Фоторецептори — безспайкові світлочутливі сенсорні нейрони, розташовані у зовнішньому ядерному шарі сітківки ока.
Фоторецепторний шар сітківки утворює двовимірну мозаїку, що перетворює безперервне зображення тривимірного світу, сформоване кришталиком та рогівкою ока, в масив дискретних сигналів, які потім обробляються нижче розташованими нейронами сітківки і через оптичний нерв передаються до мозку, до вищої зорової системи.
Сітківка хребетних містить два класи фоторецепторів — палички та колбочки, що мають чотири характерні лише для фоторецепторів структурно-функціональні складові: зовнішній сегмент, внутрішній сегмент, з'єднувальна війка та унікальні в усій нервовій системі синаптичні закінчення, які неперервно вивільняють нейромедіатор за відсутності стимулу. Колбочки і палички різняться між собою морфологією, чутливістю та реакцією на світло, структурою фоточутливих пігментів і діапазоном покриття інтенсивностей світла.
Палички, яких в сітківці людини лише один тип, відповідають за зір при тьмяному і нічному освітленні (скотопічний зір) і дозволяють зоровій системі досягнути меж, накладених поглинанням одиничних фотонів. Коли палички повністю адаптовані до темряви, то можуть реагувати на одиничні фотони.
Колбочки менш чутливі до світла, але забезпечують гостроту зору. Сітківка більшості ссавців має два типи колбочок, а людини і деяких мавпових три типи, які є максимально чутливими до трьох кольорів (червоного, зеленого та синього). Поєднання відносних інтенсивностей цих трьох основних кольорів дозволяє людському зору визначити колір будь-якого об'єкта. Відтак, колбочки відповідальні за денний (фотопічний) зір.
Поступове зменшення рівня освітлення, від яскравого денного світла до тьмяного нічного, обумовлює перехід зору від колбочок до паличок. Цей перехід супроводжується зміщенням діапазону максимальної зорової чутливості до синього кінця спектру видимого світла — ефект, знаний як «зміщення Пуркинє». Зміщення Пуркинє пов'язане із сутінковим (мезопічним) зором, що є проміжним між фотопічним та скотопічним.
Колбочки у центральній ямці сітківки приматів формують регулярну трикутну мозаїку. З віддаленням від центральної ямки регулярність мозаїки колбочок швидко спадає.
Фоторецептори відповідають гіперполяризацією (а не деполяризацією, як інші нейрони) у відповідь на адекватний цим рецепторам сигнал — світло. Окрім того, на відміну від більшості нейронів, фоторецептори передають електричні сигнали не через потенціали дії (спайки), а через [en]мембранного потенціалу. А унікальна морфологія фоторецепторів наділяє їх рисами, подібними до оптичних хвилеводів.
Потреба підтримувати градієнт концентрації іонів у фоторецепторах і їх тонічна деполяризація за відсутності світла робить сітківку однією з найбільш метаболічно активних тканин тіла. Тому перетворення фоторецепторами світла в електричні сигнали (фототрансдукція) є одним з найбільш енергозатратних процесів організму тварин.
Фоторецептори формують та передають всю просторово-часову інформацію, що доступна вищим рівням зорової системи. Розмір, щільність розташування, спектральна чутливість та електричні реакції фоторецепторів накладають нездоланні обмеження на часову, просторову та кольорову інформацію, яку ЦНС може вилучити із зображення на сітківці.
В 1991 році з'ясувалося, що зоровий пігмент меланопсин є не лише в паличках і колбочках, а й в окремому відносно невеликому класі гангліозних клітин ссавців; таким чином, ці клітини є третім класом фоторецепторів сітківки на додачу до паличок і колбочок. Оскільки фотовідгук меланопсину значно повільніший, аніж відгук опсинів паличок та колбочок, то вважається, що ці [en] (ipRGC) не мають значної ролі у формуванні зорового сприйняття чи взагалі не залучені до процесу зору, а їх головною функцією є регулювання циркадних ритмів та розмірів зіниці ока у відповідь на світло. Однак накопичується дедалі більше даних, що світлочутливі гангліозні нейрони все ж можуть кодувати просторову зорову інформацію та формують візуальне сприйняття на ранніх етапах обробки зорових зображень.
Фоторецепторний шар сітківки
Сітківка — це шар тканини ока, що трансформує світло у зорові сигнали, які передають інформацію про видимий зовнішній світ до мозку. Трансформація світла в електричні сигнали починається на рівні двох класів фоторецепторів сітківки — паличок та колбочок.
Сітківка хребетних знаходиться попереду пігментного епітелію, клітини якого заповнені темним пігментом меланіном, що поглинає все те світло, яке не схоплюється сітківкою. Це унеможливлює відбиття світла назад у сітківку і погіршення зорового зображення.
Фоторецептори знаходяться на задній стінці ока, одразу перед пігментним епітелієм, тому всі інші нейрони сітківки розміщені перед фоторецепторами, ближче до кришталика ока. Така перевернута будова сітківки призводить до того, що світло повинно пройти через всі шари її нейронів, перш ніж потрапить до фоторецепторів. Щоб світло дійшло до фоторецепторів без поглинання та значного розсіяння, нейронні аксони в ближчих шарах сітківки позбавлені мієлінової оболонки, забезпечуючи відносну прозорість цих шарів.
Палички і колбочки щільно розміщені в сітківці, займаючи ~90 % двовимірного фоторецепторного шару, інші 10 % — це позаклітинний простір. У сітківках тварин, що ведуть денний і нічний спосіб життя (напр., людина, макака, кішка, кролик), близько 5 % всіх рецепторів становлять колбочки, всі інші — палички. У сітківці ссавців, за невеликим винятком (деякі ховрахи мають тільки колбочки), відношення паличок до колбочок є навдивовижу сталим — 20:1. Оскільки потік фотонів при денному світлі є значно більшим, ніж вночі, то вдень сітківка може спиратись на меншу кількість фоторецепторів, які ефективно схоплюють надлишкову кількість фотонів, тоді як в темряві важливий кожен фотон, що потребує більшої кількості паличок.
