Мал. 1. Будова палички (сітківка)
Палички (англ. Rod cells) - один з двох типів фоторецепторів (екстерорецепторов), периферичних відростків світлочутливих клітин сітківки ока. названий так за свою циліндричну форму. Це високоспеціалізовані клітини, що перетворюють світлові подразнення в нервове збудження (сигнали).
Палички чутливі до світла завдяки наявності в них специфічного пігменту - родопсину (або зоровий пурпур). Під дією світла відбувається ряд дуже швидких перетворень і знебарвлення зорового пігменту. У сітківці ока у дорослої людини міститься приблизно близько
90 мільйонів паличок [1]. Розміри їх дуже невеликі: довжина паличок 0,06 мм, діаметр 0,002 мм. Щільність розміщення паличок на різних ділянках сітківки ока нерівномірно і може складати від 20 до 200 тисяч на квадратний міліметр. У центрі сітківки, в центральній ямці фовеальній області (жовтому плямі), палички практично відсутні, потім їх щільність зростає і досягає максимальної щільності близько 140 000-160 000 / мм 2 в кільці, на відстані близько 5 мм від центральної ямки. Потім щільність паличок падає до постійного рівня близько 70 000-80 000 / мм 2 перед тим, як різко зменшитися на далекій периферії сітківки. Такий розподіл паличок в сітківці визначає їх участь в нічному і периферійному зорі. Чутливість палички достатня, щоб зареєструвати потрапляння навіть одиничних фотонів.
У нічний час, коли потік фотонів недостатній для нормальної роботи колб, зір забезпечують тільки палички, тому вночі людина не може розрізняти кольори.
[Ред] Будова і дослідження фоторецепторів
[Ред] Морфологія
Колбочки і палички подібні за будовою і складаються з чотирьох ділянок.
- ЗОВНІШНЄ СЕГМЕНТ (містить мембранні диски з родопсином),
- Зв'язок ВІДДІЛ (з'єднувальні вії),
- ВНУТРІШНІЙ СЕГМЕНТ (містить мітохондрії),
- ОБЛАСТЬ З нервових закінчень (Синаптична область).
У зовнішньому сегменті палички знаходиться велика кількість мембранних дисків (близько тисячі). Мембрана дисків містить безліч молекул пігменту родопсину. які представляють собою сплощені мембранні мішечки укладені у вигляді стопки монет. Кожен диск утворений двома сполученими по краях мембранами завтовшки близько 50 - 75 Ангстрем, розділених проміжком - близько 50 Ангстрем. [2]. [3]. Диски в колбі постійно оновлюються (приблизно до сотні дисків на добу).
Сполучний відділ містить 9 пар подвійних ниток (фібрил). Вони відходять в сполучної вії від однієї з двох центріолей (базальне тільце), які лежать поруч перпендикулярно один одному. Нитки, що з'єднують вії, проходять від внутрішнього сегмента до середини зовнішнього сегмента. [4].
У внутрішньому сегменті є скупчення радіально орієнтованих і щільно упакованих мітохондрій. При висвітленні палички мітохондрії набухають і, ймовірно, при цьому в них підвищується активність окисних ферментів. Це область активного метаболізму. Мітохондрії і полірібосоми, постачають енергію для забезпечення процесів світосприйняття, при цьому синтезуються білки, які беруть участь в утворенні мембранних дисків і зорового пігменту. У цій же ділянці розташовується ядро. [5]. [6].
До області з нервовими закінченнями палички підходять і вдаються в неї дендріди біполярних і горизонтальних клітин сітківки. Крім того, описані контакти між рецепторами (паличками і колбочками) сітківки. У пресинаптичних закінченнях виявлено велику кількість синаптичних пухирців (везикул), які містять медіатор. Число і розмір цих бульбашок, мабуть, змінюються при зміні освітлення. [7]. [8]. [9].
До одного інтернейронов. собирающему сигнал c сітківки, як правило, приєднуються кілька паличок, що додатково збільшує чутливість очі. Таке об'єднання паличок в групи робить периферійний зір дуже чутливим до рухів і відповідає за феноменальні здібності окремих індивідів до зорового сприйняття подій лежать поза кута їх зору.
