Фотобиологический парадокс зрения восприятия света и фактора риска

Рис.1. Глаз с центральной ямкой сетчатки и её периферийной областью, где расположены палочки и колбочки.

Зрачок человеческого глаза

Свет как носитель зрительной информации параллельно становится источником риска для органов зрительной системы, что является фотобиологическим парадоксом зрения. Принцип восприятия света и передачи зрительной информации одновременно обуславливает фактор риска повреждения зрительного анализатора при световой перегрузке, так как:

«Сочетание света и кислорода — необходимое условие для осуществления нормального фоторецепторного процесса, но в то же самое время это классические условия, необходимые и достаточные для возникновения и развития в структурах глаза деструктивных фотохимических реакций по механизму свободно-радикального окисления.» .

• Термин введен академиком РАН М. А. Островским.[1]

Введение

Необходимым условием функционирования нормального фоторецепторного процесса — сочетание света и кислорода. Одновременно это классические условия, необходимые и достаточные для возникновения и развития в структурах глаза деструктивных фотохимических реакций по механизму свободно-радикального окисления. Фотохимическая слабость, близость к фотоповреждению фоторецепторных клеток сетчатки и клеток пигментного эпителия связана с присутствием в них эффективно поглощающих свет фотосенсибилизаторов, с достаточно высоким парциальным давлением кислорода и, наконец, присутствием легко окисляющихся субстратов, в первую очередь полиненасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов. Только поэтому в ходе эволюции органов зрения позвоночных и беспозвоночных сформировалась достаточно надежная система защиты от опасности фотоповреждения (Островский, Федорович, 1987).

Эта система включает постоянное обновление светочувствительных наружных сегментов зрительных клеток, набор антиоксидантов и оптические среды глаза как светофильтры, где ключевую роль играет хрусталик глаза, зрачок, веко глаза, ганглиозные клетки ipRGC и другие клетки сетчатки глаза, которые блокируют проникновение лучей УФ и синих менее 496 нм. Для обеспечения дневного зрения в условиях слишком интенсивного и/или неблагоприятного по спектральному составу света для фоторецепторов, особенно колбочек, такая комплексная система защиты жизненно необходима.

Таким образом, необходимо выделить две функциональные системы глаза:

• собственно фоторецепторные,
• защиты от опасности фотоповреждения.

Рассматривая проблему фотобиологического парадокса зрения, следует подчеркнуть, что в обоих механизмах — фоторецепции и в механизме повреждающего действия света — ключевой молекулой является ретиналь (Ретиналь, ретинен, альдегидная форма витамина А, или ретинола. В природе найдено 6 изомеров ретиналя; наибольшее биологическое значение имеют 11-цис- и полностью транс-изомеры, которые входят в состав зрительных пигментов сетчатки глаза в качестве хромофорных групп. Подробнее см. Родопсин). [2]

Ретиналь, а именно его 11-цис-изомер, является хромофорной группой всех зрительных пигментов. В то же время, высвобождаясь в виде полностью-транс изомера на последней стадии фотолиза молекулы зрительного пигмента, ретиналь и продукты его превращения представляют собой потенциально опасные фототоксические соединения – фотосенсибилизаторы, способные инициировать образование в клетке токсических форм кислорода. Откуда все вопросы цветного зрения (работа колбочек) сумеречного и ночного зрения (бело-чёрного) (работой палочек) связаны с ключевой молекулой ретиналь.

Замечание

Фоторецепторные клетки Колбочки, Палочки и ганглиозные клетки ipRGC (Свет снизу)

Рис. Ф. RPE — РПЕ, Ретинальный пигментный эпителий сетчатки глаза OS — Наружный сегмент экстерорецепторов IS — Внутренний сегмент фоторецепторов ONL — Внешний зернистый слой — Внешний ядерный слой OPL — Внешний сплетениевидный слой сетчатки глаза INL — Внутренний ядерный слой IPL — Внутренний сплетениевидный слой сетчатки глаза GC — Ганглионарный слой BM — мембрана Бруха P — Пигментные эпителиоциты C — Колбочки сетчатки глаза R — Палочки сетчатки глаза Стрелка и пунткирна линия — внешняя пограничная мембрана H — Горизонтальные клетки сетчатки глаза Bi — Биполярные клетки сетчатки глаза M — Клетки Мюллера A — Амакриновые клетки (версия Миг) G — Ганглиозные клетки ipRGC Ax — Аксоны

При рассмотрении вопросов визуального зрения, вопросов восприятия и воздействия видимых лучей света на зрительную систему, следует различать и отличать понятия яркость света — физическая величина от яркости цвета — биологическая величина.