Фоторецептори в центральній ямці
Протягом еволюції ока відбулась характерна спеціалізація сітківки — істотне зміщення щільності фоторецепторів та нейронів. Тоді як у ссавців нижчого порядку, наприклад, щурів та мишей, щільність клітин в сітківці є рівномірною, то в центрі сітківки ссавців вищого порядку, наприклад, котів та приматів, з'явилось невелике поглиблення — т. зв. центральна ямка (fovea centralis, ~1 мм в діаметрі, покриває близько 3 градусів зорового поля) — де нейрони зміщені в бік, дозволяючи фоторецепторам в цій ділянці отримувати найменш викривлене зорове зображення. Таке зміщення є найбільш явним у середині центральної ямки, [en] (~300 мкм в діаметрі). У фовеолі відсутні палички і є найбільша концентрація колбочок, які уможливлюють найкращу гостроту та високу роздільну здатність зору. Замість збільшення фоторецепторів та інших нейронів в усій сітківці для забезпечення вищої гостроти зору, що б також потребувало істотного збільшення розмірів ока, подібна спеціалізація обмежена невеликою ділянкою ока. Щоб фіксувати погляд на речах і бути в змозі розгледіти їх більш детально, очі повинні постійно рухатись, уможливлюючи проєкцію зорового зображення на центральну ямку. Тому протягом споглядання людина робить чисельні рухи очей, близько 3 рухів/с.
Центральна ямка в очах людини є неглибокою і має ~570 мкм в діаметрі, містячи до 200 тис. довгохвильових та середньохвильових колбочок / мм2. Середня відстань між ними (від центру до центру) становить від 2 до 2,5 мкм, тобто, на 1 градус поля зору потрапляє ~120 колбочок. Це достатньо для формування зображення ґратки з періодом 1/60 градуса, що і є межею роздільної здатності зору людини). (Для порівняння, щільність колбочок в центральній ямці сітківки орла клинохвостого становить ~1 млн колбочок/мм2, що відповідає вдвічі більшій гостроті зору (роздільна здатність 1/143 градуса), ніж у людини, досягаючи біофізичної межі можливої щільності колбочок, оскільки ще більша щільність колбочок потребуватиме тонших внутрішніх сегментів, чий хвилевідний механізм не зможе запобігти розсіянню фотонів на сусідні колбочки.)
У сітківці людини на відстані 5 градусів від центральної ямки щільність колбочок спадає вдесятеро (до 20 тис. колбочок/мм2), а на відстані 10 градусів — ще вдвічі (10 тис. колбочок/мм2). Зі збільшенням відстані від центру сітківки збільшується і діаметр колбочок: у центральній ямці він становить 1—2 мкм, а на відстані в 10 градусів — 4—10 мкм, після чого залишається відносно сталим. Тварини, які мають менш гострий денний зір, ніж людина, але кращий зір вночі, мають зменшену щільність колбочок в центральній ямці задля збільшення кількості паличок в сітківці. Так, щільність колбочок в центральній ямці кішки майже вдесятеро менша (30 тис. / мм2) ніж у людини, завдяки чому у них збільшується щільність паличок до 200 тис. / мм2.
На відміну від колбочок, палички відсутні у фовеолі, однак їх щільність швидко зростає із відстанню від центру, досягаючи максимальної щільності за 3 мм (20 градусів) від центральної ямки (160 тис. паличок/мм2). Звідси концентрація паличок спадає більш поступово, досягаючи 35 тис./ мм2 на периферії сітківки. Також, на відміну від колбочок, діаметр паличок швидко не зростає зі збільшенням їх щільності, залишаючись відносно сталим (~1,5 мкм) одразу з їх появою поза фовеолою і збільшуючись на периферії сітківки (4 мкм).
Сітківка також містить ділянку, відому як оптичний диск — місце, де зоровий нерв відходить із сітківки до мозку. В цій ділянці не знаходиться жодного фотороцептора, тому вона постає як сліпа пляма в зоровому полі. Зоровий нерв містить 106 нервових волокон (утворюються аксонами гангліозних клітин), що з урахуванням кількості колбочок і паличок в сітківці (6,5×106 та 120×106 відповідно) вказує на високий коефіцієнт конвергенції із фоторецепторів до гангліозних клітин, порядку 120/1.
Фоторецептори сітківки організовані мозаїчно в один шар, що формує синаптичні зв'язки з нижчестоячими нейронами — горизонтальними та біполярними нейронами в зовнішньому сітчастому шарі.
Теорія подвійності зору
Ідея, що зорова система хребетних поділяється на дві морфологічно та фізіологічно відмінні підсистеми (паличкову та колбочкову), лежить в основі теорії подвійності зору.
Відкриття фоторецепторів
1722 р., вивчаючи сітківку людини, Антоні ван Левенгук скоріш за все був одним з перших, хто через мікроскоп побачив фоторецептори, хоча він не розумів їх функціональної ролі. Тільки через століття фоторецептори в зовнішній сітківці були виявлені, виокремлені та описані. В 1830-х рр. німецький лікар та природознавець [en] виявив фоторецептори,, вивчаючи під мікроскопом сітківки риб, земноводних, ссавців та птахів. Хоча він і пов'язав функцію виявлених ним паличок (які він назвав «пухирцями») зі сприйняттям світла, Тревіранус вважав, що фоторецептори спрямовані до склоподібної камери ока, а не від неї, і оптичний нерв (чиї закінчення він, продовжуючи декартову традицію, вважав рецепторними елементами) на його думку повинен був відходити позаду рецепторів.
Як відзначали пізніше інші дослідники сітківки, «хоча дослідження (анатомії сітківки) Тревірануса були хибними майже у всьому, вони були корисними, оскільки стимулювали одразу серію нових досліджень». Вперше на те, що фоторецептори перевернуті, вказав анатом та фізіолог [en] (1839), який виявив, що закінчення паличок витягнуті до хоріоідеї ока. Однак і Біддер, подібно до Тревірануса, не міг зрозуміти, яким чином перевернуті фоторецептори можуть реагувати на світло, тому зводив їх функцію лише до віддзеркалення світла через волокна оптичного нерва.
Німецький анатом та фізіолог Генріх Мюллер в 50-х рр. ХІХ ст. описав перевернуту природу фоторецепторів і, паралельно зі швейцарським фізіологом Альбертом фон Келлікером, та вперше вказав два окремі їх типи (палички і колбочки). Вказавши, що палички на відміну від колбочок мають багрянистий колір, Мюллер, однак ще не зміг визначити, що ці фоторецептори мають різні зорові функції.
Зміщення Пуркіне
Одним з перших психофізичних свідчень існування двох відмінних систем зору, паличкової та колбочкової, було відкриття в 1820-х рр. чеським фізіологом та анатомом Яном Пуркинє, феномену зміщення максимальної чутливості ока в напрямку синього кінця спектру видимого світла зі зменшенням рівня освітленості.
