Rodopsinas susideda iš. Vaizdinio analizatoriaus vaidmuo gyvūnų gyvenime

Rodopsinas(pasenęs, bet vis dar naudojamas pavadinimas vizualiai violetinė) – pagrindinis regėjimo pigmentas. Esama jūrų bestuburių, žuvų, beveik visų sausumos stuburinių gyvūnų ir žmonių tinklainės lazdelėse. Nurodo sudėtingus baltymus – chromoproteinus. Skirtingoms biologinėms rūšims būdingų baltymų modifikacijų struktūra ir molekulinė masė gali labai skirtis.

Rodopsino funkcijos

Šviesos įtakoje keičiasi šviesai jautrus regos pigmentas ir vienas iš jo virsmo tarpinių produktų yra tiesiogiai atsakingas už regos stimuliacijos atsiradimą. Vaizdiniai pigmentai, esantys fotoreceptorių ląstelės išoriniame segmente, yra sudėtingi spalvoti baltymai (chromoproteinai). Jų dalis, sugerianti matomą šviesą, vadinama chromoforu. Šis cheminis junginys yra vitamino A aldehidas arba tinklainė. Regėjimo pigmentuose esantis baltymas, su kuriuo susijusi tinklainė, vadinamas opsinu.

Rodopsinas priklauso GPCR (su G baltymu sujungtų receptorių) transmembraninių receptorių šeimai. Sugeriant šviesą, pasikeičia rodopsino baltyminės dalies konformacija, suaktyvėja G-baltymo transducinas, kuris aktyvuoja fermentą cGMP fosfodiesterazę. Dėl šio fermento aktyvavimo cGMP koncentracija ląstelėje mažėja ir nuo cGMP priklausomi natrio kanalai užsidaro. Kadangi natrio jonus iš ląstelės nuolat išpumpuoja ATPazė, natrio jonų koncentracija ląstelės viduje krenta, o tai sukelia jos hiperpoliarizaciją. Dėl to fotoreceptorius išskiria mažiau slopinančio siųstuvo glutamato, o nerviniai impulsai atsiranda bipolinėje nervinėje ląstelėje, kuri yra „neužblokuota“.

Rodopsino absorbcijos spektras

Failas: Rodopsin.GIF

Ryžiai. 1 pav. Rodopsino absorbcijos spektras iš varlės Rana temporaria digitonino ekstrakte. Dvi absorbcijos maksimumai matomi matomoje (500 nm) ir ultravioletinėje (280 nm) srityse. 1 - rodopsinas (atkurtas pigmentas); 2 - geltonas indikatorius (pakitusios spalvos pigmentas). Abscisių ašis yra bangos ilgis (λ); išilgai ordinatės – optinis tankis (D).

Specifinį regėjimo pigmento sugerties spektrą lemia ir chromoforo bei opsino savybės, ir cheminio ryšio tarp jų pobūdis (plačiau žr. apžvalgą:). Šis spektras turi du maksimumus – vieną ultravioletinėje srityje (278 nm) dėl opsino, o kitą – matomoje srityje (apie 500 nm), – chromoforo sugertis Fig. 1. Vaizdo pigmento transformacija veikiant šviesai į galutinį stabilų produktą susideda iš kelių labai greitų tarpinių etapų. Ištyrus rodopsino ekstraktuose esančių tarpinių produktų sugerties spektrus žemoje temperatūroje, kurioje šie produktai yra stabilūs, buvo galima detaliai aprašyti visą vizualinio pigmento balinimo procesą.

Gyvoje akyje kartu su regos pigmento irimu natūraliai nuolat vyksta jo regeneracijos (resintezės) procesas. Tamsos adaptacijos metu šis procesas baigiasi tik tada, kai visas laisvas opsinas susijungia su tinklaine.

Dienos ir nakties matymas

Iš rodopsino sugerties spektrų aišku, kad sumažintas rodopsinas (esant silpnam „prieblandos“ apšvietimui) yra atsakingas už naktinį matymą, o dienos „spalvų matymo“ (ryškaus apšvietimo) metu jis suyra ir jo jautrumo maksimumas pasislenka į mėlyną sritį. . Esant pakankamam apšvietimui, strypas veikia kartu su kūgiu, nes yra mėlynos spektro srities imtuvas. . Visiškas rodopsino atstatymas žmonėms trunka apie 30 minučių.

