Молекулярная физиология фоторецепции

Последовательность молекулярных событий в наружном сегменте палочки, ответственных за ее возбуждение, довольно сложна. При поглощении кванта света в молекуле зрительного пигмента происходит мгновенная изомеризация ее хромофорной группы: 11-цис-ретиналь выпрямляется и превращается в полностью транс-ретиналь. Эта реакция длится всего около 1 пс (1^-12 с [ошибка 10^-12 с]), а свет выполняет в ней роль спускового, или триггерного, фактора, запускающего механизм фоторецепции. Вслед за фотоизомеризацией ретиналя происходят пространственные изменения и в белковой части молекулы (опсин). В результате родопсин обесцвечивается и переходит в состояние метародопсина II. С этого момента молекула зрительного пигмента приобретает способность к взаимодействию с другим белком — трансдуцином (Т). В комплексе с метародопсином II трансдуцин переходит в активное состояние и обменивает связанный с ним в темноте гуанозиндифосфат (ГДФ) на гуанозинтрифосфат (ГТФ). Метародопсин II способен активировать около 500—1000 молекул трансдуцина, что приводит к усилению светового сигнала.

Это первый этап усиления светового сигнала в фоторецепторе. Активированная молекула трансдуцина в свою очередь активирует одну молекулу фермента фосфодиэстеразы (ФДЭ). Активированная ФДЭ с высокой скоростью разрушает молекулы циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ), причем каждая молекула ФДЭ разрушает несколько тысяч молекул цГМФ. Это второй этап усиления сигнала в механизме фоторецепции. В результате работы усилительного каскада в цитоплазме наружного сегмента рецептора падает концентрация свободного цГМФ. Это приводит к закрытию ионных каналов в плазматической мембране наружного сегмента, которые были открыты в темноте и через которые внутрь клетки входили Na⁺ и Са²⁺. Ионный канал закрывается вследствие того, что из-за падения концентрации свободного цГМФ в клетке от канала отходят молекулы цГМФ, которые были связаны с ним в темноте и держали его открытым.

Уменьшение входа Na⁺ внутрь наружного сегмента приводит к гиперполяризации его мембраны, т.е. возникновению на ней рецепторного потенциала. Градиенты концентрации Na⁺ и К⁺ поддерживаются на плазматической мембране палочки активной работой натрий-калиевого насоса, локализованного в мембране внутреннего сегмента. Гиперполяризацион[v13] ный рецепторный потенциал, возникший на мембране наружного сегмента, распространяется вдоль клетки до ее пресинаптического окончания и уменьшает скорость выделения медиатора (глутамат) [[18]]. Таким образом, фоторецепторный процесс завершается уменьшением скорости выделения нейромедиатора из пресинаптического окончания фоторецептора.

Не менее сложен и механизм восстановления исходного темнового состояния фоторецептора, т. е. его способности ответить на следующий световой стимул. Для этого необходимо вновь открыть ионные каналы в плазматической мембране. Открытое состояние канала обеспечивается его тесной связью с молекулами цГМФ, что обеспечивается повышением концентрации свободного цГМФ в цитоплазме. Через открытый канал внутрь клетки вновь начинают входить Na⁺ и Са²⁺, деполяризуя мембрану рецептора и переводя его в «темновое» состояние. Вследствие этого из пресинаптического окончания вновь ускоряется выход медиатора.