[Ред] Процеси, що відбуваються в паличці
У зовнішніх сегментах паличок родопсин орієнтований так, що карбокси-кінцевий хвіст розташований в междискових (цитоплазматичної) просторі. Він утримує 11-цис ретиналь шіффовскім взаємодією з лізінових залишком в центрі "бочки з клепок". При взаємодії фотона відповідної довжини хвилі (400 - 600 нм) з 11-цис ретиналь, з'являється енергія активації, необхідна для внутрішньомолекулярної перебудови, яка веде до низькоенергетичної транс-формі. Це ключовий момент фоторецепції, все подальше залежить від цього фотохімічного перетворення. Транс- ретиналь не може залишатися з'єднаним з опсин і дифундує з "бочки", опиняючись в кінці кінців в пігментному епітелії. Втративши 11-цис ретиналь, молекула опсина зазнає деякі конформаційні зміни. У цьому активованому стані вона здатна реагувати з системою G-білків мембрани зовнішнього сегмента. Ці G-білки відомі як трансдуціди або Т-білки. Реакція активованого опсина з альфа-субодиницею Т-білка відбувається, як вважають, через його внутрішньоклітинну петлю (в междискових просторі), яке призводить до звичайного біохімічному процесу. Існує однак і відмінність - замість взаємодії G-білка з аденилатциклазой, яка генерує цАМФ (звичайний випадок), альфа-ГТФ- субодиниця впливає на великий тетрамерний фермент цГМФ-фосфодіестеразу (цГМФ-фосфодіестерази). Цей мембранно-пов'язаний фермент складається з альфа-, бета- і двох гамма-субодиниць. Коли цей фермент входить в контакт з вільним Т-альфа-білком, дві гамма субодиниці відокремлюються. Це розгальмовує каталітичну активність альфа- і бета-субодиниць, які перетворять цГМФ в 5'-ГМФ. Одночасно дві гамма-субодиниці каталізують дефосфорілірованіе Т-ГТФ в Т-ГДФ. Після цього Т-альфа-субодиниця від'єднується від альфа- і бета-субодиниць цГМФ-фосфодіестерази, що дозволяє гамма-субодиницям знову приєднатися до останніх. Це призводить до припинення каталітичної активності цього ферменту.
[Ред] Спектральна характеристика паличок
Палички сітківки містять один світлочутливий пігмент - родопсин. їх спектральна характеристика сильно залежить від рівня освітлення. При слабкому освітленні, максимум поглинання родопсину становить близько 500 нм. (Спектр сутінкового неба), при цьому палички відповідальні за сутінковий зір, коли кольори предметів невиразні. При високому рівні освітлення, родопсин вицвітає, його чутливість падає, і максимум поглинання зміщується в синю область спектра.
Це властивість паличок підтверджує Ефект Пуркіньє. суть якого полягає в тому, що при настанні сутінків, коли освітленість падає, червоні кольори чорніють, а білі здаються блакитними. Це пояснюється тим, що палички бачать синій край спектра краще, ніж колбочки, але зате колбочки бачать, наприклад, темно червоний колір, тоді як палички його абсолютно не можуть побачити. [10]
[Ред] Зоровий фотопігмент паличок - родопсин
Рис.2. Схематичне зображення палички, фоторецепторного диска зовнішнього сегмента, фоторецепторной мембрани диска і молекули родопсину, в центрі якої знаходиться її Хромофорную група - 11-цис-ретиналь, ковалентно пов'язаний з білкової частиною (опсин). [11]
У сітківці хребетних родопсин міститься в фоторецепторах нічного і сутінкового зору - паличках.
Завдяки наведеними даними в літературі докладно описаний Хромофорную центр родопсина: конформационное стан 11-цісретіналя і його взаємодію з оточуючими амінокислотними залишками.
Хромофорной групою усіх без винятку зорових фотопигментов людини і тварин є альдегід вітаміну А1 або вітаміну А2 або, відповідно, ретіналь1 або ретіналь2, причому тільки одна з його ізомерних форм, а саме його 11-цис-форма. Родопсин - порівняно невеликий білок: молекулярна маса якого становить близько 40 кДа, а поліпептидний ланцюг складається з 348 амінокислотних залишків. У молекулі родопсину можна виділити внутрімембранний, внутрішньодискового і цитоплазматический домени. Внутрімембранний домен складається з хромофорного центру і семи трансмембранних α-спіралей, що представляють собою остов опсина. Хромофорную група - 11-цис-ретиналь ковалентно пов'язаний з ε-аміногрупою лізину (Lys-296) спіралі ТМ7 через протоновану шіффово підставу. Протонирование шіффово підстави збільшує делокалізацію електрона вздовж полиеновой ланцюга ретиналю.
Мал. 3. Спектри поглинання родопсину
Спектр поглинання родопсину складається з трьох основних смуг:
Дві перші пов'язані з поглинанням хромофорной групи, а γ-смуга обумовлена в основному поглинанням ароматичних амінокислот білка - триптофану, тирозину і фенілаланіну.
Саме α- смуга в спектрі поглинання родопсину визначає криву видности палочкового сутінкового (скотопіческого) зору з максимумом в синьо-зеленій області спектра (≈500 нм). Фоточутливість родопсина надзвичайно висока. Квантовий вихід фотореакції становить 0,67.
До сих пір залишається неясним, чому швидкість фотоизомеризации ретиналю як хромофора збільшується майже на два порядки в порівнянні зі швидкістю його фотоизомеризации в розчині. У будь-якому випадку роль білкового оточення в цих процесах знаходиться поза сумнівом, але внутрішньо-молекулярні механізми, що пояснюють цей феномен. залишаються до кінця не вивченими.