5. Биофизические основы зрительной рецепции.

Свет, попадающий в глаз, фиксируется оптической системой глаза на сетчатке, которая представляет собой многослойную клеточную систему. Фоторецепторные клетки находятся в заднем слое сетчатки, опираясь своими светочувствительными сегментами в поглощающий фотоны слой эпителиальных клеток, окрашенных тёмным пигментом. Для того чтобы попасть в фоторецепторы свету приходится предварительно проходить через слой нервных клеток, что, однако, не снижает чувствительности глаза, так как эти клетки прозрачны для видимого света. Такое расположение фоторецепторов лучше охраняет эти клетки от внешних воздействий и предотвращает попадание на них фотонов, отражённых и рассеянных другими участками глаза, а это улучшает остроту зрения. Каждая палочка и колбочка состоит из наружного и внутреннего сегмента, содержащего ядро и митохондрии, обеспечивающие энергетические процессы в фоторецепторной клетке. В конце внутреннего сегмента, обращенного к свету, находится синоптический контакт с нервным волокном.

Рассмотрим строение и функции палочек. Наружный сегмент палочек состоит из стопки светочувствительных дисков, в которые встроен зрительный пигмент родопсин красного цвета.

Каждый диск толщиной примерно 20 нм, напоминающий собой расплющенный воздушный шар, состоит из бислойных липидных мембран с пронизывающими их молекулами белков. Большое количество дисков в стопке увеличивает общую светочувствительную поверхность фоторецепторной клетки, что повышает вероятность поглощения ею фотона.

Зрительные диски образуются на протяжении всей жизни человека. Они постепенно перемещаются по сегменту и на самом конце отделяются, после чего поглощаются клетками пигментного эпителия и разрушаются. Из-за низкой вязкости липидного бислоя молекулы пигмента могут совершать быструю латеральную диффузию, а после поглощения кванта света претерпевать значительные конформационные перестройки.

Зрительный пигмент родопсин – это сложный белок. Он состоит из белка опсина и хромофорной группы – ретиналя (альдегидная группа витамина А). Если с пищей в организм поступает недостаточное количество витамина А, то нарушается процесс синтеза зрительных пигментов, что приводит к ухудшению сумеречного зрения, называемого «куриной слепотой».

Ретиналь может находиться в двух изомерных конфигурациях: цис- или транс- конфигурации. Молекула транс-ретиналя имеет выпрямленную форму. Цис-ретиналь имеет изогнутую форму, поворот группы атомов начинается с одиннадцатого атома углерода, поэтому изомер называется 11-цис-ретиналем. Изогнутая молекула 11-цис-ретиналя в темноте образует комплекс с опсином и плотно входит в соответствующее углубление в молекуле опсина. При освещении цис-ретиналь переходит в более устойчивую транс-форму и выпрямленная молекула транс-ретиналя не помещается в углублении, выходит из него и отщепляется от опсина. Распад родопсина на ретиналь и опсин приводит к возбуждению рецепторной клетки и возникновению генераторного потенциала. Разрыв связи между опсином и ретиналем приводит к обесцвечиванию родопсина. Обратный процесс превращения транс-ретиналя в цис-ретиналь происходит под действием фермента ретинальизомеразы, после чего цис-ретиналь присоединяется к опсину. В сетчатке при постоянном освещении имеет место устойчивое равновесие, при котором скорость распада родопсина равна скорости его восстановления. В темноте скорость регенерации родопсина достигает максимума и глаз приобретает максимальную чувствительность.

Такие перестройки родопсина впервые были исследованы Уолтом, получившим за это Нобелевскую премию в 1966 г.

Регистрация электроретинограмм позволила установить, что сразу после освещения палочки короткой вспышкой света наблюдается ранний рецепторный потенциал (РРП), затем примерно через 1 мс развивается поздний рецепторный потенциал (ПРП). Природа этих потенциалов совершенно различна и ещё недостаточно изучена. По-видимому РРП связан с перемещением родопсина во время конформационных перестроек, а возникновение ПРП связано с движением ионов через мембрану, однако роль ионов в данном случае несколько иная, чем их роль в образовании потенциала действия в нервном аксоне.

