Молекулярные механизмы зрительной рецепции | Каламкаров Г.Р., Островский М.А.

26-10-2010, 05:09

+ -

-1

Автор: Каламкаров Г.Р., Островский М.А.

Год: 2002

Издательство: Наука

Формат: DjVu

Качество: Сканированные страницы

Количество страниц: 283

Содержание статьи:

Описание

Изложены современные представления о преобразовании света в сенсорный сигнал в зрительной клетке сетчатки позвоночных.

Описаны механизмы трансдукции сенсорного сигнала, структура и функции зрительного пигмента родопсина, периферических белков зрительной клетки, участвующих в формировании фотоответа, ионных каналов, активируемых циклическими нуклеотидами.

Детально обсуждаются молекулярные механизмы взаимодействия белков — участников процесса фототрансдукции. Значительное внимание уделено собственным результатам авторов.

Для биологов - студентов, аспирантов, преподавателей и научных работников, интересующихся проблемами молекулярной сенсорной физиологии.

Содержание:

↑ Предисловие

В этой книге представлены результаты наших многолетних исследований молекулярных механизмов фоторецепции, проводившихся сначала в Институте химической физики им. Н.Н. Семенова, а затем в Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН. При этом предпринята попытка изложить современное состояние этой области знаний.

Междисциплинарный подход к исследованию механизмов зрения традиционен и естествен; он нашел отражение и в наших работах.

Помимо физиологов и биологов различных специальностей, природой зрения горячо интересовались представители других естественных наук, прежде всего физики. Они внесли решающий вклад в понимание оптики глаза (Иоган Кеплер), механизмов цветового зрения (Томас Юнг, Джеймс Максвелл, Герман Гельмгольц), в определение абсолютной световой чувствительности зрительной системы (Самуэль Р. Лэнгли, Ю.Б. Харитон, СИ. Вавилов). Именно из определения минимального числа квантов, падающих на сетчатку и способных вызвать субъективное ощущение световой вспышки, следовал фундаментальный вывод о том, что зрительная клетка сетчатки (палочка) способна детектировать один поглощенный квант.

Предметом интенсивных исследований последних двух десятилетий стало выяснение молекулярного механизма, обеспечивающего возникновение фоторецепторного сигнала в ответ на поглощение одиночного кванта видимого света. Проблемы зрения продолжают волновать физиков.

Многие из них, обладающие соответствующими методическими возможностями, исследуют, в частности, фотохимические процессы в молекуле родопсина: сверхбыструю (менее 200 фемтосекунд) фотоизомеризацию хромофора и конформационные перестройки белковой части (опсина).

К основным физиологическим c на рецепторном уровне относятся фототрансдукция - преобразовать поглощенной энергии кванта в фоторецепторный сигнал, адаптация, спектральная чувствительность фоторецепторов как основа цветового зрения. Поскольку свет в зрении выступает не только как носитель информации, но и как потенциально опасный повреждающий фактор, предметом интенсивных исследований в последнее время стали механизмы фотоповреждения структур глаза и многоуровневая система защиты от такого повреждения. Работы в этом направлении представляют также большую важность для офтальмологии и гигиены зрения.

Наряду с изучением функций, большое внимание всегда уделялось структуре зрительной системы на всех ее уровнях.

Новейшие методы своего времени - световой и электронной микроскопии, рентгено-структурного анализа, ряд других мощных современных физических методов, как правило, в первую очередь использовались для исследования клеточной и синаптической организации сетчатки, цитологического изучения фоторецепторов и других клеток сетчатки, клеток пигментного эпителия, для исследования светочувствительных родопсинсодержащих мембран, самой молекулы зрительного пигмента.

Сетчатка, как известно, была излюбленным объектом световой микроскопии. Достаточно назвать имя великого испанского гистолога Рамон-и-Кахаля.

Характерно, что одним из первых объектов электронной микроскопии в начале 50-х годов прошлого века стали зрительные клетки сетчатки. Зрительный пигмент палочек родопсин явился первым мембранным белком животного происхождения, первичная и вторичная структуры которого были установлены (начало 80-х годов).