Пуркинє помітив, що відносна яскравість різних кольорів змінюється зі зміною загального рівня освітлення. Він відмітив, що сині та червоні квіти, незалежно від їх різниці в кольорі, виглядають для нього однаково яскраво при денному світлі. Однак при дуже тьмяному світлі, в сутінках чи на світанку, червоні квіти виглядають темно-червоними чи майже чорними, тоді як він все ще може бачити синій колір квіток, які виглядають яскравішими.
Хоча сам Пуркіне не вважав своє відкриття важливим, саме цей феномен, знаний як «ефект Пуркинє» або «зміщення Пуркинє», свідчив про існування подвійної системи зору — колбочкового кольорового зору, що функціює при яскравому освітленні та паличкового зору при тьмяному освітленні. Пізніше феномен зміщення Пуркинє був виявлений також в жаб, котів, ховрахів, акул і навіть двокрилих, засвідчуючи в них існування подвійної системи зору.
В основі ефекту Пуркинє (зміщення найяскравішої області спектру зі зміною освітленості від червоного до синього кольору) є різниця між скотопічною, паличковою спектральною чутливістю (з піковою довжиною хвилі 500 нм) та фотопічною, колбочковою спектральною чутливістю (пік 555 нм). Інтенсивності голубого та червоного світла, що відбиваються від квіток, стимулюють колбочки майже однаковою мірою при денному освітленні. Однак при сутінковому і тьмяному світлі на відміну від колбочок, палички продовжують функціювати і, оскільки вони є більш чутливими до коротких довжин хвиль світла (синього кінця спектру), тому продовжують сприймати сині квіти, коли вже колбочки починають сприймають червоні як відтінки сірого чи майже чорні. Окрім іншого, зміщення Пуркинє є одним із важливих свідчень, що палички поряд з колбочками залучені до формування кольорового зору.
Втім, для підтвердження поведінкового відкриття Пуркинє відмінності двох систем зору потрібні були однозначні анатомічні та фізіологічні свідчення відмінностей між їх фоторецепторами, паличками та колбочками.
Теорія подвійності Шульце
Першим хто однозначно вказав на функціональну відмінність між паличками та колбочками, був відомий німецький анатом [en], який у серії статей 1866—1867 рр. показав подвійність сітківки хребетних і заклав основи теорії подвійності зору.
Для розрізнення паличок від колбочок Шульце спирався на їх морфологію, що стало врешті класичним критерієм для виділення типів фоторецепторів. Він помітив, що фоторецептор не є однорідним, але поділений на сегменти — зовнішній та внутрішній. Відповідно до морфології зовнішніх сегментів фоторецепторів, Шульце їх назвав Stäbchen (паличками) та Zapfen (колбочками.) У паличках Шульце виділив довгі, циліндричні зовнішні сегменти; тонкі та видовжені внутрішні сегменти, тоді як в колбочок — короткі, конусоподібні зовнішні сегменти та ширші і сплющені внутрішні сегменти. Крім того, наявність чи відсутність у внутрішньому сегменті фоторецепторів спеціалізованих структур, — [en], що притаманні сітківкам птахів та деяких плазунів, — слугувало основою для відокремлення колбочок (які їх мають), від паличок (які позбавлені таких вкраплень).
Чітко виділивши внутрішні та зовнішні сегменти фоторецепторів і їх відмінність між паличками та колбочками, Шульце встановив відмінну роль, яку вони відіграють у процесі зору. Паличкам він відвів роль у безколірному нічному зорі, тоді як колбочки вважав відповідальними за кольоровий денний зір. У порівнянні з розвиненішими колбочками, палички Шульце вважав більш примітивним органом зору. Він встановив, що найбільша концентрація колбочок знаходиться в центрі сітківки (центральна ямка) людини, тоді як палички переважають на її периферії. Порівнявши свої гістологічні дані із поведінковими відкриттями фізіолога [en] про те, що зі збільшенням відстані від центральної ямки розрізнення кольорів та гострота зору спадають, Шульце прийшов до висновку, що тільки колбочки відповідальні за кольоровий та просторовий зір з високою роздільною здатністю.
Порівняльні дослідження Шульцем сітківок тварин, які вели нічний чи денний спосіб життя, підтвердили його припущення про функціональну відмінність двох типів фоторецепторів. Вивчаючи сітківки нічних тварин (сов, кажанів, кротів, їжаків), Шульце виявив, що вони мають мало чи взагалі не мають колбочок. Так само він виявив лише невелику кількість паличок у тварин, найбільш активних лише протягом дня (ящірки, змії, хамелеони, деякі види птахів). Оскільки людський зір не розрізняє кольори вночі, Шульце прийшов до загального висновку, що палички відповідальні за безкольорове сприйняття при тьмяному світлі, а колбочки за кольорове сприйняття при яскравому світлі, заклавши основи Duplizitätstheorie («теорії подвійності») зору — відповідно до якої колбочки залучені до денного (фотопічного) зору, а палички до нічного (скотопічного) зору. До сутінкового (мезопічного) зору палички і колбочки залучені разом. Термін Duplizitätstheorie ввів у 1890-х рр. німецький фізіолог та психолог [en]
Попри свою новизну та обґрунтованість солідними порівняльними дослідженнями, ідеї Шульце щодо подвійної природи сітківки не отримали одразу належного визнання серед тогочасних фізіологів, а видатний німецький фізіолог Герман фон Гельмгольц навіть не згадав їх у другому виданні свого славнозвісного «Керівництва з фізіологічної оптики» (1896).
Пізніше французький офтальмолог [en] незалежно від Шульце прийшов до висновку про існування двох класів фоторецепторів. Він виявив, що така хвороба очей, яка нікталопія (нездатність бачити при тьмяному світлі чи вночі) не призводила до втрати чутливості колбочок в центральній ямці сітківки і встановив, що вона була пов'язана з паличками: пошкодження пігментного епітелію призводило до нічної сліпоти, а оскільки, як було встановлено не задовго перед цим, пігментний епітелій потрібен для регенерації родопсину, який міститься тільки в паличках, то нічний зір спирається на палички. На основі цих відкриттів Паріно висунув ідею «deux retines» (двох сітківок), і припустив як і Шульце, що палички та колбочки виконують різні функції і саме завдяки цьому є можливим денний та нічний зір. Однак подібно до ідей Шульце, ідеї Паріно не привернули уваги колег.
