Біофізика рецепції органів зору та слуху

Біофізичні основи зору

Світло, що потрапило в око, фокусується за допомогою хрусталика на шар світлочутливих кліток сітківки – паличках і колбочках. Палички розташовуються по всій поверхні напівсферичної сітківки і відповідають за чорно-білий чи сутінковий зір, їх приблизно 125 млн. Колбочок значно менше (близько 6,5 млн.), вони в основному сконцентровані в центральній частині сітківки і відповідають при досить яскравому висвітленні за сприйняття кольору.

Будівля сітківки людини і хребетних тварин може показатися парадоксальним, тому що світлочутливі клітки знаходяться в задньому шарі сітківки. Перш ніж світло потрапить на них, воно повинно пройти через кілька шарів нервових кліток. Мало того, самі палички і колбочки орієнтовані до світла своїм внутрішнім сегментом, що не містить зорового пігменту. Однак така організація не знижує істотно чутливості ока до світла, тому що нервові клітки і внутрішні сегменти самих світлочутливих кліток прозорі для видимого світла.

Абсолютний поріг чутливості зору людини (тобто мінімальна величина яскравості світлової плями, що виявляється ще, при відсутності світлового тла й в умовах повної темнової адаптації) дорівнює

2,1 – 5,7 10 ^-17 Дж на поверхні роговиці ока, що відповідає 58–148 квантам синьо-зеленого світла. З них тільки 5–15 квантів поглинаються молекулами зорового пігменту в паличках сітківки, а інші «губляться».

Близько 4% світла відбивається від роговиці, близько 50% поглинається оптичними середовищами ока. 80–85% світла, що дійшло до сітківки, проходить крізь неї і поглинається в клітках пігментного епітелію. Завдяки пігментному епітелію, що підстилає сітківку, різко зменшується кількість відбитого і розсіяного від задньої стінки ока світла і тим самим поліпшується гострота зору. Якщо пляма що спостерігається тим, що підлягає обстеженню знаходиться на освітленому тлі, то мінімальну різницю, що ще виявляється, інтенсивності плями і тла називають різницевим порогом. Відношення різницевого порога до яскравості тла називають диференціальним порогом. Диференціальний поріг, відповідно до закону Вебера – Фехнера, при зміні яскравості тла залишається постійним. Це означає, що величина різницевого порога росте прямо пропорційно яскравості світлового тла.

Розглянемо будівлю і функції паличок (див. рис. 1). Зоровий пігмент паличок родопсин зосереджений у зовнішніх сегментах паличок, де він убудований у зорові диски. Диски являють собою замкнуті бімолекулярні ліпідні мембрани, що нагадують собою розплющені повітряні кулі, покладені в стопку. Зовнішній сегмент з'єднаний із внутрішнім сегментом тонкою сполучною ніжкою. В внутрішньому сегменті поруч з ніжкою зосереджена велика кількість мітохондрій, у ньому ж розташовується ядро клітки. Наприкінці внутрішнього сегмента, зверненого до світла, знаходиться синаптичний контакт із нервовим волокном.

Молекули родопсину пронизують ліпідний шар мембран зорових дисків. Через дуже низьку в'язкість ліпідного біслоя молекули пігменту можуть робити швидку латеральну дифузію, а після поглинання кванта світла перетерплювати значні конформаційні перебудови. Низька в'язкість ліпідного шару обумовлена високим змістом поліненасичених жирних кислот.

Зоровий пігмент родопсин – складний білок. Він складається з білка опсина і хромофорної групи – чи альдегіду просто ретиналя. У принципі ретиналь може мати кілька просторових ізомерів, але з опсином зв'язується тільки 11-цис-ретиналь.

Цис-транс-фотоізомеризація ретиналя. Обидві найбільш важливі конформації хромофора (11 – цис- і цілком – транс-ретиналь) зображені на рис. 1. Молекула ретиналя містить 6 подвійних сполучених зв'язків, а тому що обертання навколо подвійного зв'язку неможливо, то молекула хромофора плоска. Поглинання світла ретиналем приводить до * – електронному переходу. В органічних молекулах орбіталі (незбуджений стан) єднальні, тобто утворення подвійного зв'язку супроводжується виділенням енергії. Навпроти* – орбіталі (електронно-збуджений стан) є що розпушують, тобто їхнє перекривання вимагає витрати енергії. В основному стані – орбитали перекриваються і молекула ретиналя плоска.

Після поглинання фотона -зв'язок розривається і дві частини молекули ретиналя повертаються навколо – зв'язка (рис. 2 і 3). Повернення молекули в основний стан відбувається в одній із двох крапок виродження, коли енергії основного і збудженого станів рівні (см. рис. 2), після чого молекула знову стає плоскою. Очевидно, що з такого стану можливий перехід збудженої молекули як у цис-, так і в трансформу. При тривалому опроміненні кожної з форм у системі установлюються визначені концентрації обох ізомерів. Іншими словами, фотореакція цис-транс-ізомеризації ретиналя фотооборотня, що має два важливих наслідки. По-перше, під дією світла не відбувається повного переходу 11-цис- у трансформу, а по-друге, реакції транс-цис-ізомеризації відіграють важливу роль не тільки в сприйнятті світла, але й у регенерації зорового пігменту (див. нижче).

Фотоперетворення родопсину. 11-Цис-ретиналь точно вписується в центр зв'язування молекули опсина. Після фотохімічного утворення трансу-форми стерична відповідність порушується, що приводить до цілої серії конформаційних перебудов у молекулі білка, що супроводжуються змінами в спектрі поглинання зорового пігменту. Такі перебудови родопсину вперше досліджені Уолдом, що получили Нобелівську премію в 1966 р. У досвідах Уолда родопсин виділяли в темряві, заморожу