Rodopsinas ir regėjimas

Laboratorija paskęsta tamsoje. Tik dviejuose didžiojo kambario kampuose, išklotuose instrumentų lentynomis, žibintai silpnai šviečia raudona šviesa, kurią dažniau būtų galima pamatyti fotografo kambaryje. Pripratęs prie tamsos, pradedi atskirti žmonių veidus, apšviestus žalsvai mirgančia šviesa, sklindančia iš osciloskopų ir kompiuterių ekranų. Vyksta vizualinio rodopsino eksperimentas.

Taip, mes kada nors turėjome išspręsti šią problemą. Galų gale, jei tiek daug pastangų buvo skirta bakteriorodopsinui, kyla didelė pagunda tą pačią įrangą pritaikyti savo gyvūno atitikmeniui, juolab kad su juo siejama viena seniausių ir nuostabiausių fiziologijos paslapčių.

Gyvūninis rodopsinas buvo atrastas šimtu metų anksčiau nei bakterinis rodopsinas. Ir vis dėlto iki šiol daug ko nežinome apie jo funkciją. Taigi ar neverta lyginti šių dviejų rodopsinų, nes bakterijų baltymo funkcija yra tvirtai nustatyta?

Bet ką bendro gali turėti protonų 4 srovės generatorius halofilinių bakterijų membranoje ir vizualiai violetinė spalva tinklainėje?

Abu rodopsinus skiria didžiulis atstumas. Ir vis dėlto, pasirodo, jie labai panašūs! Štai pagrindiniai šio panašumo bruožai. Abu baltymai susidoroja su šviesa, abu sugeria šią šviesą su tinklaine, kuri yra prijungta prie baltymo per aldiminą. Abiem atvejais šis aldiminas yra protonuojamas tamsoje ir deprotonuojamas veikiant šviesos kvantui, sukeldamas tinklainės izomerizaciją. Be viso to, abu yra membraniniai baltymai, supakuoti taip, kad du polipeptidinės grandinės galai išsikištų priešingose ​​membranos pusėse. Abiejų rodopsinų polipeptidinėse grandinėse yra daug spiralinių sričių.

Rodopsinas ir regėjimas

Pasirodo, gyvūnų ir bakterijų rodopsinai iš tikrųjų yra dvyniai! Kaip tai galima suderinti su tuo, kad pirmasis yra susijęs su gyvūnų regėjimu, o kitas - su bakterijų energijos tiekimu? Žinoma, būna, kad dvyniai patys pasirenka skirtingas profesijas. Tačiau tai gali įvykti tik esant ekstremalioms gyvenimo aplinkybėms, teigia Minesotos Dvynių tyrimų centro ekspertai. Paprastai dvyniai atsiduoda panašioms veiklos sritims.

Taigi, galbūt vizualinis rodopsinas yra fotoelektrinis generatorius, kaip bakteriorodopsinas?

Iš pirmo žvilgsnio tokia mintis gali pasirodyti keista dėl vienos paprastos priežasties: vizualinis rodopsinas, sugėręs kvantą, užsidega tik vieną kartą. Skirtingai nei bakterinis rodopsinas, veikiamas šviesos negrįžtamai pakinta spalva ir praranda tinklainės likučius, kurie patenka į vandenį. Spalvoto rodopsino regeneracija trunka kelias minutes, todėl jo negalima palyginti su bakteriorodopsino ciklu, matuojamu milisekundėmis. Akivaizdu, kad gyvūninis rodopsinas, priešingai nei bakterinis rodopsinas, nesugeba generuoti stabilios srovės.