Тільки завдяки німецькому фізіологу Йоганну Крісу, який включив ідеї Мюллера, Шульце та Паріно до власної теорії подвійності (1896) та присвятив їм окремий розділ у третьому виданні «Посібника з фізіологічної оптики» (1909) Гельмгольца під власною редакією, теорія подвійності зору отримала широке визнання та підтримку серед науковців.
Існування двох відмінних систем фотосприйняття у відповідності з теорією подвійності було також підтверджене психофізично. 1933 р. Стайлс і Кроуфорд виявили парадоксальний феномен: для денного зору світло, яке проходить через периферію зіниці є менш ефективним, ніж світло, яке проходить через її центр (т. зв. «Ефект Стайлса — Кроуфорда», див. нижче). Цей ефект пов'язаний з колбочками, які більш чутливі до світла, що надходить до них вздовж їх осі, аніж під похилим кутом. Однак така чутливість до напрямку світла не проявлялась в нічному зору і не виявлялась для паличок.
1937 р. відомий американський фізіолог [en] опублікував ґрунтовний огляд всіх наявних на той час свідчень, які вказували на те, що майже всі вимірювання зорової активності можна розділити на дві частини — 1) рівень низького освітлення, за який відповідають палички і пов'язаний з нічним зором 2) рівень високого освітлення, що спирається на колбочки і пов'язаний з денним зором. На основі аналізу накопичених з часів Мюллера і Шульца даних Хегт прийшов до висновку, що теорія подвійності зору адекватно описує зір і його фоторецепторну природу і повинна слугувати основою для подальших досліджень фоторецепторів.
Теорія трансмутації фоторецепторів
Розрізнення між паличками та колбочками довгий час ґрунтувалось виключно на їх морфології. Хоча таке розрізнення є однозначним для багатьох примітивних та древніх груп хребетних, воно неоднозначне для багатьох груп тварин, що еволюціонували відносно нещодавно і які трансформували свої фоторецептори під час зміни активності в середовищі один раз (напр. геконоподібні) або навіть двічі (деякі змії). Для врахування цих складностей класифікації фоторецепторів американський фізіолог [en] запропонував «теорію перетворення (трансмутації)» (1934 р.), відповідно до якої в процесі еволюції тварини трансформували свої фоторецептори для адаптації до нових умов середовища.
Волльс припустив, що палички і колбочки не є відокремленими та незмінними типами рецепторів, але могли еволюціонувати, трансформуючись одне в одне через серію морфологічно різних проміжних ланок. Він вважав, що палички могли заново еволюціонувати із колбочок в тих тварин, що втратили колбочки, і навпаки — палички із колбочок. Перехід плазунів до нічного життя призвів до збільшення розміру зовнішніх сегментів деяких з їх колбочок, внаслідок чого вони поступово ставали паличкоподібними. Як узагальнив основу ідею теорії трансмутації Волльс, «перші палички в світі були генеровані трансмутацією колбочок і цей процес час від часу повторювався, коли потрібно, відтоді, коли хребетні ступили на землю».
Волльс сформулював та розвивав свою теорію вивчаючи морфологію фоторецепторів сітківок представників роду лускатих, зокрема нічних і денних геконоподібних та змій. Він виявив, що сітківки деяких з цих видів мали лише колбочки або лише палички, або ж проміжні фоторецептори (суміш властивостей паличок і колбочок), хоча їх еволюційні пращури мали протилежні сітківки — відповідно, виключно з паличками, або ж виключно з колбочками. Крім того Волльс дослідив, що а) на відміну від денних тварин, фоторецептори в нічних тварин втратили забарвлені олійні краплини чи взагалі не мали таких вкраплень, б) фоторецептори нічних тварин мали видовженішу форму, із надзвичайно довгими зовнішніми сегментами. Всі ці свідчення трансмутації фоторецепторів різних видів лускатих Волльс виклав у своїй фундаментальній праці «Очі хребетних та їх адаптивна радіація» (1942 р.).
Попри всю радикальність теорії Волльса, вона не суперечила головному аспекту теорії подвійності зору — функціональній відмінності між нічним та денним зором, що спирався на палички та колбочки. Однак теорія трансмутації дозволила по-іншому підійти до вивчення фоторецепторів, їх еволюції та адаптації до середовища і відмовитись від їх трактування, як фіксованих та відокремлених класів фотосприйняття. Теорію Волльса пізніше підтримав і розвинув відомий британський герпетолог Гарт Л. Андервуд (Garth L. Underwood, 1919—2002).
Хоча Волльс вивчав тільки морфологічні аспекти трансмутації, він вважав ключовою відмінністю між нічними та денними фоторецепторами наявність паличкового зорового пігменту (родопсину, RH1) в адаптованих до темряви паличках та його відсутність в колбочках. Не знайшовши паличкового родопсину в сітківках різних представників нічних та денних полозових змій, Волльс припустив, що нічні полозові із винятково паличковими сітківками еволюціонували від денних полозових із винятково колбочковими сітківками. Однак він не мав достатніх даних для підтвердження цієї теорії трансмутації, оскільки в його час не було засобів, потрібних для ідентифікації зорових пігментів, що є молекулярними ознаками різних типів фоторецепторів.
За винятком робіт Волльса та Андервуда, попри прогрес молекулярної біології, теорія трансмутації не отримала належної уваги дослідників, які вивчали головним чином молекулярні складові фоторецепторів птахів, риб та ссавців. Винятком було дослідження фоторецепторів геконів, в яких було виявлено пігменти та диски зовнішніх сегментів, які зазвичай присутні в колбочках, і яким була притаманна експресія генів , пов'язаного із денним зором, незалежно від того чи це нічні види геконів, із винятково паличковими сітківками, чи денні, із винятково колбочковими сітківками.
Волльс також припустив, що фоторецептори «простих сітківок» (з виключно одним типом рецепторів) також є результатом трансмутації. Однак вивчення фоторецепторів змій в контексті теорії трансмутації розпочалось лише в 1990-х рр. і також спочатку стосувалось вивчення лише морфологічних відмінностей. В сітківці звичайної котячої змії було виявлено, що паличкові фоторецептори мають дещо конусоподібний (як у колбочок) зовнішній сегмент та невіддільність дисків зовнішніх сегментів від плазматичної мембрани, що є характерним для колбочок. Це свідчило про те, що такі палички є трансмутованими паличкоподібними колбочками.
