Чем больше информации об окружающей среде получает организм, тем выше его шансы на выживание. Все живое так или иначе реагирует на изменения вокруг себя. Улавливать эти изменения и сигнализировать о них центральной нервной системе – задача сенсоров клеточных мембран, чувствительных к той или иной форме энергии. На этом курсе вы узнаете об устройстве различных сенсорных систем на молекулярном уровне и познакомитесь с некоторыми деталями работы нервной системы. Мы выясним, как реагирует простейшая сенсорная система на уровне одноклеточных организмов, как они определяют погодные условия вокруг себя и какие глаза бывают у одноклеточных. Вместе с эволюцией организма происходит эволюция его сенсоров. Поэтому в ходе курса вам придется столкнуться с самыми разнообразными сенсорными системами многоклеточных животных: механо- и термочувствительной, хемо- и фоточувствительной, а также узнать о редких и недоступных людям способах ощущения мира – электро- и магниторецепции.
6.2. Функционирование сетчатки
Loading...
From the course by Novosibirsk State University
Биосенсоры
31 оценки
From the lesson
Фоточувствительность. Часть 2
Этот раздел познакомит нас с устройством глаз позвоночных животных и с особенностями работы их сетчатки. Разные животные воспринимают разные области солнечного спектра, и это приносит им огромную пользу, хотя далеко не все животные видят мир таким многоцветным, как люди.
Meet the Instructors
Анна ЮшковаКандидат биологических наук, доцент
Кафедра естественнонаучных дисциплин ВКИ НГУ
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Сетчатка
позвоночных — это сложное многослойное образование.
Светочувствительные участки рецепторных клеток направлены в противоположную от
поступающего света сторону — сетчатка позвоночных инвертирована.
На этой схеме показана сложная нейральная сетчатка,
хотя здесь изображено лишь небольшое число клеток.
Только основных типов нервных клеток выделяют шесть типов.
Глиальных, вспомогательных клеток, правда,
только один тип — это мюллеровы клетки, они важны во время эмбриогенеза.
Они обеспечивают структурную и биохимическую поддержку для нервных
клеток.
Если рассматривать по слоям сетчатку в направлении от
пигментного эпителия по направлению к стекловидному телу,
то нервные клетки располагаются следующими слоями.
Вот на этой схеме сверху вниз: сначала фоторецепторные клетки — палочки и
колбочки, потом горизонтальные клетки, биполярные клетки,
интерплексиформные клетки, амакриновые клетки и ганглиозные клетки.
Фоторецепторные клетки, палочки и колбочки, во многом похожи друг на друга.
Развитие начинается и тех, и других с клетки,
у которой одна-единственная ресничка.
Постепенно ресничка растет, ее мембрана гипертрофируется и образует большое
количество складок, таких впячиваний.
Эти впячивания в конце концов отшнуровываются у палочек,
и образуются диски.
Стопка дисков образует такой наружный сегмент фоторецептора фоточувствительный.
У разных видов позвоночных его размеры колеблются от десяти
до двухсот микрометров в длину и от двух до десяти микрометров в диаметре.
Фоточувствительный пигмент родопсин — комплекс из ретиналя и опсина
— сконцентрирован именно в мембранах дисков.
А внутренний сегмент палочки содержит большое количество митохондрий,
которые снабжают ее энергией.
В нем активно идет синтез белков и липидов.
Ножка палочки — окончание клетки — формирует синаптические
контакты с подходящими к ней нервными клетками.
Диски с наружного сегмента постоянно удаляются и
перевариваются клетками пигментного эпителия.
Длительность цикла от синтеза диска до его удаления составляет около десяти дней.
Колбочки, в общем-то, похожи на палочки, но у них есть свои особенности.
Наружные сегменты их немножечко меньше, диски не отделяются от краевой мембраны.
И ножка у колбочек немножечко крупнее и даже образует более сложные
синаптические контакты.
Возможно, что колбочки — это исходный тип фоторецептора,
из которого затем развились палочки.
Однако этот вопрос довольно дискуссионный.
Что точно известно — что существует множество
таких промежуточных форм между палочками и колбочками.