Ir vis dėlto tam tikras fotoelektrinis aktyvumas taip pat būdingas regimajam rodopsinui. Dar 1964 metais K. Brownas ir M. Murakami aprašė labai greitą dviejų fazių potencialų skirtumo poslinkį tinklainės fotoreceptorinės ląstelės membranoje, kai buvo įjungta šviesa. Pirmoji fazė įvyko per trumpesnį nei mikrosekundės laiką ir galėjo būti siejama tik su pačiu pirmuoju fotoreceptorių sistemos dalyviu, ty su rodopsinu. Antroji fazė vystėsi milisekundės mastu. Jis buvo nukreiptas priešingai nei pirmasis etapas. Fiziologai efektui (jis buvo vadinamas ankstyvuoju receptorių potencialu, sutrumpintai RRP) neteikė didelės reikšmės dėl mažos amplitudės: net ir esant galingam apšvietimui potencialas neviršijo dviejų-trijų milivoltų.

Susidomėjimas RRP vėl kilo, kai buvo įrodyta, kad bakteriorodopsino funkcija yra generuoti potencialą ir srovę. 1977 metais M. Montalis pranešė apie fotoelektrinį efektą švitinant tefloninę plėvelę, padengtą gyvuliniu rodopsinu. Potencialas dar buvo mažas.

Vienu metu ir savarankiškai M. Ostrovskis su kolegomis iš Maskvos Cheminės fizikos instituto bandė pritaikyti mūsų metodą, naudojamą bakteriorodopsino elektrinei fotoreakcijai registruoti, gyvūnų rodopsinui. Porėtas filtras buvo impregnuotas fosfolipidų tirpalu, tada vienoje pusėje buvo pridėti fotoreceptorių diskai - plokščios membranos pūslelės, kurios užpildo tinklainės lazdelių ląsteles. Būtent diskų membranoje yra sutelkta didžioji dalis rodopsino atsargų. Esant kalcio jonams, diskai buvo priklijuoti prie filtro, po to buvo įjungta šviesa.

Kaip parodė matavimai, tokioje sistemoje galima gauti didelį fotoelektrinį efektą (apie 20 milivoltų). Tiesa, laikui bėgant potencialas greitai sumažėjo ir visiškai išnyko praėjus kelioms sekundėms įjungus šviesą. Tačiau tokia dinamika paprastai nestebina, nes rodopsino spalva šviesoje negrįžtamai pakinta.

Deja, vien tik fakto, kad susidaro potencialų skirtumas veikiant baltymo sugeriamai šviesai, dar nepakanka daryti išvadą, kad šio baltymo funkcija yra sumažinta iki šviesos energijos pavertimo elektros energija. Pavyzdžiui, amerikiečių biofizikas X. Tienas aprašė fotoelektrinį efektą, kai ultravioletiniais spinduliais apšvitinama plokščia fosfolipidų membrana, sugėrusi chimotripsiną – virškinimo fermentą, kuris neturi nieko bendra su šviesos energijos transformacijos procesais, jau vien dėl to, kad veikia visiškai. tamsa – žarnyne.

Matyt, šviesa sukėlė kai kurių įkrautų grupių judėjimą chimotripsino molekulėje, dėl ko atsirado potencialas.

Šio tipo fotoefektai atsiranda įjungus šviesą ir greitai išnyksta apšvietimo metu, nes sistemoje nėra tikro krūvio perdavimo per membraną ir nuolatinės srovės generavimo. Nenuostabu, kad fotoelektrinis efektas Tieno eksperimentuose su chimotripsinu buvo mažas – vos keli milivoltai.

Ostrovskio eksperimentuose rodopsino elektrinis atsakas į apšvietimą buvo kelis kartus didesnis nei Thien. Ir vis dėlto „a la Tien“ artefakto pavojus išliko.

Norėdami suprasti šį klausimą, nusprendėme ištirti vizualinio rodopsino potencialo formavimosi dinamiką tomis pačiomis sąlygomis, kurios buvo naudojamos bakteriorodopsinui.

Eksperimentas truko dvi dienas. Ji prasidėjo M.Ostrovskio laboratorijoje, kur ryte iš mėsos kombinato buvo atvežta šešiasdešimt akių ką tik paskerstų bulių. Iš akių išpjaustytos tinklainės, atskirti išoriniai lazdelių ląstelių segmentai ir iš šių segmentų gauti fotoreceptorių diskai, kurių membranoje buvo lokalizuotas rodopsinas. Visa tai užtruko vieną dieną. Kitą rytą mūsų laboratorijoje pasirodė energingas juodbarzdis su lagaminu. Visada su entuziazmu pasitikdavome jo atvykimą.

