«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, ...»

Наружный сегмент, где происходят ключевые этапы преобразования светового сигнала, представляет собой цилиндр, содержащий около тысячи дисков, плотно упакованных в виде стопки (см. рис. 17-7). Каждый диск образован замктутой в пузырек мембраной, в которой находятся светочувствительные молекулы родопсина; плотность упаковки этих молекул составляет примерно 105 на 1 мкм2. Молекула родопсина состоит из трансмембранного гликопротеина опсина (длиной 348 аминокислотных остатков) и ковалентно связанной с ним простетической группы 11 -цисретиналя, который и поглощает свет. При поглощении фотона 11-цис-ретиналь почти мгновенно изомеризуется в полностью-транс-ретиналь, изменяя при этом свою форму, что приводит к более медленному изменению конформации опсина. Все эти события занимают около 1 мс. Затем примерно через 1 мин полностью-транс-ретиналь отделяется от опсина в результате гидролиза связи между ними и выходит в цитозоль, где в конце концов снова переходит в 1 1-цис-форму; последняя соединяется с опсином, и таким образом происходит регенерация светочувствительной молекулы родопсина. Именно раннее конформационное изменение родопсина, вызванное светом, приводит к закрытию натриевых каналов. Но поскольку родопсин находится в дисках, т. е. на некотором расстоянии от каналов, для сопряжения этих событий необходим «посредник».

19.6.7. К закрытию натриевых каналов плазматической мембраны приводит снижение уровня циклического GMP в цитоплазме фоторецепторных клеток, вызванное светом [43, 44, 45] При улавливании света палочкой происходит изменение внутриклеточной концентрации как Са2 +, так и cGMP, поэтому любая из этих молекул могла бы в принципе служить внутриклеточным посредником. С помощью метода исследования небольших участков мембраны (разд.

4.2.3) установлено, что ключевым сигналом служит падение концентрации циклического GMP в цитозоле. В решающем эксперименте небольшой участок мембраны наружного сегмента отсасывали с помощью микроэлектрода, и тогда внутренняя сторона этого участка становилась доступной для воздействий (рис. 19-53). Когда в среду, омывающую Рис. 19-53. Схема эксперимента, который показывает, что cGMP при его воздействии на плазматическую мембрану палочки со стороны цитоплазмы непосредственно контролирует открытие и закрытие ионных каналов. Относительно медленное увеличение и уменьшение тока при добавлении и удалении cGMP связано с тем, что для изменения состава омывающей среды требуется некоторое время. Скорость реакции каналов на cGMP слишком высока, чтобы ее можно было определить с помощью этой методики. (По Е. Е. Fesenko, S. S. Kolesnikov, A. L. Lyubarsky, Nature, Рис. 19-54. Каскад ферментативных реакций, приводящий к возникновению рецепторного потенциала после поглощения одного фотона палочкой, адаптированной к темноте. Расходящимися стрелками указаны этапы, на которых происходит усиление.

кусочек мембраны, вводили циклический GMP, а к мембране прикладывали разность электрохимических потенциалов, появлялся ток ионов Na+ после удаления циклического GMP ток прекращался, несмотря на высокую концентрацию Са2 +. Таким образом, сGМР открывает натриевые каналы, а свет, вызывающий снижение концентрации cGMP, закрывает эти каналы. Обычно эффекты циклических нуклеотидов реализуются через фосфорилирование определенных белков активированной протеинкиназой (разд. 12.3.14), однако в палочках cGMP воздействует прямо на натриевые каналы, не позволяя им закрываться. Но каким образом вызванное светом изменение конформации родопсина снижает концентрацию cGMP в цитозоле палочки?

