В светочувствительных клетках свет поглощается молекулой ретиналя - пигмента, способного менять конформацию под действием света. Ретиналь нерастворим в воде, и, соответственно, во всех фоторецепторах молекула ретиналя утоплена внутри специального белка родопсина, находящегося внутри клеточной мембраны. Мы уже недавно говорили о бактериородопсине, участвующем в фотосинтезе у галобактерий и многих других морских бактерий.
Соответственно, поскольку родопсин - белок мембранный, светочувствительная клетка должна увеличить площадь поверхности своих светочувствительных участков.
Еще в 1965 г. было обнаружено, что все фоточувствительные клетки можно разделить на две группы: те, у которых мембранные выросты сделаны на основе микроворсинок, и те, у которых они сделаны на основе видоизмененных ресничек [2]. Реснички и микроворсинки похожи, и их часто путают, хотя в действительности это совсем разные клеточные органеллы. Реснички содержат внутри цитоскелет и предназначены для движения, микроворсинки не умеют двигаться, а предназначены для увеличения клеточной поверхности.
Вот здесь можно увидеть микроворсинки кишечного эпителия (фотография взята отсюда) и реснички и микроворсинки в эпителии трахеи (отсюда).
Соответственно, по-разному выглядят фоточувствительные клетки. Вот на картинке (отсюда) приведены два типа высокоразвитых светочувствительных клеток: на основе микроворсинок, как у дрозофилы, или на основе ресничек, как у позвоночных.
В 1965 г. считали, что все животные имеют либо один, либо другой тип фоторецепторов: насекомые или головоногие - на основе микроворсинок, а позвоночные - на основе ресничек. Но если посмотреть на более примитивных животных, окажется, что они сплошь и рядом имеют оба типа фоторецепторов, отличающихся по функции. У взрослых медуз есть только фоторецепторы ресничного типа, но у личинок, которые прикрепляются на дне моря в более темных местах, есть и фоторецепторы на основе микроворсинок.
На картинке [1] приведено распространение разных типов фоторецепторов среди многоклеточных. Рецепторы на основе микроворсинок обозначены голубым цветом, а на основе ресничек - розовым.
Два типа клеток отличаются по многим параметрам: структуре белка опсина (родопсин - это белок + ретиналь, а сам белок называется опсином), а главное, по механизму передачи сигнала.
Механизм передачи сигнала фоторецепторами на основе микроворсинок лучше всего изучен на дрозофиле. После получения кванта света ретиналь меняет конформацию, приводя к изменению структуры всего родопсина. Родопсин связывается с белком, который запускает каскад реакций, связанных с фосфолипазой С и вхождением кальция в цитоплазму.
Для нас важно, что кальций входит двумя волнами: первая, не очень большая, происходит из внутриклеточных запасов кальция - гладкого эндоплазматического ретикулума, а вторая, приходящая с некоторым запозданием, - извне через специальные ионные каналы TRP и TRPL.
Передача сигнала в фоторецепторах на основе микроворсинок [1]
Таким образом, даже очень слабый свет (даже один фотон) может благодаря каскаду с положительной обратной связью превращен в полноценный сигнал. Чувствительность фоторецепторов на основе микроворсинок намного превышает чувствительность фоторецепторов ресничного типа. Но за все приходится платить: такой сложный нелинейный каскад усиления приводит к сильной вариабельности сигнала на выходе. Кроме того, чтобы усиление сработало в полной мере, нужно относительно длительное время. У дрозофилы при очень слабом свете отставание составляет 30-100 миллисекунд, а у чемпиона ночного видения - ночного паука Cupiennius salei - сигнал в 20 раз сильнее, но задержка его достигает полсекунды [3].