Griša Kalamkarovas! Su diskais! - koridoriuje šūktelėjo pirmas žmogus, atsidūręs vyro su lagaminu keliu.

Kalamkarovo atvykimas reiškė, kad eksperimentas įvyks. Jos dalyviai rinkosi į 434 kab.: L. ir A. Drachevai, A. Kaulen.

Visų pirma, langai buvo sandariai uždengti užuolaidomis ir degė raudonos lempos. Rodopsinas bijo baltos šviesos. Užtenka vieną kartą apšviesti diskus – ir visos patirties nebėra! Štai kodėl darbas su gyvūniniu rodopsinu išoriškai primena kažkokį sakramentą, atliekamą raudonoje prieblandoje. Raudona šviesa rodopsino nesugeria, todėl yra jam saugi.

Kaulenas prideda diskų suspensiją į ląstelę, padalytą į du skyrius kolodijaus plėvele, anksčiau impregnuotą fosfolipido tirpalu dekane. Po to seka dvi valandos kankinančio laukimo: netyčia susidūrę su kolodijaus plėvele, prie jos prilimpa diskai. Reikia palaukti, kol visas plėvelės paviršius pasidengs diskelių sluoksniu.

Ir galiausiai prie mano kabineto durų pasirodo stambi Kauleno figūra. Ilgai laukiau šios akimirkos, žiūrėdama į laikrodį: nekantrumas patirtiems trukdo klausytis priešais patogiai ir, regis, ilgai sėdinčio pašnekovo.

Vladimirai Petrovičiau, pradėkime“, – sako Kaulenas, atrodytų, abejingas. Tačiau žinau, kad jis nekantrauja kuo greičiau pradėti verslą.

Na, pokalbio pabaiga! Patirtis prasideda!

Kažkaip pasirodė, kad eksperimentai su gyvūniniu rodopsinu tapo ypač įdomūs mums visiems: Drachevams, Kaulenams, Ostrovskiams, Kalamkarovams.

Greičiausiai taip nutiko todėl, kad nuo pat pirmos dienos ant mūsų pasipylė nauji stebėjimai, kuriuos A. Drachevas tuoj pat apdorojo kompiuteriu, todėl kone kiekvienas eksperimentas iš esmės pasirodydavo nedideliu, bet išbaigtu moksliniu darbu. Tada eksperimentą teko kartoti kelis kartus, o tada bent jau atsisėsti ir parašyti straipsnį.

Bet tada nesiekėme pasikartojimų, nerašėme straipsnių, o atlikome vis naujus eksperimentus, kurių idėja kilo iš ką tik gauto rezultato. Eksperimentas mus vedė, bet kur? Mes tikėjome: atskleisti regėjimo rodopsino paslaptį, taigi ir išspręsti pirminio regėjimo mechanizmo problemą.

Ventiliatorius kažkur lazerio instaliacijos pilve murkia vienoje natoje. Kompiuteris paslaptingai bakstelėja: A. Drachevas ir aparatas veda kurčiųjų dialogą. Kompiuteris karts nuo karto atspausdina ekrane atsakymus į žmogaus klausimus ir savo klausimus jam.

Kaulenas paspaudžia mygtuką – lazerio blykstė. Akinantis žalias spindulys nulėkė link kameros su kolodijaus plėvele ir diskais. Tą pačią sekundę osciloskopo ekrane pasirodė sudėtinga kreivė: labai greitai žemyn, tada lėtai aukštyn ir labai lėtai toliau.

„Labai greitas“ yra greitesnis nei 0,2 mikrosekundės. „Lėčiau“ - 500 mikrosekundžių. „Labai (!) lėtai“ - 10 milisekundžių.

Taigi tai yra trys bakteriorodopsino fotoelektrinio poveikio fazės!

Iš tiesų, dviejų rodopsinų atsakų panašumas yra nepaprastas! Tik gerai įsižiūrėję ir pasitarę su kompiuteriu pastebime juos išskiriančią detalę: gyvūniniame rodopsine potencialo didėjimas antroje fazėje pasirodo lėtesnis nei bakterinio rodopsino. Likusi dalis yra visiškai panaši.

