8. Почему глаза кошек светятся?

На задней стенке глазного дна кошки, за сетчаткой находится слой тапетума – серебристых кристалликов гуанина. Именно тапетум придает блеск рыбной чешуе. Находясь в глазу, тапетум отражает световые лучи, благодаря чему в сетчатку глаза свет попадает дважды – прямой и отраженный. В результате этого кошка отчетливо видит при освещении в 6 раз меньше, чем предел чувствительности человеческого глаза. Поскольку стенка глаза вогнутая, отраженный свет выходит из глаза, как из маленького прожектора. Поэтому даже при слабом освещении глаза кошки сильно блестят. Зеленоватый цвет блеску придают небольшие добавки к гуанину При полной темноте свечение, разумеется, отсутствует.

9.Восприятие света

(молекулярные механизмы рецепции зрения)

На земле зрение возникло независимо 4 раза: у кольчатых червей, у членистоногих (насекомых), у моллюсков и у позвоночных. Во всех случаях возникал фокусирующий аппарат, аппарат подстройки к освещению (диафрагма) и светочувствительная часть – специальный пигмент, чувствительный к свету и преобразовывающий свет в электрические импульсы, распространяющиеся по нерву. Наиболее важным элементом зрительного механизма является зрительный пигмент – родопсин. В зрительной сетчатке человеческого глаза имеется 1 млрд. палочек и 3 млрд. колбочек. Зрительные клетки (палочки и колбочки) преобразуют энергию света в нервный импульс. В 1938 году Зелиг Нехт открыл, что для возбуждения отдельной палочки достаточно одного фотона. Размеры зрительной клетки (палочки) показаны на рис.24, а ее устройство – на рис.25.

Рис. 24. Р азмеры зрительной клетки (палочки)

Рис. 25. Устройство зрительной палочки сетчатки глаза

Веществом, чувствительным к свету, служит родопсин. Родопсин представляет собой комплекс белка (опсина) и низкомолекулярного вещества – ретиналя. В каждой зрительной палочке 4·10⁷ молекул родопсина. Диаметр молекул родопсина 40-50 Ǻ, М30000(из них 18000 составляет белок опсин, остальное – липопротеины).

Сам по себе опсин почти не поглощает видимый свет, однако, соединившись с ретиналем, он поглощает свет чрезвычайно сильно. Коэффициент экстинкции (поглощения) родопсина максимален среди органических соединений и составляет 4·10⁴ (рис. 26).

Рис. 26. Спектр поглощения родопсина

Рассмотрим конформационные изменения, которые происходят с родопсином под действием кванта света. Как известно, для зрения важен витамин А (рис.27). Животные могут сами синтезировать витамин А и должны его поглощать с пищей ( морковкой ).

Рис. 27. Химическое строение витамина А

Витамин А накапливается в зрительных слоях сетчатки, окисляется в ретиналь (рис.28) и связывается с белком опсином.

Рис. 28. Химическое строение молекулы ретиналя в цис-форме (сплошные линии) и транс-форме (пунктир)

Связь с белком осуществляется только в цис-форме ретиналя, когда ретиналь изогнут. Под действием света молекула ретиналя распрямляется - переходит в транс-форму (рис. 29).

Таким образом, первичный акт светового восприятия состоит в преобразовании энергии фотона в движение атомов ретиналя. Этот процесс (изомеризация под действием светового кванта) происходит невероятно быстро – за несколько пикосекунд (10^-12 с). Для распрямления ретиналя необходимо преодолеть барьер в 100 кДж/моль (это 10^-21 Дж на молекулу). Эту энергию и поставляет квант света.

Рис. 29. Цис- и транс-изомеры ретиналя

После этого ретиналь отделяется от опсина, а затем, в темноте, снова превращается в цис – форму и опять связывается с опсином.

При отделении ретиналя опсин обесцвечивается, размеры молекулы опсина меняются от 23 Ǻ до 25 Ǻ. По-видимому, при этом освобождается несколько сот ионов, которые закрывают мембраны канала для ионов Са⁺⁺, в результате чего меняется потенцеал мембраны и возникает нервный импульс.

Молекула родопсина расположена на поверхности мембраны нервной клетки (рис.30).

Рис. 30. Молекула родопсина на поверхности мембраны

Под действием света родопсин открывает поры и из нерва выходят ионы Nа⁺; на мембране меняется потенциал и появляется нервный импульс. Чтобы 1 молекула родопсина стала действовать, требуется 1 фотон с энергией Е«4*10"¹⁹ Дж. В мембране нервной клетки родопсин занимает до 35 % (по весу).

Поглощение 1 фотона блокирует ток миллиона ионов Nа⁺. Видимо, родопсин освобождает несколько сот ионов Са⁺⁺, и они закрывают каналы для Nа⁺, в результате чего возникает нервный импульс ( рис. 31).

Рис. 31. Возникновение нервного импульса под действием света

Молекулярный механизм зрения (родопсин плюс ретиналь) одинаков у всех живых существ без исключения. По мнению ученых родопсин столь хорошо приспособлен к восприятию света, что если на других планетах есть жизнь и зрение, то должен быть и родопсин.

Итак, фотохимия зрения, в общих чертах, едина для всех организмов. Однако, для ночного зрения (в палочках) используется более светочувствительный белок – опсин. А для дневного зрения ( в колбочках) – менее чувствительный фотопсин , который быстрее связывается с ретиналем.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что происходит при поглощении кванта света в сетчатке?

2. Какие вещества наиболее важны для рецепции зрения?