Э ти импульсы поступают в аксоны зрительного нерва и передаются в центральную нервную систему, где формируется ощущение света.

Цветовое зрение обусловлено колбочками. Согласно теории Юнга-Гельгольца, существует три типа колбочек с различными кривыми спектральной чувствительности с максимумами 440, 540 и 590 нм (рис.10), где K_λ – монохроматический натуральный показатель поглащения. Каждый вид колбочек создаёт ощущение только одного цвета – красного, зелёного или синего. При одновременном возбуждении рецепторов в мозг поступают сигналы различной интенсивности, которые создают ощущение промежуточных цветов. Всё многообразие цветовых ощущений определяется соотношением между числом импульсов, посылаемых возбуждёнными колбочками.

Пигмент колбочек содержит также 11-цис-ретиналь, как и родопсин, но белковая часть пигмента отличается, поэтому пигменты колбочек носят название йодопсинов, они имеют фиолетовую окраску. Каждая колбочка содержит только один вид йодопсина. Поглощение света йодопсинами, как и в случае с родопсином, приводит к появлению потенциалов в колбочках.

Трёх компонентная теория цветного зрения объясняет большинство фактов из физиологии и патологии цветного зрения. При некоторых генетических заболеваниях нарушается синтез белков – йодопсинов, в результате чего не образуется тот или иной пигмент цветового зрения. Человек утрачивает способность различать цвета. Эта болезнь называется дальтонизмом.

ЛЕКЦИЯ №23

ОПТИЧЕСКАЯ И ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ.

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА.

1. Оптический микроскоп. Ход лучей. Увеличение.

Д ля получения больших увеличений в качестве лупы следует использовать короткофокусные линзы. Однако такие линзы имеют небольшие размеры, им свойственны значительные аберрации, что накладывает ограничения на их увеличения. Значительное увеличение можно получить, рассматривая в лупу действительное изображение предмета, созданное дополнительной линзой или системой линз. Такой оптической системой является микроскоп, в простейшем случае состоящий из 2-х линз. Лупу в этом случае называют окуляром, а дополнительную линзу или систему линз – объективом. Они располагаются друг от друга на расстоянии 15-20 см. Обычно объектив биологического микроскопа состоит из системы короткофокусных линз, которая уменьшает сферическую и хроматическую аберрации. Окуляр микроскопа состоит из нескольких линз, обычно из двух. Рассматриваемый объект АВ (рис.1) помещается на расстояние d вблизи фокуса объектива. Его действительное и перевёрнутое изображение А₁В₁ получается на расстоянии f от объектива. Окуляр располагается таким образом, чтобы изображение А₁В₁ находилось между передним фокусом F₂ и окуляром. Его рассматривают в окуляр как в лупу. Окончательное изображение получается мнимым, увеличенным и обратным относительно самого рассматриваемого объекта.

Положение объектива относительно объекта подбирается так, чтобы окончательное изображение А₂В₂ располагалась от глаза на расстоянии наилучшего зрения a₀=25 см. Расстояние между внутренними фокусами объектива и окуляра называется оптической длиной тубуса (Δ). Оптическая длина тубуса обычно короче геометрической длины L на сумму фокусных расстояний F₁ и F₂. Увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра Г=Г_ОБ·Г_ОК. Окуляр в микроскопе используется как лупа и его увеличение определяется по формуле . Увеличение же объектива можно найти, учитывая, что линейное увеличение линзы ( ) равно отношению расстояния от ее оптического центра до изображения (f) и до предмета d. Применяя эту формулу к объективу микроскопа, можно считать, что d= F₁, f= F₁+Δ,или пренебрегая фокусным расстоянием объектива F₁ по сравнению с оптической длиной тубуса (последняя примерно в десять раз больше), можно считать, что f≈Δ. Тогда увеличение объектива: . Следовательно, увеличение микроскопа: , т.е. увеличение микроскопа равняется отношению произведений оптической длины тубуса на расстояние наилучшего зрения к произведению фокусных расстояний объектива и окуляра.

Увеличение объектива и окуляра называются их собственными увеличениями и указываются на оправе линз.