Поглощение одного фотона одной молекулой родопсина приводит к гидролизу многих молекул cGMP. Такое усиление эффекта достигается благодаря каскаду ферментативных реакций. Одна молекула активированного родопсина катализирует активацию G-белка, называемого трансдуцином, с очень высокой скоростью - примерно 1000 молекул в секунду. Трансдуцин гомологичен GS-белку (разд. 12.3.4), который функционально сопрягает рецепторы с аденилатциклазой (а сам родопсин гомологичен таким рецепторам - см. разд. 12.3.12). Однако активированный трансдуцин не взаимодействует с аденилатциклазой, а активирует cGMP-фосфодиэстеразу, которая специфически гидролизует cGMP со скоростью около 4000 молекул в секунду, что приводит к быстрому снижению уровня cGMP. В результате всего этого каскада, занимающего примерно секунду, гидролизуется более 105 молекул cGMP на один поглощенный квант света, что приводит к кратковременному закрытию 250 натриевых каналов (рис. 19-54).

19.6.8. Фоторецептор адаптируется к яркости света [46] Для возвращения фоторецептора в состояние покоя после возбуждения его светом каждая реакция ферментативного каскада, инициированного светом, должна быть «уравновешена» соответствующей реакцией инактивации. По-видимому, свет ускоряет как активирующие, так и инактивирующие реакции, но второй эффект проявляется чуть позднее, поэтому свет вызывает мгновенный положительный ответ, который затем очень быстро затухает. Такая запаздывающая инактивация не только помогает обеспечить короткий ответ на короткую вспышку света, но и дает возможность фоторецептору адаптироваться: свет постоянной яркости, вместо того чтобы просто приводить клетку в состояние насыщения с близкой к нулю концентрацией cGMP, вызывает два противоположных эффекта, которые почти гасят друг друга, что позволяет клетке реагировать на последующие изменения освещенности.

По-видимому, вызванное светом уменьшение концентрации Са2+ играет решающую роль как в прекращении реакции на вспышку света, так и в адаптации. Если изменение концентрации Са2+ искусственно задержать путем введения в фоторецептор Са2 +-буфера, то электрический ответ на световую вспышку будет очень продолжительным и клетка будет слишком медленно адаптироваться к постоянному освещению. Если фоторецептор поместить в раствор, полностью блокирующий передвижение Са2+ через плазматическую мембрану, то те же самые эффекты проявятся в еще большей степени, а адаптации не произойдет совсем. В норме каналы, через которые ионы натрия поступают в наружный сегмент фоторецептора, до некоторой степени проницаемы и для других катионов, включая Са2+. Свет, закрывая каналы, блокирует приток кальция, в то время как отток Са2+ (опосредуемый в плазматической мембране палочки системой Са2+/Nа+ -антипорта) продолжается, в результате чего внутриклеточная концентрация ионов кальция падает, Полагают, что это ускоряет те ферментативные реакции (в особенности синтез cGMP гуанилатциклазой), которые противодействуют вызываемому светом падению концентрации cGMP, помогая клетке адаптироваться.

19.6.9. Нейроны обрабатывают исходную информацию, доставляемую сенсорными рецепторными клетками [47] Через сенсорные рецепторные клетки в нервную систему поступает огромный поток информации. Мозг должен переработать эту информацию и выделить значимые элементы: выхватить слова из хаоса звуков, различить лицо среди светлых и темных пятен и так далее. В этом заключается вторая стадия переработки сенсорной информации - переработка на уровне нейронов, гораздо более тонкая и сложная, чем та, что происходит в рецепторных клетках. Эта вторая стадия включает «вычисления», выполняемые сложно переплетенной сетью нейронов, где каждый нейрон обычно получает множество сигналов, среди которых есть и возбуждающие, и тормозные. Каждый нейрон генерирует выходной сигнал, несущий информацию о наличии или отсутствии каких-то специфических элементов в исходных данных, доставляемых рецепторными клетками.