Застосування молекулярних технік ([en] зовнішніми раманівськими мітками) та [en] для дослідження зорових пігментів винятково паличкової сітківки нічного вужа, виявило в них колбочкові пігменти. Ці дані підтвердили морфологічні дослідження та припущення Волльса, який вважав, що сітківка цього виду має сильно трансмутовані паличкоподібні колбочки.
Лабораторія еволюційного біолога Белінди Чанг (англ. Belinda Chang) з Торонтського університету сьогодні є однією з провідних у світі з вивчення молекулярних складових фотосприйняття та їх еволюції і відома рядом відкриттів, які підтримують та поглиблюють теорію трансмутації Волльса. Використавши широкий спектр технік (секвенування ДНК, філогенетичний та молекулярно-еволюційний аналіз, експресію фотопігментів in vitro, мікроспект-рофотометрію, електронну мікроскопію та імуногістохімію) для дослідження сітківки денної підв'язкової змії західної, яка має один тип подвійних і три типи одиничних колбочок, Чанг з колегами виявили, що деяким малим одиничним колбочкам притаманні паличкоподібні диски зовнішніх сегментів, відмінні від колбочок еліпсоїди внутрішніх сегментів та експресія гену паличкових родопсину (Rh1) і [en] (Gt). Відтак, ці малі одиничні колбочки не є справжніми колбочками, а трансмутованими паличками, що є першим прямим свідченням трансмутації в сітківці змій та першим молекулярним свідченням трансмутації від палички до колбочки.
На основі отриманих даних Чанг з колегами припустили, що винятково колбочкові сітківки еволюціонували не шляхом втрати паличок, а, як припускав Волльс, через еволюційну трансмутацію давніх паличок в колбочко-подібні фоторецептори для того, щоб повернути потрібну для денного життя спектральну чутливість та розрізнення кольорів, втрачені разом з опсинами (SWS2 та RH2) «зелених» колбочок протягом ранньої, можливо землерийної, еволюції змій.
Схожі результати були отримані лабораторією Чанг при вивченні винятково колбочкової сітківки денної , в зовнішніх сегментах колбочок яких було виявлено експресію гену паличкового родопсину (Rh1), який однак, знебарвлювався за присутності гідроксиламіну, що характерно для опсинів колбочок. Результати Чанг та колег однозначно вказують на трансмутацію колбочок соснової змії із паличок, що, в цілому, може свідчити про поширеність феномену трансмутацій серед полозових змій.
Теорія трансмутації Волльса знайшла також підтримку в нещодавньому молекулярно-філогенетичному дослідженні цілого ряду полозових змій, в чиїх винятково-паличкових та винятково колбочкових сітківках була виявлена експресія генів колбочокових та паличкових опсинів, відповідно. Хоча отримані результати цього дослідження свідчать про дещо складніший сценарій, ніж припускав Волльс: паличкоподібні колбочки та колбочкоподібні палички змій могли еволюціонувати щонайменше двічі.
У поєднанні із результатами досліджень сітківок геконів дослідження змій припускають, що на відміну від сталої подвійної сітківки риб, птахів та ссавців, фоторецептори плазунів зазнавали повторюваних і радикальних змін.
Зоровий пігмент
Чутливість фоторецепторів до світла обумовлюється спектром поглинання їх зорових пігментів ([en]), що знаходяться в зовнішньому сегменті фоторецептору.
Відкриття зорового пігменту
Зорові пігменти відкрив в 1876-77-х рр. німецький фізіолог [en], вивчаючи сітківку жаб. Він виявив, що вплив світла на сітківку призводить до знебарвлення її червонувато-пурпурового кольору, роблячи її блідою. Однак Болл помітив, що сітківка відновлює свій пурпуровий колір, якщо тварина тримається в темряві після впливу світла. На основі цих відкриттів Болл прийшов до висновку, що світло призводить до знебарвлення пігменту сітківки і припустив, що в зовнішніх сегментах паличок наявні субстанції, що реагують на світло і передають цю інформацію до ЦНС через фотохімічний процес.
В кінці 1870-х рр. німецький фізіолог [en] підтвердив відкриття Болла, показавши, що зоровий пігмент паличок жаби знебарвлюється під впливом світла, але відновлює свій колір в темряві і зберігає його навіть після смерті. Через характерний колір він назвав фотопігмент палички «зоровим пурпуром» (нім. Sehpurpur); сьогодні він знаний як родопсин. Кюне також виявив, що відновлення фотопігменту після знебарвлення пов'язане із пігментним епітелієм сітківки, за відсутності якого родопсин не повертається до первинного передзнебарвленого стану. Крім того, Кюне вперше виміряв спектральну чутливість родопсину й прийшов до висновку, що зорове сприйняття спирається на поглинання світла цим пігментом.
В 1930-х рр. видатний американський фізіолог Джордж Уолд показав, що родопсин під впливом світла розкладається на каротиноїд, який він назвав «ретинен» (англ. retinene, сьогодні знаний як ретиналь) і білок (пізніше названий ). Уолд прийшов до висновку, що зоровий пігмент є складним білком із ретиненом, як простетична група. Крім того, Уолд розпочав вивчення фотопігментів колбочок і вилучив із сітківки курки чутливий до червоного світла пігмент, який назвав [de], — назва, яку він переніс на всі фотопігменти колбочок, аби відрізнити їх від фотопігменту палички, родопсину. Уолд з колегами показав, що йодопсин знебарвлюється, формуючи ретиналь та білок, який є відмінним від білка опсину в родопсині.
В середині 1950-х рр., в серії статей Уолд з колегами показали, що система родопсину залежить від ізомеризації ретиналю (конформаційної зміни в молекулі) і що 11-цис-ізомер ретиналю є попередником всіх зорових пігментів.
Використавши рідкий азот для уповільнення хімічних процесів, Уолд та ін. вперше показав, що родопсин проходить через серію нестійких молекулярних перетворень, одне з яких (метародопсин ІІ) приводить до збудження фоторецептору перш ніж ретиналь буде гідролізований з опсину.
За свої відкриття пов'язані з фотохімією зору Джордж Уолд отримав в 1967 р. Нобелівську премію з фізіології або медицини.
Структура зорового пігменту
Всі зорові пігменти мають однакову структуру, складаючись із білка та світлопоглинаючого хромофора, (альдегід вітаміну A1), що ковалентно зв'язаний з опсином через основи Шиффа і надає білку його колір. Саме хромофор робить фотопігменти чутливим до світла.
