4. Передача сигналів у фоторецепторних клітинах сітківки

Фоторецепторні молекули сприймають як сигнал квант світла. Проте принципи передачі сигналу через мембрани у фоторецепторів і рецепторів гормонів дуже подібні. Зоровий родопсин локалізований у більшості хребетних у спеціалізованих фоторецепторних клітинах двох типів – палочках та колбочках, які вистилають внутрішню сторону сітківки ока. Палички функціонують в умовах слабкого освітлення. Вони дуже чутливі до світлових сигналів і при сильному освітленні десенсибілізуються. При яскравому світлі зоровий процес забезпечується колбочками. Колбочки передають кольорову гаму зображення.

У колбочках містяться пігменти, що поглинають в різних областях спектру. У людини розрізняють три види колбочок, які поглинають світло в короткохвильовій, середньо- і довгохвильовій областях видимого спектру. При слабкому освітленні колбочки не приймають сигналу і очі не сприймають колір об'єктів.

Рецепторна мембрана паличок складається з замкнутих дисків, які не стикаються з цитоплазматичною мембраною, в той час, як в колбочках вона утворює систему складок. Таким чином, для передачі сигналу в паличках від диска до плазматичної мембрани необхідний гідрофільний посередник. Як палички, так і колбочки, умовно ділять на два сегменти: зовнішній і внутрішній. Зовнішній сегмент містить фоторецепторні мембрани, а внутрішній спеціалізується на генерації енергії і містить апарат, що синтезує молекули вторинних посередників, які беруть участь у передачі сигналу. З внутрішнього сегмента формується синаптичне закінчення, яке здійснює передачу сигналу до нервових волокон.

Зоровий родопсин (як і бактеріородопсин), містить в активному центрі 11-цис-ретиналь. Білкова частина родопсину без ретиналя називається опсин і функціонує як фермент. До молекули білка приєднані два олігосахаридних ланцюги. Як і у бактеріородопсину, молекула зорового родопсину перетинає мембрану 7 разів. Ретиналь розташований ближче до С-кінця білка. Пігменти з колбочок сітківки ока людини, умовно названі за областю поглинаючого ними світла – «червоний», «блакитний» і «зелений».

Родопсин володіє характерним спектром поглинання в областях 280 і 500 нм.

В основі функціонування як родопсину, так і бактеріородопсину, лежить світлозалежна ізомеризація ретиналю. При поглинанні кванта світла 11-цис-ретиналь родопсину переходить повністю в транс-форму. Ця ізомеризація запускає каскад реакцій, які супроводжуються зміною спектру поглинання молекули родопсину.

Таким чином, в результаті поглинання фотона родопсином відбувається утворення опсину і вільного ретиналю. Інший результат цього процесу – гіперполяризація мембрани паличок. У нормі на мембрані паличок реєструється так званий «темновий струм», який забезпечується входом у клітину натрію і виходом калію за рахунок роботи Nа⁺,К⁺-АТФази. Трансмембранний потенціал при цьому становить 20 мВ. Спалах світла викликає гіперполяризацію мембрани до 70 мВ. При цьому її величина пропорційна інтенсивності освітлення. Гіперполяризація мембрани палички є необхідною і достатньою умовою передачі світлового сигналу через синапси до зорових нейронів.

Активована світлом молекула родопсину, метародопсин-II, утворює специфічний комплекс з G-білком – трансдуцином, який знаходиться в комплексі з ГДФ, який зв'язується з α-одиницею трансдуцину. Взаємодія родопсину з трансдуцином каталізує обмін на α-субодиниці ГДФ на ГТФ. Після цього комплекс трансдуцина з родопсином дисоціює, і практично одночасно відбувається дисоціація трансдуцина на α-субодиницю, зв’язану з ГТФ, і на комплекс, що складається з β-і γ-субодиниць. α-субодиниця трансдуцину в ГТФ-зв'язаній формі активує цГМФ-залежну фосфодіестеразу. Цей фермент має аналогічну будову (складається з трьох субодиниць, α, β і γ). Інгібування здійснюється за рахунок зв'язування зв'язаної з ГТФ α-субодиниці з γ-субодиницею фосфодіестерази. При цьому γ-субодиниця відділяється, а вільні α-і β-субодиниці здійснюють гідроліз ГТФ. Цей процес протікає з дуже великою швидкістю (до 4000 молекул в секунду). Активуючий вплив трансдуцина на фосфодіестеразу припиняється після гідролізу ГТФ. Надалі комплекс β- і γ- субодиниць трансдуцину асоціює з ГДФ-зв'язаною формою α-субодиниці, і молекула трансдуцина знову набуває здатності взаємодіяти з фотоактивованим родопсином і весь цикл повторюється (рис. 8.3).

Рис 8.3. Механізм функціонування зорового родопсину

Трансдуцин відіграє ключову роль не тільки в активації, а й в інактивації сигналу. Включення і вимкнення сигналу здійснюються через α-субодиницю. При цьому ключовою стадією управління є гідроліз ГТФ до ГДФ. Реакції, що ведуть до активації процесу, енергетично вигідні. Деякі реакції інактивації вимагають додаткової енергії. Родопсин інактивується за допомогою спеціальної протеінкінази. Цей фермент приєднує фосфатні групи до декількох амінокислот на одному кінці поліпептидного ланцюга опсину. Потім родопсин утворює комплекс з білком арестином, який блокує зв'язування трансдуцина і повертає систему в початковий «темновий» стан.