь-2. Наличие добавочной двойной связи в ретинале-2 приводит к сдвигу максимума спектра поглощения в длинноволновую область. Ретиналь присоединяется к опсину — белковой мутации, имеющейся только в фоторецепторах. Выделяют опсин палочек — скотопсин и колбочек — фотопсин. Скотопсин состоит из 230—270 аминокислотных остатков, последовательность которых пока не определена.

О фотопсине известно мало: имеются лишь данные о его спиральной конфигурации. Собственно светопоглощающая часть молекулы пигмента, ретиналь, является разновидностью каротиноидов— пигментов, наиболее распространенных в фотосинтезирующих. тканях растений и животных.

Спектральные характеристики пигментов определяются комбинациями одного из ретиналей с той или иной разновидностью опсинов, многообразие которых и определяет многообразие зрительных пигментов у разных животных. Так, соединение скотопсина с ретиналем-1 приводит к образованию пигмента палочек — родопсина с максимумом поглощения при ?=500 нм, а соединение его с ретиналем-2 образует другой палочковый пигмент — порфиропсин с максимумом поглощения при ? =525 нм. Комбинации ретиналя-1 с разного вида фотопсинами в сетчатке человека и обезьяны образуют колбочковые пигменты с максимумами поглощения при ? = 445 нм, ? = 535 нм и ? =570 нм, называемые соответственно цианолабом, хлоролабом и эритролабом.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Светопоглощающие свойства пигментов определяются именно взаимодействием хромофора иопсина: максимумы поглощения хромофора и опсина, взятых отдельно, локализуются в области ? =278 нм (ретиналь-1) и ? = 378 нм (скотопсин), тогда как их соединение — родопсин — имеет максимум поглощения при ? = 500 нм. Максимум поглощения— это один из параметров спектральной характеристики пигмента, определяющей в целом эффективность поглощения пигментом квантов света (фотонов) разных длин волн (рис. 3.1.4а).

Первые измерения спектров поглощения пигментов в отдельных колбочках сетчатки обезьяны и человека были проведены Брауном к Уолдом и Марксом с соавторами с применением специально для этих целей разработанного метода микроспектрофотометрии. Препарат сетчатки размещался под микроскопом, который позволял под визуальным контролем фокусировать пучок света той или иной длины волны на наружном сегменте фоторецептора, где содержится пигмент.

Затем для каждой длины волны отдельно проводились измерения количества света, прошедшего через колбочку и не поглощенного ею (разница между количеством света, поданного на колбочку, и количеством света, пропущенного ею, характеризовала эффективность поглощения пигментом фотонов данной длины волны). Измерения повторялись после выцветания пигмента в результате интенсивного освещения (референтные измерения). В результате вычитания второго ряда измерений из первого получали дифференциальный спектр поглощения пигмента в виде функции световой чувствительности от длины волны излучения.

Из рис. 3.1.4а видно, что пигменты обладают широкополосными, сильно перекрывающимися спектрами поглощения. Все фотопигменты имеют дополнительный, характерный для каротиноидов, максимум поглощения (так называемый щис-пик» или «?-пик»), равный 2/3 от основного максимума. Для пигментов, основные максимумы поглощения которых локализованы в коротко- и средневолновой частях спектра, цис-пик приходится на ультрафиолетовую область и на анализе излучений из видимого спектра не сказывается. Если, далее, при построении функций спектральной чувствительности пигментов шкалу длин волн (ось абсцисс) перевести в шкалу частот, то спектры поглощения всех пигментов, включающих разные опсины, но один и тот же ретиаль (например, ретиналь-1), будут иметь одну и ту же форму.

При таком представлении данных, впервые предложенном Дартналлом"(1953) для пигментов на базе ретиналя-1, спектры поглощения разных фотопигментов отличаются между собой только» положением максимума. А тогда, зная максимум поглощения пигмента, мы можем восстановить форму его спектра поглощения сначала в координатах «частота излучения — чувствительность», а затем, используя отношение с= ?f и в координатах «длина волны — чувствительность».
Такой метод восстановления спектра поглощения неизвестного пигмента по данным лишь о его максимуме получил название метода номограмм. Метод номограмм широко используется также в нейрофизиологии цветового зрения при решении вопроса о числе и типе фотоприемников, конвергирующих на тот или иной цветочувствительный нейрон: сравнивается функция спектральной чувствительности нейрона с той1 или иной номограммой (или их комбинацией).

Многообразие фотопигментов в животном мире коррелирует с разнообразием экологических условий обитания. У рыб и амфибий в сетчатке может содержаться одновременно родопсин и порфиропсин, соотношение которых меняется в течение жизни особи; у проходных рыб замена родопсина порфиропсином предшествует переходу из соленой воды в пресную и наоборот. Связь набора пигментов с экологией обитания не является жесткой: изменения в составе пигментов могут быть вызваны сезонными изменениями и циркадными ритмами.

Фотоизомеризация.
Реакция фотопигмента на свет определяется числом поглощенных квантов независимо от длины волны и энергии излучения: например, поглощенные родопсином. 10 квантов света при ? =430 нм вызывают в нем такие же структурные изменения (рис. 3.1.46), как и 10 поглощенных кванто» света при ? = 500 нм.

И спектральная избирательность (спектр поглощения) пигмента определяется лишь разной вероятностью поглощения квантов света из разных участков видимого спектра. Таким образом, зрительные пигменты и в конечном счете фоторецепторы работают как «счетчики квантов света», различающиеся между собой лишь вероятностью поглощения фотонов разных длин волн.

