«МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3 томах 3 Перевод с английского канд. биол. наук В. П. Коржа, канд. биол. наук Н.В. Сониной, ...»

У высших позвоночных все волосковые клетки находятся в эпителии перепончатого лабиринта внутреннего уха, где они образуют отдельные группы, или «пятна». Волосковые клетки каждой группы закреплены на месте с помощью промежуточных поддерживающих клеток, а сверху над ними нависает слой студенистого внеклеточного матрикса, соединенный с кончиками стереоцилий (рис. 19-46). При смещении слоя матрикса стереоцилий наклоняются, и в результате механической деформации волосковых клеток в них создается рецепторный потенциал (рис. 19Специфические функции различных групп волосковых клеток определяются главным образом природой структур, которые окружают эти клетки и через которые передается силовое воздействие. В случае волосковых клеток, реагирующих на линейное ускорение и силу тяжести, нависающий матрикс оттягивается вниз благодаря плотным кристаллам карбоната кальция: при ускоренном движении головы или ее наклоне матрикс смещается относительно волосковых клеток и стереоцилий Рис. 19-45. А. Микрофотография сенсорной волосковой клетки, выделенной из внутреннего уха лягушки-быка. Можно видеть пучок стереоцилий, расположенный на верхушке клетки. Б. Микрофотография (полученная при малом увеличении с помощью трансмиссионного электронного микроскопа) волосковой клетки в естественном окружении опорных клеток. (A.J. Hudspeth, Science, 230, 745-752, 1985. Copyright 1985 by the Рис. 19-46. Схематический поперечный разрез органа слуха (кортиева органа) во внутреннем ухе млекопитающих. Видно, что слуховые волосковые клетки находятся внутри сложных структур, образуемых опорными клетками; над слуховыми клетками нависает текториальная мембрана (слой внеклеточного матрикса). Полагают, что внутренние волосковые клетки ответственны в основном за слух - благодаря особому механизму преобразования, описанному в тексте. Эти клетки образуют синапсы с нейронами, передающими слуховые сигналы от уха к мозгу. В отличие от этого наружные волосковые клетки богато иннервированы дополнительной группой аксонов, передающих сигналы от мозга; функция этих клеток все еще загадочна. Имеются данные, позволяющие предполагать, что наружные волосковые клетки способны каким-то образом действовать как преобразователи в обратном направлении и составляют часть системы обратной связи, регулирующей передачу механических стимулов сгибаются. В отличие от этого волосковые клетки, чувствительные к вращательному ускорению, расположены так, что при повороте головы на нависающий матрикс воздействует боковая сила, вызванная током жидкости в полукружных каналах внутренного уха.

Волосковые клетки, улавливающие звук в ухе млекопитающего, образуют наиболее сложно организованную систему (рис. 19-46).

Слуховые волосковые клетки располагаются рядами на базилярной мембране - узкой и длинной упругой перегородке между двумя заполненными жидкостью спиральными каналами, идущими параллельно в особом отделе внутреннего уха, называемом улиткой. Звуковые волны вызывают вибрацию барабанной перепонки, и через крошечные косточки среднего уха эта вибрация передается жидкости в каналах улитки и далее базилярной мембране, колебания которой заставляют стереоцилии слуховых волосковых клеток наклоняться. Благодаря особому устройству улитки, разные участки которой резонируют в разной степени в зависимости от частоты звуковых волн, распределение активируемых волосковых клеток доставляет информацию о высоте звука.

Рис. 19-47. Здесь показано, каким образом движение нависающего слоя внеклеточного матрикса (текториальной мембраны) отклоняет стереоцилии слуховых волосковых клеток во внутреннем ухе млекопитающих. Стереоцилии ведут себя как жесткие палочки с «шарнирным» прикреплением у основания. Верхушки пучков стереоцилии способны механически взаимодействовать с нависающим матриксом, либо непосредственно соприкасаясь с ним, либо через вязкую жидкость, находящуюся в промежутке между ними.

19.6.3. При наклоне пучков стереоцилий открываются механически регулируемые катионные каналы в их кончиках [40, 41] При резком сдвиге слоя матрикса, нависающего над группой волосковых клеток, стереоцилий отклоняются в сторону на несколько градусов: при этом проницаемость клеточной мембраны изменяется и возникает направленный внутрь клетки ток, называемый рецепторным током (рис. 19-48). Величина ответа выходит на плато через 100-500 мкс, что соответствует времени, необходимому для открытия ацетилхолинактивируемого катионного канала в нервно-мышечном соединении, но гораздо меньше, чем нужно для возникновения электрических изменений при активации любого из известных рецепторов, не связанных с каналами. Поэтому кажется весьма вероятным, что механический стимул непосредственно открывает ионный канал. Как показали эксперименты с изменением внеклеточных концентраций ионов, механически регулируемый ионный канал, подобно рецептору ацетилхолина, практически одинаково проницаем для всех небольших катионов, и проходящий через него ток образуют главным образом ионы калия. (Ионная среда внутри уха несколько необычна, и на мембране волосковой клетки создается большой электрохимический градиент К +.) Но в какой части волосковой клетки находятся такие каналы и как преобразование сигнала связано со сложным строением клетки?

На каждой клетке стереоцилий располагаются плотными рядами разной высоты (подобно трубам в органе) (см. рис. 19-45 и 19-49).