[en] — це трансмембранні семиспіральні білки (належать до G-білок-спряжених рецепторів), єдиний поліпептидний ланцюг яких складається з 364 (гени фотопігменту M- та L-колбочок) або 348 (ген фотопігменту S-колбочки та родопсину) амінокислотних залишків. Близько 50 % опсину розміщено всередині біліпідної мембрани, а два кінці його амінокислотного ланцюжка (C-кінець та N-кінець), як і короткі білкові петлі, що з'єднуються з альфа-спіраллю, знаходяться поза мембраною.
Хромофор — це група атомів в молекулі, що найбільш сильно залучена до поглинання випромінювання. Так, подвійний зв'язок між атомами вуглецю (C=C) діє як хромофор внаслідок оптичного збудження одного з електронів, що формують подвійний зв'язок (т. зв. π-зв'язок), в незв'язувальну π*-орбіталь (перехід від π до π*). Тож активність хромофору є наслідком переходу π-до-π*. Такий електронний перехід здійснюється після поглинання ультрафіолетового випромінювання. Коли ж подвійний зв'язок C=C є частиною лінійного ланцюга кон'югованих атомів вуглецю (-С=С-С=С-), то спектр поглинання π,π* зміщується до довших довжин хвиль, до видимого діапазону спектру.
Поєднуючись із хромофорами, опсини формують світлочутливі комплекси фоторецепторів. Майже всі відомі опсини як хромофор використовують все-транс- і 11-цис-форми — полієнового ланцюга із 6 кон'югованими подвійними зв'язками. Один кінець полієнового ланцюга ковалентно зв'язаний із залишком лізину через протоновані основи Шиффа, тоді як інший кінець формує до β-[en].
11-цис-ретиналь функціонує як зворотний агоніст, придушуючи активність G-білка; тоді як все-транс-ретиналь діє як агоніст, що запускає формування активного стану опсину. Поглинання фотону 11-цис-ретиналем є початком зору, після чого через близько пікосекунди ретиналь ізомеризується до все-транс-ретиналю, приводячи до конформаційної зміни опсину, запускаючи сигнальний біохімічний каскад, наслідком якого є зміна мембранного потенціалу фоторецептора, що змінює вивільнення нейромедіатора синапсами і сигналізує нейронам другого порядку про світловий стимул.
Відмінність в первинній структурі (точній послідовності амінокислот) опсинів визначає спектральну відмінність між фотопігментами. Знаючи положення амінокислоти в одному фотопігменті можливо визначити їх відповідне положення у фотопігменті інших типів фоторецепторів. Як правило, для фотопігментів людини щоб виявити положення амінокислот в S-опсині яке відповідає такому положенню в родопсині віднімають 3, або додають 16 для виявлення відповідного положення в L- і M-опсинах.
В опсинах хребетних існує кілька [en], які відіграють важливу структурну та функціональну роль для фотопігментів. Так, ϵ-аміногрупа залишку лізину в сьомому трансмембранному домені (положення 296, Lys296) формує протоновану основу Шиффа із альдегідною частиною ретиналю, утворюючи зв'язок між опсином та 11-цис-ретиналь хромофором. Залишок глутамінової кислоти в положенні 113 (Glu113) діє як протиіон для основи Шиффа, нейтралізуючи позитивний заряд цього альдимінного зв'язку (див. нижче). Залишок проліну в положенні 291 є важливим для утримання опсинної кишені зв'язування для хромофора. А два залишки цистеїну (положення 110 та 187) формують дисульфідний зв'язок, що є ключовим для належного згортання фотопігменту. Розрив цього зв'язку призводить до повної втрати фотопігментом його функції і, як наслідок, до пігментного ретиніту якщо це фотопігмент палички, або ж сліпоти щодо червоних/зелених кольорів, якщо це L- або M-фотопігмент.
Класи фотопігментів
Зорові пігменти фоторецепторів класифікуються відповідно до спектра поглинання фотонів, що описує відносну ймовірність поглинання фотона з певною енергією. Існує кілька класів фоторецепторів, кожен з яких має характерний спектр поглинання з піком у найбільш переважній довжині хвилі світла.
В паличках та колбочках виявлені п'ять різних типів зорових пігментів: тип Родопсин 1 (позначається: Rh1) найчастіше знаходиться в паличках і має максимальну чутливість (λmax) 482—508 нм (діапазон «синьо-зеленого» світла), тоді як в колбочках знаходяться інші чотири типи пігментів: Rh2, LWS (англ. long wavelength sensitive, чутливі до довгих довжин хвиль світла), із λmax 500—570 нм («червоне/зелене» світло); MWS (англ. mid wavelength sensitive ; чутливі до середніх довжин хвиль світла) із λmax 480—530 нм («зелене» світло), SWS1 і SWS2 (англ. short wavelength sensitive; чутливі до коротких довжин хвиль із λmax 355—445 нм («ультрафіолет/фіолетове» світло)) і 400—470 нм («синє» світло), відповідно..
Зорові пігменти хребетних еволюціонували близько 500 млн років тому і походять із п'яти класів генів опсину: чотири спектрально відмінні класи генів опсину колбочок та один клас опсину палички. Опсинні класи колбочок еволюціонували через дуплікацію генів, а клас опсину палички Rh1 еволюціонував скоріш за все через дуплікацію гену Rh2-опсину колбочки, з яким він має найбільшу схожість нуклеотидної послідовності.
Нічний спосіб життя ранніх ссавців призвів до зменшення кількості класів генів зорових пігментів колбочок із чотирьох до двох. А деякі одноколірні нічні та морські види потім втратили і один з цих двох класів генів. Тому триколірність деяких приматів і людини пов'язана або з дуплікацією одного з цих двох класів генів або з поліморфізмом. На відміну від ссавців, птахи зберегли гени чотирьох фотопігментів колбочок, чия експресія присутня в їх одиничних та подвійних колбочках. Однак, як птахи, так і більшість ссавців втратили чутливість до ультрафіолетового світла, яка присутня лише в кількох видів ссавців (гризуни та сумчасті), тоді як у птахів вона заново набута.
Адаптація тварин до нових умов призводить до змін чутливості класів зорових пігментів, які по-різному налаштовуються до конкретних спектральних областей чи нових зорових завдань. Мутація в гені опсину може призвести до спектрального зміщення максимальної чутливості фотопігменту, бо навіть заміна одного нуклеотиду може викликати заміщення ключової амінокислоти, що змінить взаємодію між хрофомором та опсином.