Совсем недавно (в 2000 г.) был сделан следующий важнейший шаг: удалось получить кристаллы бычьего родопсина, провести рентгено-структурный анализ и получить его трехмерную структуру с разрешением 2,8 А (см. ниже). Родопсин, таким образом, стал первым представителем огромного семейства эволюционно родственных мембранных белков (в настоящее время их известно более тысячи), нолипептидная цепь которых семь раз пронизывает мембрану и которые взаимодействуют с ГТФ-связывающими белками (G-белками).

Этот структурный мотив - семь альфа-спиральных трансмембранных тяжей - присущ и обонятельным рецепторным белкам, и многим синаптическим рецепторным белкам, взаимодействующим с нейромедиаторами, например, адренорецептору. Около 5% генома ответственно за кодирование этого семейства сигнальных. G-белок-связывающих, рецепторных белков. Родопсин представляет собой, пожалуй, наилучший модельный белок для изучения структуры и функции этого огромного класса жизненно важных сигнальных белков.

Наконец, в ходе исследования фототрансдукции был открыт молекулярный механизм усиления первичного рецепторного (светового в случае зрения) сигнала, а именно ферментативный каскад усиления, а также был найден новый класс ионных капалов плазматических мембран, регулируемых непосредственно циклическими нуклеотидами.

Можно было бы назвать еще ряд открытий, сделанных при исследовании структуры и функции зрительной системы вообще, и молекулярных механизмов зрительной рецепции в частности, которые оказали влияние па понимание структуры и функции сенсорных систем других модальностей и нервной системы в целом.

Поэтому традиционно исследования механизмов зрения на всех уровнях организации зрительной системы часто приобретают общебиологическую значимость.

Книга рассчитана как на неподготовленного читателя - биолога или медика, не работающего в области фоторецепции, так и на специалистов в этой области биологии и медицины.

Поэтому книга, по существу, содержит три уровня рассмотрения.

Во-первых, - популярный, рассчитанный на студентов, аспирантов и молодых научных сотрудников биологического и медицинского профилей, а также любого читателя, имеющего общую медико-биологическую подготовку.

Во-вторых, - более глубокий уровень рассмотрения, рассчитанный на специалистов широкого профиля в области молекулярной физиологии, биохимии и биофизики.

И, наконец, в-третьих, - на узкий круг специалистов, непосредственно работающих в области фоторецепции.

Авторы приносят глубокую благодарность сотрудникам лаборатории физико-химических основ рецепции Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН - соавторам работ, а также сотрудникам других институтов и лабораторий - нашим соавторам, упомянутым в ссылках. Особая благодарность - к.б.н. Т.Ф. Шевченко, без помощи которой подготовка рукописи книги к печати была бы невозможной.

Г. Р. Каламкаров,
М.Л. Островский

↑ Об авторах

Каламкаров Григорий Рафаэлевич

Доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института биохимической физики им Н.М. Эмануэля РАН.

Основное направление научной деятельности - механизмы сенсорной трансдукции. Им исследованы молекулярные механизмы взаимодействия родопсина с периферическими белками в зрительной клетке, обнаружены ионные каналы, регулируемые циклическими нуклеотидами в слуховых клетках. Обнаружен и исследован механизм регуляции рН в зрительных клетках позвоночных.

Совместно с МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца разработан и внедрен в широкую клиническую практику новый иммунологический метод ранней диагностики заболеваний сетчатки глаза.

Островский Михаил Аркадьевич

Действительный член Российской академии наук заведующий лабораторией Института биохимической физики им. Н.М Эмануэля РАН, профессор МГУ.

Основное направление научной деятельности - сенсорная физиология - физиология и патология зрения . При исследовании молекулярных механизмов фоторецепции им была обнаружена связь между обесцвечиванием родопсина и ферментативными реакциями; показано изменение конформации родопсина на ключевой стадии его фотолиза, получены важные сведения о ферментативных, ионных и электрических процессах в зрительной клетке.

М. А. Островским развито представление об уязвимости структур глаза к фотоповреждению и о взаимосвязанной эволюции фоторецепторной и фотопротекторной систем глаза.

Совместно с МНТК "Микрохирургия глаза" создано и внедрено в офтальмологическую практику новое поколение окрашенных искусственных хрусталиков, обеспечивающих надежную защиту сетчатки от опасности повреждения.