Количество палочек в сетчатке человека — около 90 миллионов штук.
Количество колбочек — меньше раз в 20.
Распределение палочек и колбочек неравномерное.
У человека и других приматов с дневной активностью плотность колбочек
максимальна в центральной ямке.
Палочек здесь нет совсем.
А вот максимальная плотность палочек наблюдается вокруг желтого пятна и
постепенно снижается раза в два по направлению к периферии сетчатки.
Максимальная плотность колбочек вот там, в желтом пятне, составляет
до 250 тысяч на квадратный миллиметр, но это достаточно индивидуально.
Наружные сегменты и палочек, и колбочек ориентированы так,
что в любой части сетчатки они направлены как бы к центру зрачка.
Третий тип светочувствительных клеток сетчатки — это клетки,
которые содержат меланопсин.
Меланопсин, вообще, принадлежит к семейству опсинов,
у него есть собственный ген.
И синтезируется этот пигмент в специализированных ганглиозных
клетках сетчатки.
На схеме вот одна такая клетка выделена черным цветом.
Этот пигмент особо чувствителен к поглощению коротковолновой части спектра,
к синей.
Но он немножечко слабее, чем пигменты палочек.
Меланопсин не участвует непосредственно в цветовосприятии.
Он выполняет функцию оценки изменений общей интенсивности света.
Даже при поражениях остальных фоторецепторных клеток сетчатки меланопсин
позволяет ощущать разницу в яркости света.
Меланопсин запускает зрачковый рефлекс,
то есть подстраивает размер зрачка к уровням освещенности.
Эти клетки посылают сигналы в супрахиазматическое ядро мозга,
известное у млекопитающих как центральные биологические часы.
И посредством вот этих сигналов организм синхронизирует свои суточные ритмы
в соответствии с восходом и заходом солнца.
Кроме того,
эти клетки регулируют синтез мелатонина и физическую активность организма.
И недостаточная стимуляция при отсутствии достаточной освещенности
может вызвать сезонную депрессию.
Обработка зрительной информации начинается с того, что фотоны попадают на одну из
нескольких миллионов светочувствительных клеток сетчатки.
Основное отличие колбочек от палочек состоит в том,
что в них находятся разные зрительные пигменты.
Пигменты палочек называются родопсинами, а колбочек — йодопсинами, или фотопсинами.
Но это название не имеет никакого отношения к йоду.
Это производное от греческого слова «подобное цвету фиалки».
И те, и другие представляют собой трансмембранные семидоменные белки —
это опсины, а хромофор в них — ретиналь.
Вот опсины колбочек довольно разнообразны, и они кодируются разными генами.
Большинство исследователей придерживается мнения,
что одна колбочка — это один пигмент.
Разница в аминокислотном составе у опсинов приводит к разнице спектров поглощения.
И по диапазону максимального поглощения выделяют три типа колбочек: S-колбочки,
M-колбочки и L-колбочки.
Палочки имеют пик чувствительности где-то посередине между пиком
чувствительности S- и M-колбочек.
Надо понимать, что пик ответа так называемого красночувствительного
опсина у человека, например, не находится четко в красной области видимого спектра.
Это вообще промежуточная длина волны между зеленым и желтым,
а название «красный опсин» отражает тот факт,
что он просто более чувствителен к красному цвету, чем два других.
Различие сигналов, полученных от трех типов колбочек,
позволяет мозгу воспринимать непрерывный спектр цветов.
Желтый мы воспринимаем тогда,
когда стимулируется немножечко больше L-колбочек, чем M,
а красный цвет, допустим, когда значительно больше L, чем M.
Очень сильный свет будет возбуждать все три типа фоторецепторов и поэтому
воспринимается как излучение слепяще-белого цвета.
Хрусталик и роговица в глазу человека вообще поглощают значительную долю
коротких волн.
И эта особенность как раз ограничивает коротковолновый диапазон воспринимаемого
нами света до примерно 380 нанометров.
Волны с более короткой длиной волной мы не воспринимаем,
они попадают в категорию ультрафиолетового света.
А вот люди с отсутствием хрусталика, с афакией,
способны видеть и в ультрафиолетовом диапазоне.