Генетичне кодування фотопігменту
У ссавців окремі гени кодують кожен з опсинів в паличках та колбочках, але їх структура та довжина різниться між видами. В людей довжина гену (на 3 хромосомі) який кодує родопсин 5,0 кб, тоді як ген (на 7 хромосомі), що кодує S-опсин, має довжину 3,2 кб.
Гени родопсину та S-опсину мають чотири інтрони та п'ять екзонів. Внаслідок аутосомного розміщення в людини зазвичай наявні дві копії кожного із цих генів. Тільки гени L/M-опсинів розміщені на X-хромосомі. Більшість ссавців мають тільки один L/М-ген на X-хромосомі і лише більшість мавпових (в тім числі люди) мають два L- і M-гени.
В приматів, чиї обидва L- і M-гени знаходяться на одній X-хромосомі, вони розміщені в [en] біля кінця довгого плеча цієї хромосоми (Xq28). Подібна організація постала внаслідок дуплікації генів, яка за підрахунками відбулась 35 млн років тому. L- та M-гени кожен містять п'ять інтронів та шість ексонів і мають довжину 13,1 кб. Більшість людей мають інтрон 1 розміром 2 кб в гені L-пігменту, однак у ~35 % афро-американців відсутній цей інтрон, а менше ніж 1 % європеоїдів мають коротший ген L-пігменту.
Розміщення генів M та L-пігментів на X-хромосомі обумовлює більшу частину кольорової (зелений-червоний) зорової нестачі в чоловіків, які мають лише одну X-хромосому у порівнянні з жінками. Організація по типу «голова до хвоста» генів L- та M-фотопігментів на Х-хромосомі та схожість їх нуклеотидної послідовності означає, що ця ділянка хромосоми вразлива до порушення спарювання протягом мейозу, що призводить до нерівного кросинговеру між масивами генів. У випадку перехрещення між генами відбувається видалення гену з однієї хромосоми та її перенесення на іншу, тоді як перехрещення в самому гені призведе до появи гібридного гена, що поєднує ділянки L та M генів в єдиний ген. Вважається, що саме такі гібридні гени є генетичною основою більшості з дефектів кольорового зору.
На білковому рівні родопсин людини на ~41 % гомологічний з S-, M- та L-опсинами. Тоді як гени L- та M-пігментів гомологічні на 96 %, відрізняючись лише 15 амінокислотами, але тільки на 43 % вони гомологічні із S-пігментом. Заміщення в цих положеннях амінокислот пояснює спектральну відмінність (λmax) в 30 нм між L та M фотопігментами, яка обмежена ексонами 2 — 5. Найбільше спектральне зміщення (15-25 нм) між L та M пігментами пов'язане з відмінностями в амінокислотних положеннях, що кодуються ексоном 5: положення 277 (~7 нм) та 285 (~14 нм). Заміна в сайтах в ексонах 2 — 4 призводить до значно менших спектральних зміщень (~4 нм) і може бути пов'язана із рідкісними відмінностями між аномальним та нормальним кольоровим зором.
Висока гомологія між генами L- та M-пігментів вказує на їх походження від одного гена. Порівняння послідовностей амінокислот також свідчить про те, що S-колбочки та палички постали з одного спільного фоторецептора. Тоді як порівняння із сучасними мавпами Нового Світу, які мають тільки два фотопігменти, вказують на дуплікацію та дивергенцію гену довгохвильового фотопігменту, внаслідок чого постали L- та M-фотопігменти, коли мавпи Старого Світу відокремились від мавп Нового світу.
Спектральна чутливість фотопігменту
Стохастичність поглинання фотонів
Світло — це електромагнітна хвиля видимого спектра (в діапазоні частот 4×1014 — 7,5×1014Гц, що відповідає довжинам хвилі в діапазоні 400—750 нм). Електромагнітна хвиля складається зі швидко змінюваних електричного та магнітного полів, що розповсюджуються в просторі. Вона має частоту (ν) та густину енергії, що є пропорційною квадрату електричного поля. Енергія електромагнітного поля передається об'єктам, як дискретні кванти, фотони. Величина енергії, яку фотон може передати об'єкту, пропорційна його частоті.
Випромінювання та поглинання фотонів є стохастичним процесом, що адекватно може бути описаний як простий пуассонівський процес. Відтак, ймовірність того, що дане число фотонів буде поглинуте або випромінене у фіксований проміжок час над фіксованою площею описується пуассонівською густиною:
де k — число поглинених фотонів, а — середнє число поглинених/випромінених фотонів у фіксований проміжок час над фіксованою площею. Число випромінених фотонів пропорційне яскравості світла, однак точний час і місце появи одиничного фотона є невизначеним, тому можуть бути передбачене лише статистично, що покладає фундаментальні фізичні обмеження на можливості зору. Фотонна статистика зображення на сітківці накладає верхню межу на імовірність будь-якого рішення, що базується на цьому зображенні. Відтак, вже на рівні фоторецепторів проблема зору постає як статистична проблема.
Спектр дії фотопігменту
Першим кроком у процесі зору є поглинання фотонів зоровими пігментами фоторецепторів, що запускає складний біохімічний каскад фототрансдукції. Відтак, існує тісна узгодженість між відносною спектральною чутливістю фоторецептора (його «спектром дії») та спектром поглинання його фотопігменту.
Тільки фотони, що поглинаються зоровими пігментами, будуть залучені до процесу зору і жоден із пострецепторних нейронних механізмів обробки інформації не в змозі відновити чи замінити інформацію, втрачену коли фотони не були поглинуті. Тому фотохімічні властивості зорових пігментів накладають фундаментальні обмеження на ймовірність схоплення фотонів фоторецепторами, а, відтак, і на зорове сприйняття світу.
Оскільки поглинання фотонів є стохастичним процесом, то сигналізування фоторецептором схоплення фотону визначається головним чином ймовірністю поглинання фотону, що є функцією частоти фотону. Позаяк частота є фундаментальною властивістю фотону, то спектральне поглинання зоровим пігментом повинно виражатись, як функція частоти. Втім, загальноприйнятим є визначення спектрального поглинання як функції довжини хвилі, припускаючи, що воно стосується фотону у вакуумі. Хоча коли електромагнітна хвиля поширюється в середовищах з різним показниками заломлення, то довжина хвилі змінюється пропорційно швидкості світла, а зберігається тільки її частота. Тому для поглинання зоровим пігментом ключовою є енергія фотону, а не його довжина хвилі. До прикладу, хоча довжина хвилі «зеленого» фотону в середині ока залежить від того, чи заповнене воно водою або повітрям, проте саме сприйняття фотону не змінюється, оскільки поглинання світла фоторецептором залежить від енергії фотонів, що пропорційна його незмінній частоті.