Panašiai pasirodė: fazių kryptis (pirmoji yra priešinga antrajai ir trečiajai), šių fazių amplitudės santykis (amplitudė didėja nuo pirmos fazės iki trečiosios), bendras fazių dydis. atsakas, potencialo nykimo greitis, krūvių judėjimo per membraną kryptis.

Visi šie parametrai yra tarsi generatoriaus baltymo pasas. Jie priklauso nuo generatoriaus konstrukcijos. Todėl skirtingi baltymai turi turėti skirtingus „paso duomenis“. Tai galėjome patikrinti dar prieš eksperimentus su regimuoju rodopsinu, kai tyrinėjome fotosintetinių bakterijų chlorofilo-baltymų kompleksus.

Štai rodikliai, apibūdinantys chlorofilo-baltymų sistemą tokiomis pat sąlygomis, kokias naudojome rodopsinams: buvo aptiktos tik dvi vienakryptės fotopotencijos augimo fazės, o pirmoji fazė (greitesnė nei 0,2 mikrosekundės) buvo daug didesnė amplitudė nei antroji ( 20 mikrosekundžių). Pridėjus kai kuriuos dirbtinius elektronų nešiklius, atsirado kita fazė, nedidelė amplitudė, nukreipta ta pačia kryptimi. Fotopotencialo nykimo metu dominavo komponentas, kurio laikas buvo apie 30 milisekundžių. (Rodopsinų atveju tai sekundė.) Kaip matyti, šie parametrai smarkiai skyrėsi nuo tų, kurie buvo atrasti tiriant bakterinius ir gyvūninius rodopsinus.

Taigi abu rodopsinai suteikia fotoelektrinius atsakus, kurių charakteristikos yra artimos arba tiesiog tokios pačios. Kadangi bakteriorodopsino funkcija yra paversti šviesos energiją į elektrinę formą, kyla pagunda manyti, kad nežinoma gyvūninio rodopsino funkcija taip pat yra gaminti elektros energiją iš šviesos. Būtent šią darbinę hipotezę patvirtinome po to, kai buvome įsitikinę dviejų rodopsinų „paso duomenų“ panašumu.

Bakterijose šviesoje generuojama elektra naudojama ATP sintezei, jonams pernešti ląstelės viduje, bakterijų žvyneliams sukti ir kt. Bet kam mums reikalinga elektros energija regėjimui?

Bene nuostabiausia regėjimo savybė yra ta, kad lazdelinę ląstelę gali sužadinti vienas šviesos kvantas. Aišku, kad tokia maža energijos dalis gali aktyvuoti sužadinimo mechanizmą tik tuo atveju, jei šviesos duodama komanda padauginama.

Yra keletas konkuruojančių hipotezių apie šviesos signalo sklidimo būdą. Mes apsigyvenome prie vieno iš jų, vadinamojo kalcio. Kalcio jonai kaupiasi fotoreceptorių diskuose lazdelės ląstelės viduje (tikriausiai dėl ATP energijos). Kai į disko membraną įterpta rodopsino molekulė sugeria šviesos kvantą, šios membranos laidumas jonams, ypač kalciui, padidėja. Kalcio jonai palieka diską, kur jų yra daug, į diską supančią citoplazmą, kur jų yra mažai. Šviesa tarsi padaro skylę diske ir šis kalcio maišelis pradeda „nutekėti“.

Kadangi diske yra daug kalcio jonų ir visi jie gali „ištekėti“ per vieną šviesos kvanto padarytą skylę, signalas „padaugėja“: vienas kvantinis sukelia išsiskyrimą į citoplazmą daug kalcio jonai.

Kita prielaida, kad išsiskyręs kalcis pasiekia išorinę ląstelės membraną ir uždaro joje esančius natrio kanalus. Na+ katijonas nustoja patekti į ląstelę, todėl padidėja intraląstelinio turinio elektronegatyvumas tarpląstelinės aplinkos atžvilgiu. Šis membranos potencialo padidėjimas (minus ląstelės viduje) yra sužadinimas. Tada žinia apie šį įvykį bus perduota į regos nervo galus ir toliau palei nervą į smegenis.