С другой стороны, при достаточной освещенности кальциевый сигнал очень быстрый, и фоторецептор возвращается в рабочее состояние также очень быстро. У дрозофилы один фоторецептор содержит 40,000 микроворсинок, каждая из которых может воспринять по 10 фотонов/сек: таким образом, фоторецептор достигает насыщения при 400,000 фотонов/сек, что соответствует для размеров фоторецептора яркому солнечному свету. Таким образом, у фоторецепторов на основе микроворсинок колоссальный dynamic range в сотни тысяч раз. Кроме того, при достаточной освещенности рецептор дает гораздо лучшее разрешение по времени, чем рецепторы ресничного типа. Дрозофила способна распознать мигание света с частотой 300 гц, лучшие из позвоночных - птицы - распознают 140 гц. Мы с вами, как известно, не замечаем мелькания 24 кадров в секунду.
У фоторецепторов на основе микроворсинок есть и еще одно преимущество: их родопсин обладает свойством фоторегенерации. Иными словами, при достаточно ярком свете энергия света может непосредственно использоваться для возвращения родопсина в рабочее состояние.
У всех животных, у которых сосуществуют оба типа, фоторецепторы ресничного типа используются не для зрения, а для других целей: чтобы отличать день от ночи и тому подобное.
Передача сигнала в фоторецепторах на основе ресничек [1]
У рецепторов ресничного типа сигнал передается совсем другим способом: родопсин активирует G белок, в результате чего передается сигнал, связанный с циклическим GMP (cGMP). У высших позвоночных G белок трансдуцин активирует фермент фосфодиэстеразу и снижает количество cGMP. В темноте у рецепторов ресничного типа постоянно активируется cGMP-зависимый ионный канал, клетка постоянно деполяризуется и должна затрачивать энергию на реполяризацию.
А под действием света количество cGMP снижается, соответственно, активация ионного канала и деполяризация клетки.
У ланцетника есть оба типа фоторецепторов, играющих, судя по всему, разную роль. Но у миног появляется нечто новое: два разных вида фоторецепторов ресничного типа, аналог того, что у высших позвоночных называется палочками и колбочками. И, соответственно, исчезают рецепторы на основе микроворсинок. Таким образом, позвоночные отказались от фоторецепторов высокой чувствительности с огромным диапазоном чувствительности. Вместо этого они выбрали другое инженерное решение: сетчатку, объединяющую два типа клеток с разным диапазоном.
Какие преимущества есть у такой системы? Во-первых - экономия. Казалось бы, в темноте фоторецепторы ресничного типа расточительно деполяризуются просто так и затрачивают уйму энергии. Но, оказывается, и в фоторецепторах дрозофилы содержатся постоянно работающие ионные каналы и тоже нужно затрачивать энергию на поддержание клетки в рабочем состоянии. Короче, прямой подсчет показал, что в темноте фоторецепторы обоих типов затрачивают одинаковое количество энергии. Но при свете - фоторецепторы дрозофилы увеличивают затраты энергии в 5 раз, а фоторецепторы (палочки) позвоночных - снижают в 4 раза [4]!
Ну, и во-вторых - воспроизводимость. Я уже писал, что применяемый механизм усиления приводит к большой вариабельности сигнала на выходе. В отличие от этого, сигнал от фоторецепторов при определенной освещенности строго постоянный, и это, при несколько меньшей чувствительности, позволяет дальнейшим нейронам фильтровать сигналы ниже некоторого уровня шума, и благодаря этому получать лучшие результаты, чем с более чувствительными, но менее воспроизводимыми рецепторами.
- Fain, G.L. et al. (2010) Phototransduction and the Evolution of Photoreceptors. Curr. Biol. 20: R114–R124 (ссылка)
- Eakin R. M., (1965) Evolution of Photoreceptors. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 30: 363-370
- Pirhofer-Walzl, K., et al. (2007). Adaptations for vision in dim light: impulse responses and bumps in nocturnal spider photoreceptor cells (Cupiennius salei Keys). J. Comp. Physiol. A 193: 1081–1087
- Okawa, H. et al. (2008) ATP Consumption by Mammalian Rod Photoreceptors in Darkness and in Light. Curr. Biol. 18:1917–1921