Яркость цвета связана с цветным зрением, нашим личным, биологическим восприятием световых видимых более слабых лучей (электромагнитных колебаний) (см. дневное зрение). Так с колбочками S,M,L, (синих, зелёных, красных) с пиком длиной волны более 496 нм, которые нашим глазом воспринимаются как очень яркие (вопросы приспосабливаемости и выживания живых организмомв), хотя они физически по энергетике более слабые. У них частота колебаний волн более низкая, чем у синих, УФ лучей (длина волн менее 496нм). Дневной образ жизни животных связан с окружающей средой обитания, где в основном все объекты освещены дневными лучами света, а прямой и отражённый видимый спектр света содержит основные видимые лучи S,M,L,, которые более слабые, но биологически отбираются как наиболее яркие. Понятно, почему мы не видим Уф лучи, рентгеновские лучи и т.д. Природа выбрала свой вариант восприятия среды обитания и защиты глаза от ненужных ей сильных УФ, фиолетовых, высокочастотных синих лучей с длинами волн менее 498 нм. Например, синие, УФ лучи с длинами волн менее 496 нм для глаза являются не яркими, и колбочками не воспринимаются, т.к. они блокируются от попадания на колбочки ганглиозными и биполярными клетками сетчатки глаза, хотя они более мощные! (Парадокс). (См. рис. Ф).

Для восприятия лучей света при слабом освещении в условиях сумеречного и ночного зрения — "монохромных лучей" с длинами волн менее 498нм, в условиях "ночного видения" служат экстерорецепторы, называемые палочками, которые имеют пик чувствительности вокруг 496 нм и менее с фотопигментом высокой чувствительности при слабом освещении родопсином к лучам синим и УФ с высокой частотой колебаний (менее 496нм). (Колбочки их не воспринимают).

Откуда биологические понятия яркости и контрастности цвета при зрении отличаются от физическbх понятий яркости и контрастности света.

Структура и фотопревращения родопсина

Cтруктура и фотопревращения родопсина — светочувствительной молекулы, запускающей фоторецепторный процесс (фототрансдукцию), фотохимические механизмы повреждающего действия света на фоторецепторные клетки сетчатки и клетки пигментного эпителия прямым образом связана с работой физиологической системы защиты сетчатки и пигментного эпителия.

Выяснение молекулярных механизмов зрительной рецепции и механизмов защиты от опасности фотоповреждения представляет не только естественно-научный интерес, но даёт перспективу на успех в понимании патогенеза (Патогенез (греч. παθος — страдания, болезнь и γενεσις — происхождение, возникновение) — механизма зарождения и развития болезней и отдельных её проявлений. Это рассматривается на различных уровнях — от молекулярных нарушений до организма в целом.), в профилактике и лечении ряда тяжелых глазных заболеваний.

Механизм фототрансдукции

Рис.1. Схема процесса фототрансдукции палочки сетчатки глаза.

На схеме:

• А) Показаны один фоторецепторный диск в наружном сегменте палочки

и в нем основные белки – участники процесса трансдукции: Р – молекула родопсина, Т – молекула трансдуцина или ГТФ-связывающего белка, ФДЭ – молекула фермента фосфодиэстеразы. В цитоплазме наружного сегмента показан фермент гуанилатциклаза – ГЦ. В плазматической (клеточной) мембране палочки показан ионный канал в темновом состоянии. Через отрытый ионный канал внутрь клетки по градиенту концентрации поступают ионы натрия и кальция. Вследствие этого на плазматической мембране поддерживается темновой электрический потенциал, порядка 40 милливольт. При поглощении кванта света молекула родопсина изменяется, приобретает способность взаимодействовать с трансдуцином и активировать его. В свою очередь, активированный трансдуцин активирует фермент фосфодиэстеразу, которая начинает с высокой скоростью разрушать(гидролизовать) циклический гуано-зинмонофосфат – цГМФ. В результате концентрация цГМФ в цитоплазме падает. Как следствие, связанные в темноте с ионным каналом молекулы цГМФ от него «отваливаются», и свободный от них ионный канал переходит в закрытое состояние (блокируются). Поэтому ионы натрия и кальция перестают поступать в цитоплазму, и электрический потенциал на плазматической мембране наружного сегмента повышается, то есть мембрана гиперполяризуется (потенциал на ней становится равным примерно 70 милливольтам). Этот гиперполяризационный потенциал и является тем электрическим сигналом фоторецепторной клетки, который передается через синапс следующим нервным клеткам сетчатки. В восстановлении исходного темнового состояния зрительной клетки ключевым событием является активация фермента гуанилатциклазы (ГЦ), который вновь синтезирует цГМФ из ГТФ, восстанавливая его концентарцию в цитоплазме наружного сегмента.