Kai kurie šios schemos aspektai buvo įrodyti. Taigi žinoma, kad tamsoje diskuose susikaupę kalcio jonai išeina veikiami šviesos; kad į ląstelę patekęs kalcis uždaro natrio kanalus, sukeldamas ląstelės membranos hiperpoliarizaciją ir sužadinimą; kad be kalcio sužadinimas neįmanomas ir kt.

Visiškai neaišku liko tik pirmasis visos šios ilgos įvykių grandinės etapas: kodėl šviesos kvanto sugertis padidina disko membranos pralaidumą ir ar tai vyksta pakankamai greitai (visas vizualinis veiksmas nuo kvanto sugerties). regėjimo centro sužadinimas smegenyse užtrunka apie 100 milisekundžių, todėl bet kokie į signalo perdavimą įtraukti procesai turi įvykti greičiau nei per 100 milisekundžių)?

Netikėtai patys gavome atsakymą į antrąjį iš pateiktų klausimų: ar veikiant šviesai greitai didėja membranos laidumas?

Mūsų pirmtakai M. Montalis, W. Hagensas (regėjimo „kalcio“ hipotezės autorius) ir kiti naudojo per lėtus matavimo metodus. Mūsų eksperimentuose fotopotencialų nykimo greitis po lazerio blykstės pasirodė esąs greitas ir jautrus membranos laidumo rodiklis. Kuo didesnis laidumas, tuo greičiau mažėja fotopotencialas, o tai nenuostabu: „nesandari“ membrana negali išlaikyti potencialų skirtumo išjungus generatorių.

Eksperimentai parodė, kad lėčiausiai potencialas mažėja per pirmąjį šviesos blyksnį. Jau antrasis blyksnis duoda greitesnį nuosmukį, o iki dvyliktos fotopotencialo mažėjimas paspartėja apie šimtą kartų. Ir štai paaiškėjo, kad šis efektas (smukimo pagreitis) išsivysto per trumpesnį nei 100 milisekundžių laikotarpį. Todėl laidumo padidėjimas iš tiesų gali dalyvauti pagrindinėje regėjimo proceso įvykių grandinėje.

Įdomu tai, kad fotopotencialo mažėjimo pagreitis buvo atrastas kompiuterio dėka. Pasikartojantys blyksniai labai sumažina fotopotencialo amplitudę (su kiekvienu paskesniu blyksniu vis didesnė rodopsino dalis išbalinama, tai yra išimama iš žaidimo). Nuosmukio pagreičio staigiai sumažėjus paties efekto amplitudei galėjome ir nepastebėti, juolab kad iš pradžių niekas negalvojo apie nuosmukio dinamikos analizę: visas dėmesys buvo nukreiptas į pačios potencialios kartos poveikį. .

A. Drachevas, bandydamas įvairius fotoelektrinio efekto skaičiavimo variantus, kartą paprašė mašinos normalizuoti rodopsino elektrines reakcijas pagal jų amplitudę. Ir iškart buvo nustatyta, kad su kiekvienu paskesniu protrūkiu potencialo mažėjimas paspartėjo.

Taigi, buvo akivaizdūs du nauji faktai: vienas rodopsino įjungimas, pirma, sukelia potencialų skirtumą ant disko membranos ir, antra, labai greitai padidina tos pačios membranos pralaidumą.

Antrasis iš šių poveikių yra ne kas kita, kaip barjero, laikančio kalcio jonus disko viduje, pažeidimas. Kalcio išsiskyrimas iš disko į citoplazmą, remiantis „kalcio“ hipoteze, yra vienas iš regėjimo veiksmo etapų. Bet kodėl pralaidumas didėja ir ką reiškia pirmasis efektas – potencialų skirtumo generavimas?