При поглощении одной молекулой родопсина 1 кванта света происходит изменение пространственной конфигурации одной молекулы ретиналя — фотоизомеризация, состоящая в трансформации 11-цмс-формы ретиналя в полностью трансформу (рис. 3.1.4б).

Фотоизомеризация сопровождается циклом фотохимических реакций, за расшифровку которых Г. Уолду в 1930 г. была присуждена Нобелевская премия. Конечные продукты фотоизомеризации— полностью траксретиналь и опсин. Все промежуточные реакции до стадии метародопсин-П обратимы: продукты этих реакций могут быть снова превращены в родопсин через обратную гранс-ретинальизомеризацию.

Это означает, что до метародопсина-II в молекуле пигмента не происходит значительных конформационных изменений. На стадии метародопсина-II происходит отрыв ретиналя от белковой части молекулы. Из всех стадий изомеризации только первая — превращение родопсина в прелюмиродопсин (батородопсин)—нуждается в свете. Все остальные реакции протекают в темноте. Аналогичным образом проходит фотоизомеризация и в колбочковых пигментах.

Таким образом, фотоизомеризация — это молекулярный триггерный (пусковой) механизм фоторецепции, состоящий в изменении пространственной конфигурации молекулы зрительного пигмента. Последнее делает понятным, почему природа выбрала в качестве зрительного пигмента каротиноиды: наличие двойных связей в ретинале определяет возможности его изомеризации и; его высокую реактивность. Вокруг каждой двойной связи может происходить вращение частей молекулы, ее изгибание в пространстве. Такая форма наименее стабильна и наиболее чувствительна к температуре и свету. В природе обнаружены различные виды ретиналя — 7, 9, 11, 13-цис-формы, 9,13-дицис-форма, но в зрительных пигментах ретиналь всегда находится в 11-цис-форме.

Ресинтез пигмента в фоторецепторах происходит непрерывно на свету и в темноте с участием фермента ретиненизомеразы и состоит в обратной изомеризации ретинола из трансформы в 11-цис-форму. В колбочках этот фермент находится в самих рецепторах, в палочках—в пигментном эпителии, куда после отрыва от опсина переходит транс-ретинол и где осуществляется его изомеризация в 11-цис-форму. При этом ретиналь витамина А используется повторно, а белок синтезируется в рибосомах внутреннего сегмента.

Предполагают, что рекомбинация 11-цис-ретиналя с опсином происходит спонтанно. В пигментном эпителии локализуется около 11% витамина А (ретинола) из 13%, приходящихся на весь глаз. Витамин А образуется в печени за счет разрыва цепи каротиноида, содержащегося в пище, на две части и присоединения воды.

Специальным ретинолсвязующим белком витамин А транспортируется в пигментный эпителий, где окисляется до ретиналя. При дефиците витамина А наступает так называемая «куриная слепота» — понижение абсолютной световой чувствительности, особенно сильно сказывающееся на видении в сумерках, переходящее в постоянную слепоту из-за разрушения белка, нестабильного в свободном состоянии. Поэтому при заболевании «куриной слепотой» рекомендуют есть морковь, содержащую провитамин А — бета-каротин.

Каждый фоторецептор содержит только один фотопигмент, характеризующийся тем или иным спектром поглощения. В этой связи выделяют коротко-, средне- и длинноволновые колбочки, содержащие у приматов пигменты с максимумами поглощения соответственно при 445 нм, 535 нм и 570 нм. У пресноводных рыб длинноволновая колбочка содержит пигмент с максимумом поглощения при 620 нм, что коррелирует с формой спектрального распределения света в их среде обитания.

Иногда по традиции, оставшейся со времен трехкомпонентной гипотезы Юнга—Гельм- гольца, эти колбочки называют сине-, зелено- и красно-чувствительными рецепторами. Но со второй половины XX в., когда было выяснено, что никакой фоторецептор сам по себе спектрального анализа не осуществляет, а только реагирует на число поглощаемых фотонов независимо от длины волны излучения, эти цветовые названия рецепторов используют только в метафорическом смысле.

Классификация палочек, например, у лягушки, на «зеленые» и «красные» в ряде случаев основана не на спектральной чувствительности содержащегося в них пигмента, а на окраске тел рецепторов в проходящем свете. Так, «зеленые» палочки содержат пигмент с максимумом поглощения при 432 нм, поэтому при освещении белым светом они поглощают коротковолновые излучения, пропуская все остальные длины волн, и при визуальном контроле выглядят зеленоватыми.

В сетчатке рыб отмечена связь между длиной колбочки и спектральным типом содержащегося в ней пигмента: самые короткие из них содержат коротковолновый пигмент, а самые длинные—длинноволновой. Эберли предположила, что это может быть одним из механизмов борьбы с хроматической аберрацией. Вследствие хроматической аберрации резкое изображение средневолновых излучений расположено глубже (дальше от хрусталика) резкого изображения коротковолнового излучения, а фокус для длинноволновых излучений локализован еще дальше.

Достаточно расположить коротко-, средне- и длинноволновые рецепторы на соответствующих уровнях, чтобы все части спектрального излучения фокусировались на рецепторах одинаково резко. Этим, возможно, и объясняется то, что в сетчатке рыб одиночные колбочки с короткими члениками содержат коротковолновый пигмент, а у двойной колбочки наиболее длинный членик содержит длинноволновый пигмент, а более короткий — коротко- или средневолновый пигмент. Двойные колбочки с равными по .длине члениками содержат один и тот же пигмент.