3.1.3. Электрофизиология фоторецепторов

Фотоизомеризация и мембранный потенциал. Проблема «посредника». Реакцией фоторецептора позвоночных на свет является гиперполяризация, возникающая в результате уменьшения проницаемости плазматической мембраны наружного сегмента для ионов До настоящего времени не выяснен механизм, посредством которого фотоиндуцированные превращения зрительного пигмента приводят к изменению натриевой проводимости (механизм «трансдукции»). Предполагается, что трансдукция осуществляется с помощью внутриклеточного химического посредника. Предположение возникло из чисто формальных требований динамической модели фотопотенциала [52], было подкреплено в дальнейшем рядом экспериментальных данных. Электронно-микроскопическими методами было обнаружено, что диски палочек, содержащие родопсин, структурно и электрически разобщены с плазматической мембраной (между ними в местах наиболее близкого смыкания). Таким образом,

требуется переносчик сигнала с диска на поверхностную мембрану. Статистический анализ темнового «электрического шума» в наружных сегментах рецепторов показал, что фотолиз одной молекулы пигмента приводит к закрытию 300-400 натриевых каналов в палочке и около 25 каналов в колбочке. Откуда следует, что одна молекула пигмента не может служить регулятором отдельного канала и необходим посредник, осуществляющий «размножение» сигнала. В начале 70-х годов на роль внутриклеточного посредника были предложены ионы кальция и циклические нуклеотиды (циклический аденозинмонофосфат - цАМФ, и циклический гуанозинмонофосфат - цГМФ). По «кальциевой гипотезе» свет вызывает выход из дисков в наружных сегментах палочек (вход ионов в наружные сегменты колбочек), который диффундирует к плазматической мембране и блокирует натриевые каналы. Светоиндуцированный выход ионов можно зарегистрировать кальцийчувствительными электродами. Повышение содержания на свету происходит довольно быстро и в количествах, достаточных для вызова ответа фоторецептора. Однако искусственно вызванные изменения концентрации не воспроизводят полностью влияния реального света на кинетику и чувствительность фоторецепторного потенциала. Поэтому кальциевую гипотезу безоговорочно принять невозможно.

Согласно другой, альтернативной, гипотезе в темноте цГМФ-(цАМФ) держит открытыми натриевые каналы и натрий входит в клетку. На свету распад пигмента активирует фосфодиэстера-зу, которая разрушает цГМФ (цАМФ), что сопровождается закрытием натриевых каналов и, как следствие, гиперполяризацией рецептора. Циклические нуклеотиды являются универсальными внутриклеточными посредниками в нервной системе — участвуют в синаптической передаче, рецепции гормонов, регуляции внутриклеточного кальция, фосфорилировании ферментов и сократительных белков. Обесцвечивание одной молекулы пигмента приводит к гидролизу 1000-2000 молекул цГМФ за 100-300мс, что сравнимо со временем развития рецепторного потенциала при пороговых интенсивностях света. Наружные сегменты фоторецепторов содержат фермент гуанилатциклазу, синтезирующую цГМФ из АТФ, и в небольших количествах — фермент аденил-атциклазу, опосредующую синтез из АТФ цАМФ. Однако проводимость натриевых каналов наружного сегмента палочки не зависит от концентрации цГМФ. С другой стороны, свет вызывает большие изменения в метаболизме молекул цГМФ, а экспериментально индуцированные изменения в метаболизме цГМФ оказывают большое влияние на кинетику и чувствительность реакции фоторецептора. Эти данные свидетельствуют о том, что синтез цГМФ может играть важную регуляторную роль в механизме генерации ответов фоторецепторов, даже если цГМФ сам по себе и не является посредником, контролирующим натриевые каналы. Наличие каскада ферментативных реакций,

регулирующих уровень цГМФ, показано только в палочках. В колбочках светорегулируемым является, по-видимому, цАМФ.

Ни «кальциевая», ни «цикло-нуклеотидная» гипотезы по отдельности не могут объяснить механизма трансдукции. Все больше данных в пользу их совместного действия. Согласно одной из последних гипотез [127] посредником в процессе трансдукции является кальций, высвобождение которого из дисков и обратный захват регулируются цМГФ как частью системы сервоконтроля.