• Б) Цепочка родопсин — трансдуцин – фосфодиэстераза представляет собой усилительный каскад ферментативных реакций, обеспечивающих усиление (размножение) первичного светового сигнала в 105 – 106 раз.

Одна обесцвеченная молекула родопсина активирует около 500 молекул трансдуцина, трансдуцин активирует фосфодиэстеразу в отношении 1:1, и активированная фосфодиэстераза гидролизует до 1000 молекул цГМФ.

Меанизм фототрансдукции обеспечивает преобразование и усиление почти в миллион раз первичного светового сигнала в фоторецепторной клетке. Упрощенная схема процесса фототрансдукции представляется следующим образом (рис. 1). Квант света поглощается хромофорной группой молекулы родопсина «Р» – 11-цисретиналем и изомеризует её в полностью трансформу. Эта реакция происходит менее чем за 200 фемтосекунд. Это первая и единственная фотохимическая реакция в зрении. Цис-транспереход ретиналя вызывает, в свою очередь, конформационную перестройку белковой части молекулы (опсина): сначала ближайшего к хромофору окружения, а затем и всей белковой части. Вследствие этого родопсин приобретает способность к взаимодействию со следующим белком в цепи процессов фототрансдукции – G-белком (в зрительной клетке он называется трансдуцином (Т). Активированный трансдуцин, в свою очередь, активирует следующий белок – фермент фосфодиэстеразу (ФДЭ). Этот фермент с высокой скоростью гидролизует низкомолекулярный внутриклеточный передатчик — циклический гуано-зинмонофосфат (цГМФ).

Падение в цитоплазме наружного сегмента фоторецепторной клетки концентрации свободного цГМФ приводит к гиперполяризации клеточной мембраны. Этот электрический потенциал и представляет собой фоторецепторный сигнал, который передается в первом синапсе сетчатки следующим нервным клеткам – биполярным и горизонтальным.

Таким образом, цепочка процессов родопсин – трансдуцин – фосфодиэстераза представляет собой каскад ферментативных реакций, обеспечивающих усиление (размножение) светового сигнала в 105–106 раз. Активация родопсина в ходе его фотолиза является первым этапом каскада фототрансдукции. Активированным фотопродуктом родопсина является метародопсин II, который и активирует G-белок зрительной клетки, т.н. трансдуцин.

Родопсин

Рис.2. Схематическое изображение палочки, фоторецепторного диска наружного сегмента, фоторецепторной мембраны диска и молекулы родопсина, в центре молекулы родопсина находится ее хромофорная группа — 11-цис-ретиналь, ковалентно связанный с белковой частью (опсином.

Рис. 1t. Трансмембранная передача сигнала — свойство мембран — способность воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из внешней среды. Рецепторы:
E=extracellular — Внеклеточное место — наружный сегмент мембраны колбочки, заполненный мембранными полудисками, образованными плазматической мембраной (в цитоплазме наружного сегмента находится фермент гуанилатциклаза – ГЦ), и отделившимися от неё (обращённая к свету, наружная часть столбика из полудисков - постоянно обновляется, за счет фагоцитоза "засвеченных" полудисков клетками пигментного эпителия, и постоянного образования новых полудисков, в теле фоторецептора);
P=plasma (обработка и передача сигнала) — внутренняя поверхность рецептора; (внутридисковая поверхность диска);
I=intracellular — Внутриклеточное место — клеточная мембрана, мембрана.