Позади середины самого высокого ряда часто имеется одна настоящая ресничка, или киноцилия, которая всегда присутствует в период развития, хотя не принимает участия в преобразовании сигнала и иногда потом исчезает (как у слуховых волосковых клеток млекопитающих). Если с помощью микрозонда отклонять стереоцилий, то они будут вести себя как упругие палочки, связанные в пучок; при этом каждая палочка поворачивается вокруг точки прикрепления к поверхности волосковой клетки и скользит относительно соседних палочек, так что и кончики стереоцилий смещаются относительно друг друга. Как показывает электронная микроскопия, помимо бокового сцепления, связывающего стереоцилий в пучок, имеются еще тонкие нити, направленные более или менее вертикально от верхушки каждой более короткой стереоцилий к расположенной выше точке на ближайшей более длинной стереоцилий (рис. 19-49). Как показали опыты с микроэлектродом, максимальная деполяризация мембраны волосковой клетки наблюдается при таком наклоне стереоцилий, когда тонкие вертикальные нити сильнее всего натянуты. По-видимому, трансмембранный ток, возникающий в резульРис. 19-48. Записи рецепторных токов (слева), входящих в волосковые клетки внутреннего уха лягушки-быка при внезапном отклонении пучков стереоцилий. Чем больше отклоняются стереоцилий, тем сильнее ток. (По данным D.P. Corey, A.J. Hudspeth, J. Neurosci., 3, 962-976, 1983.) Рис. 19-49. А. Микрофотография слуховой волосковой клетки млекопитающего, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Видны тонкие филаменты, идущие от верхушек коротких стереоцилий к более длинным стереоцилиям следующего ряда. Б. Те же структуры, как они видны в трансмиссионном электронном микроскопе. Стрелками показаны филаменты. (Б- фотография М. P. Osborne; А и Б воспроизведены с разрешения J. D. Pickles, Prog. Neurobiol., 24, 1-42, 1985. Copyright 1985, Pergamon Press plc.) тате наклона стереоцилий и приводящий к появлению рецепторного потенциала, поступает в волосковую клетку вблизи верхушки стереоцилий.

Таким образом, вся структура в целом предназначена для того, чтобы ионный канал на кончике стереоцилий открывался в результате механического натяжения, вызываемого наклоном пучка стереоцилий (рис. 19-50).

Механизм волосковых клеток удивительно чувствителен: самые слабые звуки из тех, какие мы только можем слышать, растягивают вертикальные нити, прикрепленные к верхушкам стереоцилий, в среднем на 0,04 нм, что вдвое меньше диаметра атома водорода. Анализ рецепторного тока показывает, что в стереоцилий, вероятно, находится от одного до пяти механически регулируемых каналов. Каждая слуховая волосковая клетка человека несет около сотни стереоцилий, а в одном ухе имеется около 3500 таких клеток, так что способность слышать нам обеспечивают менее 4 млн. молекул-преобразователей.

19.6.4. Фоторецепторы обладают высокой чувствительностью и способны к адаптации, но реагируют относительно медленно [42] Чувствительность фоторецепторов в глазах позвоночных приближается к крайнему пределу, допускаемому квантовой природой света.

Кроме того, диапазон восприятия чрезвычайно широк - от света максимальной переносимой яркости до едва заметного освещения. Но по сравнению со слуховыми преобразователями скорость реагирования фоторецепторов очень мала. При оптимальных условиях самому «быстрому»

фоторецептору человеческого глаза требуется примерно 25 мс для достижения пика электрической реакции на вспышку света, что более чем в раз больше времени реагирования типичной волосковой клетки. Вероятно, относительная медленность ответа фоторецептора связана с важными ограничениями, заложенными в природе механизма зрительного преобразования.

Рис. 19-50. Схема предполагаемого механизма, благодаря которому в результате наклона стереоцилий волосковой клетки открывается ионный канал. С помощью тонких механических измерений, подтверждаемых результатами регистрации электрического состояния одиночной волосковой клетки при отклонении пучка стереоцилий с помощью гибкого стеклянного зонда, можно действительно обнаружить ответ механически зависимых каналов на приложенную силу. С помощью этого метода можно показать, что сила, необходимая для открытия одного гипотетического канала, равна примерно 210-13 ньютонов и что его «ворота» при этом перемещаются на расстояние около 4 нм.

Рис. 19-51. Электрическая реакция палочки на одиночные фотоны. А. На микрофотографии показана методика проведения эксперимента.

Отпрепаровывают кусочек сетчатки жабы, и наружный сегмент одной палочки всасывают в отверстие стеклянной микро-пипетки, которая затем служит электродом для регистрации тока, проходящего через мембрану палочки. Б.

Запись изменений силы тока во время серии слабых вспышек света; число фотонов, поглощаемых клеткой при каждой вспышке, варьирует случайным образом, но оно всегда целое. Высокие пики на графике чаще всего соответствуют поглощению одного или двух фотонов, но многие вспышки не вызывают никакой реакции, так как поглощения фотонов не происходит. (D. A. Baylor et al, J. Physiol., 288, 589-611, 1979.) Рис. 19-52. Реакция палочки на освещение.

Фотоны поглощаются случайным образом молекулами родопсина, находящимися в наружном сегменте. Это приводит к плазматической мембране и снижению синаптического тельца.

выделение медиатора. При очень слабом фоновом освещении, когда клетка находится в наиболее чувствительном, «темноадаптированном»

состоянии, поглощение одного фотона снижает приток натрия на миллион или более ионов Na +, и гиперполяризация достигает ~1 мВ.

19.6.6. Фотоны изменяют конформацию молекул родопсина [43, 44] Каким образом свет первоначально воспринимается клеткой и какова цепь событий, приводящих к закрытию натриевых каналов?