Например, определенные группы клеток в зрительных центрах мозга генерируют потенциалы действия, когда глаз видит прямую линию, определенным образом ориентированную в пространстве. Выходные сигналы от одной группы будут приняты другими нейронами, выполняющими следующий этап процесса, и так далее ко все более высоким уровням восприятия - вплоть до распознавания таких тонких и сложных вещей, как осмысленные слова и выражения лиц.

Для такой переработки информации необходима поразительно сложная организация анатомических связей между нервными клетками.

Детали взаимоотношений между анатомией нервной системы и высшей нервной деятельностью выходят за рамки книги о биологии клетки. Но в чем все же заключаются основные механизмы, благодаря которым создаются сложные, но упорядоченные анатомические структуры?

Рассмотрению этого вопроса будет посвящен следующий раздел главы.

Специальные преобразователи превращают сенсорные стимулы в электрические сигналы. Например, у позвоночных волосковые клетки внутреннего уха представляют собой механорецепторы: на свободной поверхности каждой волосковой клетки имеется пучок стереоцилий (гигантских микроворсинок), и при наклоне таких пучков открываются ионные каналы, что ведет к изменению мембранного потенциала.

Мембранный потенциал фоторецепторных клеток в глазу позвоночного изменяется при поглощении света молекулами родопсина, содержащимися в этих клетках. И в том, и в другом случае электрический сигнал, возникающий в сенсорной клетке вначале в форме рецепторного потенциала, передается соседним нейронам через химические синапсы. Однако два упомянутых класса клеток-рецепторов используют для выработки рецепторных потенциалов различные «стратегии»: в основе одной лежат рецепторные молекулы, связанные с каналами, а другая зависит от молекул-рецепторов, не связанных с каналами. В волосковых клетках физическая связь между стереоцилиями порождает механические силы, которые прямо воздействуют на ионные каналы в плазматической мембране, заставляя их быстро открываться или закрываться. В палочках сетчатки активированные светом молекулы родопсина инициируют каскад ферментативных реакций, в результате которых в цитозоле гидролизуется циклический GMP, что в свою очередь ведет к закрытию натриевых каналов плазматической мембраны. Хотя механизм, основанный на каталитических реакциях, не может быть очень быстрым, он позволяет peaгировать на один-единственный фотон.

19.7. Рождение, рост и гибель нейронов [48] Проблема развития нервной системы уникальна. Каким образом аксоны и дендриты, отходящие от миллиардов нейронов, отыскивают надлежащих партнеров для связей так, чтобы создалась эффективно функционирующая сеть? Различного рода нейроны и сенсорные клетки, а также интернируемые мышцы чаще всего находятся у зародыша на значительных расстояниях друг от друга и первоначально не связаны между собой. Поэтому в первой фазе развития нервной системы различные ее части развиваются по собственным «локальным» программам в cooтветствии с принципами дифференцировки клеток, общими для всех тканей тела, о чем уже говорилось в гл. 16. В следующей фазе осуществляется тип морфогенеза, свойственный только нервной системе. На этом этапе создается хотя и предварительная, но уже упорядоченная схема связей между частями нервной системы с помощью аксонов и дендритов, растущих в нужных направлениях. Первоначально обособленные части могут теперь взаимодействовать друг с другом. В третьей, последней фазе, продолжающейся и в период взрослой жизни, возникшие ранее связи уточняются и совершенствуются в результате взаимодействия отдаленных компонентов с учетом электрических сигналов, передаваемых и получаемых этими компонентами.

19.7.1. Нейроны образуются в соответствии с определенными программами клеточного деления [48, 49] Почти у всех животных от нематод до позвоночных образование нейронов, за редкими исключениями, подчиняется трем основным правилам: 1) зрелые нейроны не делятся; 2) после образования полного комплекта нейронов, свойственного взрослой особи, не остается никаких стволовых клеток, способных производить новые нейроны; 3) нейроны в каждой небольшой области развивающейся нервной системы формируются в соответствии с собственной программой деления, без влияния со стороны тех групп клеток, с которыми позднее образуются нервные связи.