Родопсин — типичный представитель класса зрительных пигментов. В сетчатке позвоночных он локализован в рецепторах ночного и сумеречного зрения — палочках (рис. 2). Эта сложная молекула представляет собой хромогликопротеид, содержащий одну хромофорную группу, две олигосахаридные цепочки и водонерастворимый мембранный белок опсин. Родопсин стал первым мембранным белком животного происхождения, полная аминокислотная последовательность которого была расшифрована в начале 80-х годов Овчинниковым и сотрудниками Харгрэйвом и сотрудниками (Овчинников и др., 1982, Hargrave et al., 1982).

Фототопревращение или фотолиз родопсина включает собственно фотохимическую реакцию и последующие темновые, зависящие от температуры превращения. Схема фотолиза молекулы родопсина показана на рис. 4. Единственной фотохимической реакцией зрения является цис-транс изомеризация хромофорной группы – 11-цис-ретиналя. Эта реакция происходит с уникально высокой скоростью — менее чем за 200 фемтосекунд. За это время образуется первый фотопродукт — фотородопсин, в котором 11-цис ретиналь уже перешел в полностью-трансформу, но продолжает быть ковалентно связанным с белком. До сих пор остаётся неясным, почему скорость фотоизомеризации ретиналя как хромофора увеличивается почти на два порядка по сравнению со скоростью его фотоизомеризации в растворе. Роль белкового окружения в этих процессах не вызывает сомнения, однако внутримолекулярные механизмы, объясняющие этот феномен, остаются до конца не изученными.

Оптический спектр поглощения родопсина

Рис. 3. Оптический спектр поглощения родопсина.

Рис. 4. Схема фотопревращения (фотолиза) родопсина.

Сравнительно недавно удалось кристаллизовать родопсин и методом рентгеноструктурного анализа сначала с разрешением в 2,8Å, а позже разрешением в 2,2Å получить его трехмерную структуру [Palczewski et al., 2000; Liang et al., 2003; Okada et al., 2004). Благодаря этим данным в литературе подробно описан хромофорный центр родопсина: конформационное состояние 11-цис-ретиналя и его взаимодействие с окружающими аминокислотными остатками.

Хромофорной группой всех без исключения зрительных пигментов человека и животных является альдегид витамина А1 или витамина А2 или, соответственно, ретиналь1 или ретиналь2, причем только одна из его изомерных форм, а именно его 11-цис-форма (cм. рис. 2). Родопсин – сравнительно небольшой белок: молекулярная масса составляет около 40 кДа, а полипептидная цепь состоит из 348 аминокислотных остатков. В молекуле родопсина можно выделить внутримембранный, внутридисковый и цито-плазматический домены. Внутримембранный домен состоит из хромо-форного центра и семи трансмембранных α - спиралей, представляющих собой остов опсина. Хромофорная группа – 11-цис ретиналь ковалентно связан с ε-аминогруппой лизина (Lys-296) спирали ТМ7 через протонированное Шиффово основание. Протонирование Шиффова основания увеличивает делокализацию электрона вдоль полиеновой цепи ретиналя.

Спектр поглощения родопсина состоит из трех основных полос:

• α -(500 нм),
• β - (350 нм),
• γ - (280 нм) (рис. 3).

Две первые связаны с поглощением хромофорной группы, а γ-полоса обусловлена в основном поглощением ароматических аминокислот белка – триптофана, тирозина и фенилаланина. Именно α - полоса в спектре поглощения родопсина определяет кривую видности палочкового сумеречного (скотопического) зрения с максимумом в сине-зеленой области спектра (500 нм). Сумеречное зрение, зрение в условиях низкого освещения, при котором зрительные ощущения обеспечиваются палочками сетчатки. Скотопическое зрение имеет следующие общие характеристики (а) не различаются оттенки, это зрение в черно-белых тонах; (б) порог яркости, по сравнению с фотопическим зрением, низкий; (в) кривая освещенности показывает максимальную чувствительность к волнам длиной приблизительно 510 нм с быстро уменьшающейся чувствительностью к более длинным и более коротким волнам; (г) так как палочки содержатся только за пределами жёлтого пятна (см. рис.1) — фовеы (fovea) (см. Центральная ямка сетчатки глаза (версия Миг)), резкость зрения маленькая.