Ką daryti, jei pirmasis poveikis yra priežastis, o antrasis yra pasekmė? Juk būna atvejų, kai potencialų skirtumas ant membranos kontroliuoja jos pralaidumą, atveria jonų kanalus. Būtent taip veikia elektriškai sužadinamos membranos (pavyzdžiui, nervinio pluošto membrana – aksonas). Yra dar vienas membranų tipas – chemiškai sužadinamas, kai jonų kanalai atsiveria veikiant specialiiems cheminiams junginiams – mediatoriams. Tokio tipo pavyzdys būtų nervų galūnės membrana.

Taigi, galbūt disko membrana priklauso elektriškai sužadinamų klasei? Tada paslaptinga gyvūninio rodopsino funkcija niekuo nesiskiria nuo jau žinomos bakteriorodopsino funkcijos: tai elektros gamyba dėl šviesos. Skirtumas tarp dviejų sistemų bus tik tolesnis rodopsinų gaunamos elektros likimas. Bakterijose šviesos sukuriamas potencialų skirtumas naudojamas ATP sintezei ir kitokio tipo ląstelių darbui užtikrinti, o fotoreceptorių diskuose šis potencialų skirtumas atveria kažkokius vartus membranoje, pro kuriuos vėliau iš disko išeina kalcio jonai.

Ar tikrai sugyvenome? Taip, dabar, matyt, galime paaiškinti visas pagrindines bylos aplinkybes.

Aišku, kodėl abu rodopsinai tokie panašūs: juk jie turi bendrą funkciją! Arba kodėl šviesoje iš diskų išsiskiria kalcis: rodopsino suformuotas laukas nukerta kelią šiam jonui membranoje. Taip pat aišku, kokia buvo mūsų pirmtakų gedimų priežastis: nors rodopsino generatorių „paso duomenys“ liko nežinomi, nebuvo jokios priežasties vizualiniam rodopsinui priskirti funkciją, kuri buvo nustatyta bakteriniam rodopsinui.

Kas mane paims...

Tačiau ankstyvas tinklainės ląstelių (RRP) receptorių potencialas buvo aptiktas dar prieš bakteriorodopsino atradimą, ir buvo pagrindo šį RRP priskirti rodopsinui. Taigi kodėl fiziologai nedvejodami klasifikavo fotoreceptorių membraną kaip elektriškai sužadinamą?

Šiandien galime atsakyti į šį klausimą. Laimikis buvo maža fotopotencialo vertė. RPP net esant stipriam apšvietimui neviršijo kelių milivoltų. Tačiau sužadinti užtenka vieno šviesos kvanto. Skaičiavimai rodo, kad net pavertus visą šio kvanto energiją į elektrą, potencialų skirtumas ant disko membranos neviršys 10 mikrovoltų, darant prielaidą, kad jis yra delokalizuotas visame diske. Tai nedidelė suma, jei norite nuveikti ką nors naudingo.

Bet kas sakė, kad rodopsino potencialas pirmiausia delokalizuojasi, pasklinda po visą diską ir tada veikia? Kodėl gi ne dirbti su vietiniu lauku, kuris atsiranda membranos taške, kur rodopsinas perneša krūvį per membraną?

Tas pats skaičiavimas vietiniam laukui suteikia didžiulę vertę - apie 2 voltus. Net jei imsime rodopsino generatoriaus efektyvumą tik 10 procentų, vietinis laukas bus apie 200 milivoltų. Šio potencialo skirtumo daugiau nei pakanka kalcio kanalui atidaryti, ypač jei jis yra pačioje rodopsino molekulėje.

Vienintelė sąlyga mechanizmui, kuris naudoja vietinį lauką, yra greitis: jis turi veikti, kol laukas neišplito po diską. Kaip pasiekti maksimalų našumą? Turite turėti paruoštą ne itin sudėtingą įrenginį, kuris tinkamai reaguotų į lauko išvaizdą.

Kas lengviau: sukurti konkretų kanalą ar sulaužyti barjerą? Žinoma, antrasis. Lūžti nėra statyba.

Mūsų hipotezė yra ta, kad rodopsino molekulės sukuriamas laukas sukelia elektros gedimą pačioje membranos vietoje, kurioje yra ši molekulė. Sugedimas reiškia padidėjusį membranos pralaidumą. Būtent šis poveikis lemia kalcio jonų nutekėjimą iš disko.