Ионные механизмы реакций фоторецепторов. Структурное разделение рецепторов на наружный и внутренний сегменты соответствует функциональным различиям ионных каналов и механизмов их регуляции в наружном и внутреннем сегментах. Мембрана наружного сегмента рецептора позвоночных содержит только натриевые ионные каналы, управляемые светом через систему трансдукции. Мембрана внутреннего сегмента обладает селективной проницаемостью к ионам Калиевые каналы делятся на два типа: вольт-зависимые и -зависимые. Ионные каналы внутреннего сегмента отличаются от ионных каналов наружного сегмента тем, что они не чувствительны к свету и являются вольт-зависимыми. В мембране внутреннего сегмента имеется также натрий-калиевый насос.

В темноте мембрана фоторецептора максимально проницаема для ионов и значительно меньше для ионов что определяет темновой уровень мембранного потенциала в близкий к потенциалу равновесия возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). Темновой ток поддерживается непрерывной работой АТФ-зависимого натрий-калиевого насоса во внутреннем сегменте, закачивающего калий в клетку и выводящего натрий наружу. Ионы натрия входят в наружный сегмент, а ионы калия выходят из внутреннего в соответствии со своими электрохимическими градиентами (в палочках потенциал равновесия для равен для Суммарный темновой потенциал равномерно распределен по всей оси рецептора и имеет одно и то же значение в наружном и внутреннем сегменте. Мембранный потенциал рецептора в темноте равен:

где — потенциалы равновесия (потенциалы Нернста) для ионов натрия и калия соответственно. Сопротивление мембраны определяется как эквивалентное сопротивление натриевых и калиевых каналов:

Уравнение (3.1.1) и (3.1.2) следует из эквивалентной

электрической схемы фоторецепторной мембраны, составленной с учетом проводимости для двух основных потенциалобразующих ионов: калия и натрия. На свету внутренний трансдуктор («посредник»: , цГМФ или цАМФ) блокирует натриевые каналы наружного сегмента, что приводит к гиперполяризации рецептора, которая электротонически достигает внутреннего сегмента. Закрытие натриевых каналов сопровождается увеличением сопротивления мембраны наружного сегмента с в темноте до на свету. При уменьшении натриевой проводимости потенциал фоторецептора определяется в основном проводимостью по калию: действительно, при больших яркостях света, когда все натриевые каналы закрыты, мембранный потенциал рецептора близок к потенциалу Нернста для ионов калия. Изменение мембранного потенциала на свету — это результат не только блокады натриевых каналов наружного сегмента под воздействием света, но и последующего подключения вольт-зависимых кальциевых и калиевых ионных каналов мембраны внутреннего сегмента. Потенциал-зависимые кальциевые каналы имеют важное значение, поскольку вход кальция в пресинаптическую часть фоторецептора определяет выход медиатора. Фоторецептор реализует градуальное управление выходом медиатора. Гиперполяризация, вызванная светом, ведет к закрытию потенциал-зависимых кальциевых каналов и уменьшению концентрации свободного кальция в клетке, что в свою очередь уменьшает выход квантов медиатора из пресинаптической части рецептора.

Таким образом, гиперполяризационная реакция рецептора на свет является прекращением длящейся в темноте деполяризации мембраны. Необычность ситуации в том, что стимулом, возбуждающим фоторецептор (деполяризующим его), служит здесь не свет, а темнота. Это отличие его от рецепторов других модальностей у позвоночных, генерирующих рецепторный потенциал в виде деполяризации, а также от фоторецепторов беспозвоночных, реакция которых на свет носит деполяризационный характер. Различия в знаке реакции фоторецепторов позвоночных и беспозвоночных связывают с различиями в эволюционном развитии фоторецепторов разных типов: 1) рабдомерный тип фоторецептора у беспозвоночных (моллюски, черви, членистоногие) связан всегда с деполяризацией на свету и 2) ресничный (жгутиковый) тип фоторецепторов у позвоночных — с гиперполяризацией.