Фоточувствительность родопсина необычайно высока: квантовый выход фотореакции составляет 0,67.

Таким образом, цветное зрение — работа только колбочек сетчатки глаза! (См. также Ретиномоторная реакция фоторецепторов сетчатки глаза).

Зрительный цикл и опасность фотоповреждения

Рис. 5. Фотобиологический парадокс зрения.

Фотородопсин за 40–45 пикосекунд переходит в следующий продукт – батородопсин. На этой стадии происходят лишь небольшие структурные изменения в ближайшем белковом окружении ретиналя. Образование батородопсина сопровождается стабилизацией значительной части энергии поглощенного кванта света, которая затем тратится на последующие конформационные (структурные) перестройки всей белковой

части молекулы родопсина. Батородопсин затем в течение нескольких десятков наносекунд переходит в следующий продукт – люмиродопсин. На этой и последующих стадиях в белке происходят уже существенные конформационные изменения. Люмиродопсин превращается далее в метародопсин I и тот, наконец, в метародопсин II. Максимум спектра поглощения метародопсина II находится при 380 нм, то есть в УФ-области спектра, хотя его довольно широкий спектр поглощения захватывает и синюю область видимого спектра. Метародопсин II и представляет собой тот промежуточный, долгоживущий продукт фотопревращения родопсина, который приобретает способность к взаимодействию с G-белком (трансдуцином).

Процесс фотопревращения (фотолиза) родопсина завершается разрывом ковалентной химической связи теперь уже полностью-транс ретиналя с белком. Таким образом, ретиналь высвобождается из белка и оказывается в фосфолипидном окружении фоторецепторной мембраны. Ретиналь должен быть как можно скорее удален из мембраны, так как в противном случае он может стать источником опасности сначала для зрительной клетки, а затем и для клеток пигментного эпителия.

Зрительный цикл обеспечивает эффективное удаление полностью трансретиналя из фоторецепторной мембраны с тем, чтобы затем снова вернуть его в эту мембрану, но уже в 11-цисизомерной форме (рис. 5 ). Только этот изомер обладает способностью «войти», как ключ в замок, в хромофорный центр («хромофорный карман») белковой части молекулы (опсина) и вновь образовать ковалентную химическую связь с 296-м лизиновым аминокислотным остатком в его седьмой α-спирали.

Специфика работы палочек и колбочек в зрительном процессе

Зрение — один из специфических видов ощущения, выражающийся в способности живых существ воспринимать световое излучение, испускаемое источниками света, или отражённое материальными объектами. Различают цветное зрение в условиях нормального освещения и сумеречное, ночное зрение в условиях слабой освещённости (чёрно-белое). Соответственно при цветном зрении работают колбочки сетчатки глаза и в условиях не цветного зрения при слабом освещении работают палочки сетчатки глаза.

В любом случае при зрительном процессе экстерорецепторами колбочками и палочками воспринимаются лучи предметных точек, которые воздействуют на фотопигменты колбочек кон- опсины и фотопигмент палочек родопсин как разновидность опсина.

Зрительные пигменты находятся в бислойных биомембранах, во внешней доле фоторецептора мембраны колбочек и во всём цилиндре мембраны палочек.

Фотопигменты претерпевают химические превращения при освещении и, выделяют биосигналы, которые в процессе преобразований по зрительным нервам попадают в мозг, инициируя процесс зрения (цветного или чёрно-белого).

Зрительные пигменты и передача зрительного сигнала (визуальная трансдукция) — это комплекс понятий для описания фототрансформации пигментов и их регенерации, процессов передачи сигнала, происходящих в глазу позвоночных животных. Эти биохимические процессы проходят при воздействии света с различной длиной волны. Единственной фотохимической реакцией зрения, например, с участием родопсина, является цис-транс изомеризация хромофорной группы – 11-цис-ретиналя. Эта реакция происходит с уникально высокой скоростью — менее чем за 200 фемтосекунд. На примере работы палочек с фотопигментом родопсином процесс создания сигнала, его трансдукция как и колбочек сязаны с цис-транс изомеризацией хромофорной группы – 11-цис-ретиналя с участием белка. Однако,колбочки, функционируя в режиме цветного зрения, подвержены опасности риска не только от восприятия света и передачи зрительной информации в результате световой перегрузки, что обуславливает фактор риска повреждения зрительного анализатора (так как сочетание света и кислорода – необходимое условие функционирования нормального фоторецепторного процесса), но также колбочки подвержены риску от воздействия лучей с длиной волны менее 500 нм. (Область УФ и синих менее 496 нм.). В силу защиты колбочек от повреждений система дневного зрения при помощи зрачка, хрусталика глаза, век глаза, ганглиозных клеток ipRGC и других клеток сетчатки глаза блокируют проникновение лучей УФ и синих менее 496 нм. (Например, от резких вспышках молнии, электродуговой сварки и прямого попадания солнечных лучей в глаз, он вообще, со скоростью 1/2000 сек закрывается веками глаза).