Как работает палочка?
Фотон улавливается стопкой из 20 тысяч дисков
с высокой концентрацией родопсина — уж кому-нибудь она да достанется.
Родопсин — это белок опсин плюс ретиналь в 11-цис-форме.
И при взаимодействии с фотоном происходит внутримолекулярная перестройка: цис-форма
становится транс-формой.
При этом она уже не может больше держаться возле белка опсина,
отсоединяется, покидает, уходит прочь.
Оказывается в конце концов пигментом эпителия.
Фотохимические процессы в глазу вообще идут очень экономно.
Даже на ярком свету распадается только малая часть пигмента.
А постепенно ретиналь в клетках пигментного эпителия
превращается в ретинол, потом происходит его реизомеризация.
И уже 11-цис-ретиналь возвращается в фоторецепторы.
Йодопсин, кстати, восстанавливается существенно быстрее родопсина.
Поэтому при недостатке витамина А, который служит предшественником ретиналя,
в первую очередь страдает зрение палочек — сумеречное зрение.
После того как ретиналь отсоединился от опсина,
происходят его конформационные изменения.
И он взаимодействует с околомембранным G-белком — гуанинтрифосфат
связывающим белком.
Правда, в клетках сетчатки этот белок называют трансдуцином.
Но прежде чем говорить о каскаде изменений, которые произойдут после этого,
надо отметить, что в норме палочки слегка деполяризованы, да и колбочки тоже.
И деполяризованы они именно потому, что присутствующий в клетке
циклогуанозинмонофосфат открывает мембранные
каналы для ионов натрия — так называемые циклонуклеотид-зависимые каналы.
И вот что получается в общих чертах.
Опсин активируется, передает сигнал на трансдуцин.
Трансдуцин, который состоит из нескольких субъединиц,
распадается на альфа-субъединицу и бета-, гамму-.
Альфа-субъединица сначала активирует фермент фосфодиэстеразу.
Этот фермент разрушает циклогуанозинмонофосфат,
каналы для натрия закрываются.
Вот он — ключевой момент.
Каналы закрыты, концентрация потихонечку приводится в норму,
происходит гиперполяризация мембраны.
В то же время чуть-чуть с задержкой, альфа-субъединица активирует пару
тормозных белков, и происходит инактивация опсина.
В конце концов система возвращается к состоянию покоя.
Принцип работы палочек и колбочек одинаков.
Возникшая гиперполяризация распространяется по всей клетке,
вплоть до ножки, и подавляет выделение медиатора,
который воздействует на следующие клетки — горизонтальные и биполярные.
Но если горизонтальные клетки, их задача — образовать достаточно сложную
систему связи между фоторецепторными клетками, то функция биполярных клеток —
это начало передачи импульса в центральную нервную систему.
А начало — потому что от них этот сигнал передается следующей группе нейронов,
ганглиозным клеткам, а уже аксоны ганглиозных клеток объединяются в
зрительный нерв и направляются в центральную нервную систему.
Адаптированная к темноте палочка способна реагировать на единственный фотон света.
Один фотон приводит к отсоединению только одного ретиналя от опсина,
но зато активируется уже 500 молекул ферментов фосфодиэстеразы,
и блокируется прохождение уже миллиона или даже десяти миллионов ионов натрия.
Возникает рецепторный потенциал в один милливольт,
уменьшается выделение медиатора, происходит деполяризация уже
биполярных клеток и начало передачи сигнала в центральную нервную систему.
Но адаптация к темноте протекает неравномерно.
В первые десять минут чувствительность глаза увеличивается в несколько десятков
раз, потому что происходит сначала восстановление йодопсина колбочек,
а абсолютная чувствительность колбочкового аппарата невелика,
и изменение чувствительности небольшое.
А вот затем постепенно,
в течение часа происходит увеличение чувствительности в несколько тысяч раз.
Оно уже связано с восстановлением родопсина.
Оно протекает медленно, но после этой адаптации каскад усилений может
привести к тому, что один фотон способен изменить мир.
[БЕЗ_ЗВУКА]
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.
© Coursera Inc., 2018 Все права защищены.