Įdomu, kaip gamta aukoja nedidelius aspektus, kad išspręstų pagrindinę problemą. Fotorecepcija yra viena jautriausių ir greičiausių organizmo sistemų. Jis reaguoja į tokį silpną poveikį kaip vieno šviesos kvanto sugertis, o pirminis atsakas į šviesą išsivysto per rekordiškai trumpą laiką. Ir šios dvi pagrindinės charakteristikos: jautrumas ir greitis - paaukoti kitus mechanizmo parametrus, kurie pasirodo ne tokie tobuli, lyginant su kitais tokio tipo įrenginiais.

Taigi membranos laidumas, atsirandantis šviesoje, nėra selektyvus kalcio jonams, o tai suprantama, jei kalbame apie tokį grubų membranos barjero pažeidimą kaip elektros gedimas. Tuo pačiu metu įprastų sužadinamųjų membranų jonų kanalai yra selektyvūs, tai yra, jie labai išrankūs jonų, judančių per membraną, tipui. Fotoreceptorių diskui toks laisvumas nėra problema, nes kalcis yra vienintelė jonų rūšis, kuri kaupiasi disko viduje.

Kitas tos pačios rūšies pavyzdys. Vieną kartą padirbęs, gyvūnų rodopsinas netenka chromoforo, tinklainės, todėl laikinai sugenda. Vėlesniam funkcinio rodopsino regeneravimui reikalinga speciali fermentų sistema. Palyginimui prisiminkime bakteriorodopsiną, kuriame atvirkštinė tinklainės izomerizacija vyksta spontaniškai, todėl baltymas niekada nepraranda chromoforo.

Ir vėl, kaip ir jonų selektyvumo atveju, šis netobulumas pasirodo esąs nereikšmingas, kad vizualinis rodopsinas galėtų atlikti savo pagrindinę funkciją. Tikimybė, kad antras šviesos kvantas atsitrenks į tą pačią rodopsino molekulę, yra tokia maža, kad sudėtingas aktyvaus rodopsino regeneracijos mechanizmas apskritai neturėtų labai apsunkinti fotoreceptorių ląstelės darbo natūraliomis mūsų gyvenimo sąlygomis.

Vienintelis apribojimas – neturėtumėte ilgai žiūrėti tiesiai į saulę, nes kitaip rodopsino spalva pasikeis ir akimirksniu praras regėjimas. Tačiau kyla klausimas, kokia priežastis ilgai spoksoti į savo šviesulį ir ar tai didelė problema, jei rodopsinas tam nepritaikytas?

Taip, atrodo, kad viskas remiasi hipoteze, kad bakterinis ir gyvūninis rodopsinas skiriasi tik nedideliais aspektais ir iš esmės yra panašūs, iš esmės atlieka tą patį vaidmenį kaip fotoelektriniai energijos keitikliai.

„Eksperimentuotojui... daug labiau apsimoka dirbti su blogomis hipotezėmis nei išvis be hipotezių, kai nežinia, ką reikia patikrinti“, – rašė mūsų žinomas biologas N. Kolcovas.

Jei hipotezė mums padėjo praktiškai, esame jai dėkingi. Tačiau nereikėtų leisti, kad dėkingumo jausmas, kuris paprastai yra gana pagrįstas, išsivystytų į aklą prieraišumą.

Čia galima prisiminti senovės induistų pasaką, kurią E. Ruckeris prikėlė mums savo straipsnyje apie bioenergijos istoriją. Vieną dieną liūtas užpuolė žmogų. Bėgdamas nuo jo vyras puolė prie upės ir įšoko į valtį, kuri atsitiktinai buvo netoli kranto. Tada jis buvo toks dėkingas šiai valčiai, kad visą likusį gyvenimą nešiojo ją ant nugaros.

Hipotezė pasiteisina, jei jos prognozės išsipildo. Iki šiol „elektrinis“ rodopsino modelis pasitvirtino. Kas bus toliau?..

Vladimiras Petrovičius, pradėkime! - flegmatiškai sako Kaulenas, žiūrėdamas į mano kabinetą.

Jau laikas! Šiandien atliekame tokį eksperimentą...