Специфика работы колбочек

Колбочки — специализированные нервные клетки, воспринимающие и преобразующие световые лучи, являющиеся наиболее чувствительными к свету и расположены в основном на центральном участке сетчатки (жёлтое пятно — fovea) и отвечающее за ясное центральное цветовое зрение (см. рис. 1). Клетки, трансдукцирующие нервное возбуждение в виде биоэлектрических цветовых сигналов, идущих в мозг.

Колбочки более чувствительны к более лёгким, слабым световым лучам, чем клетки палочек (работающих в условиях малой освещённости) в сетчатке, благодаря чему колбочки поддерживают видение в условиях легких световых лучей S,M,L), что даёт возможность восприятию цвета. Они также в этой связи в состоянии чувствовать более прекрасные детали и более быстрые изменения в изображениях (например, при движениях объекта), потому что их времена ответа к стимулам быстрее, чем таковые у палочек.

Реакция на световое воздействие происходит в органоиде OS (рис. Ф, 1), названном внешней долей с перепончатой структурой в виде дисков (мембране), где находятся вложенные легкие абсорбирующие белки фотопигментов опсины (версия Миг) (opsins). (См. рис. 1t).

Специфика работы палочек

Клетка палочки достаточно чувствительна, чтобы ответить на единственный фотон света, и приблизительно в 100 раз более чувствительна к единственному фотону, чем колбочки. Палочки менее легко функционируют, чем колбочки. Они поэтому первичный источник визуальной информации ночью (scotopic видение). Клетки колбочек, с другой стороны, требуют, чтобы от 10 до 100 фотонов на них воздействовали, что бы они стали активизированными. Дополнительно, множество клеток палочек сходились на единственном «межнейроне» (также назван нейрон реле, нейрон ассоциации, нейрон соединителя или местный нейрон кругооборота — многополюсный нейрон, который соединяет центростремительные нейроны и выносящие нейроны в нервных тропах), en:http:Interneuron, собираясь и усиливая сигналы. Однако, эта функция по значимости относится к визуальной остроте зрения (или в решении создания оптического изображения), потому что объединённая информация от множественных клеток менее отлична, чем это было бы, если бы визуальная система получила информацию от каждой клетки палочки индивидуально. Конвергенция клеток палочек также имеет тенденцию участвовать в периферийном зрении очень чувствительным к движению, и ответственна за явление человека, видящего кое-что неопределенное происшествие при зрении под углом его или от его в глазу.

У палочек более живой отклик на короткие длины волны по сравнению от отклика трёх типов колбочек. Расплющенная серая кривая — для палочек. Клетки палочки также более медленно отвечают на свет, чем конусы, таким образом, стимулы, которые они получают, увеличены свыше приблизительно до 100 миллисекунд. Благодаря этому палочки более чувствительными к меньшим количествам света, что это также означает, что у них менее точна способность ощущать временные изменения типа быстрой смены изображений, чем те, которые у колбочек.

Эксперименты, проведенные на срезе живой сетчатки рыб (2011 г.) (см. Ретиномоторная реакция фоторецепторов подтвердили, что палочки работают только в условиях сумеречно-ночного освещения не в цвете. (Только колбочки обеспечиваю цветное зрение в условиях дневного освещения).

Литература

• М. А. Островский ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС ЗРЕНИЯ

См. также

• Зрачок
• Глаз (версия Миг)
• Сетчатка (версия Миг)
• Ретиномоторная реакция фоторецепторов (версия Миг)

Примечания

1. перенаправление шаблон:цвета радуги