Якщо розглядати спектральне поглинання фотопігменту як функцію довжини хвилі, то спектри поглинання зорових пігментів всіх видів хребетних є схожими, складаючись з кількох відмінних діапазонів поглинання: α-, β-, γ-діапазони та ін.. Головний, α-діапазон, разом зі значно слабшим (β-діапазоном), пов'язаний із опсин-зв'язаним хромофором і формує асиметричну та куполоподібну криву, що описує відносну ймовірність поглинання кожної з довжин хвиль світла (енергії фотону). Піком α-діапазону є довжина хвилі світла, що поглинається з найвищою ймовірністю, знана як λmax (довжина хвилі максимального поглинання). Лише зв'язування опсину з ретиналем формує широкий, α-діапазон поглинання у видимому спектрі світла. λmax α-діапазону цього фотопігмента залежить від генетично зумовленої послідовності амінокислот опсину та взаємодії конкретного опсину з хромофором. Другий, значно менший, діапазон поглинальної здатності (β-діапазон) пов'язаний із цис-діапазоном хромофору. Зростання спектрів фотопігменту L- та M-колбочок при дуже коротких довжинах хвиль є свідченням такого β-діапазону.
Існують відповідні шаблони, які дозволяють моделювати повне спектральне поглинання зорового пігменту використовуючи тільки довжину хвилі його максимального поглинання, λmax. Найпоширенішим серед яких є шаблони зорових пігментів, отримані В.Говардовським та ін.
Опсинне зміщення
Оскільки всі зорові пігменти ссавців містять один і той самий хромофор (11-цис-ретиналь), а їх λmax коливається в діапазоні від ~360 нм в ближній УФ-області спектру (миші та морські свинки) до ~565 нм в червоній області спектру (примати і люди), то різниця в λmax між різними типами фотопігментів обумовлена послідовністю амінокислот опсину та взаємодією специфічних амінокислот із хромофором в ділянці зв'язування опсину. Зокрема, обмежене число положень амінокислот в молекулі опсину відіграють ключові ролі в спектральному налаштуванні фотопігменту, що узгоджується з психофізично-електрофізіологічними вимірюваннями, які виявили групування значень λmax фотопігментів в дискретних спектральних положеннях.
Самі по собі опсини максимально поглинають фотони в ультрафіолетовій області спектру, нижче 300 нм, тоді як хромофор 11-цис-ретиналь максимально поглинає в діапазоні ~380 нм. Протонування основи Шиффа 11-цис-ретиналю в (органічному розчиннику) (метанол) зміщує λmax із 380 до ~440 нм. Однак, напр. в бичачому родопсині, в якому 11-цис-ретиналь ковалентно зв'язаний із залишком лізину Lys296, λmax цього самого ретиналю зміщується до 498 нм, тобто відбувається червоне зміщення на 58 нм. Таке саме зміщення λmax хромофору також відбувається в колбочкових фотопігментах. Зміщення λmax між пігментом та протонованою шиффовою основою хромофору називається «опсинним зміщенням», оскільки білок опсину змінює спектр поглинання пігменту у порівнянні з протонованою основою Шиффа 11-цис-ретиналю. Терміном «опсинне зміщення» також описується різниця значень λmax серед фотопігментів, позаяк у зорових пігментах з однаковими хромофорами відмінність в спектральній чутливості постає з відмінності в послідовностях амінокислот опсину.
Було запропоновано кілька механізмів, як взаємодія хромофор-опсин може спричинити «опсинне зміщення»: 1) зміна сили електростатичної взаємодії між групою протонованої шиффової основи хромофору та його протиіоном чи акцептором водневого зв'язку. 2) розміщення повного або часткового зарядів вздовж полієнового ланцюга. 3) зміна полярності або середовища білка опсину.
Найбільш загальноприйнятим поясненням опсинного зміщення є модель «точкового заряду», що регулює λmax шляхом зміни розміщення повних або частково заряджених груп у зв'язувальній кишені хромофору. Зокрема, модель припускає, що якщо один негативний заряд розмістити поблизу протонованої основи Шиффа, а інший негативний заряд на 3Å від C12 та 3,4Å від C14 хромофору, то це призведе до значного червоного зміщення λmax родопсину.
Регулювання спектральної налаштованості фотопігменту
Амінокислотні заміни
В процесі еволюції спектральне налаштування зорових пігментів обумовлювалось мутаціями в амінокислотній послідовності білка опсину, фіксація яких зазвичай відбувається протягом 103−104 поколінь. Щоб такі мутації впливали на електростатичне та стеричне середовище хромофору, а відтак і на енергетичну щілину між основними та збудженими станами хромофору, вони повинні траплятись біля хромофорної кишені. Єдина амінокислотна заміна може змістити λmax на ~75 нм, однак спектральна налаштованість фотопігменту зазвичай реалізується через кілька таких заміщень.
У ссавців ідентифіковано чисельні амінокислотні залишки в молекулі опсину, які впливають на спектральну налаштованість їх фотопігментів. Серед фотопігментів L/М-колбочок було виявлено п'ять положень амінокислот, що відповідальні за спектральну налаштованість: 180, 197, 277, 285, 308. Відмінності лише в трьох положеннях амінокислот (180, 277 та 285) відповідальні за більшу частину зміщення λmax між L- та М-фотопігментами. Ще складнішою є налаштованість S-фотопігменту. Тоді як для зміщення λmax родопсину від 500 до 440 нм потрібно щонайменше дев'ять положень амінокислот в опсині, то оскільки λmax фотопігменту S-колбочки людини ~420 нм, до цього зміщення повинні бути залучені додаткові положення амінокислот. Інші додаткові положення функціюють разом для зміщення λmax до ще коротших довжин хвиль, обумовлюючи зміщення λmax фотопігментів миші в ультрафіолетовий кінець спектру.
Зміна хромофору
Значно швидша модифікація спектральної чутливості фотопігментів здійснюється через зміну хромофору. Вітамін А має в хребетних дві форми — вітамін А1 і вітамін А2. Вітамін А має в хребетних дві форми — вітамін А1 і вітамін А2. Зорові пігменти, сформовані із ретиналю (альдегід вітаміну А1) називаються родопсинами (поширені серед морських та наземних тварин), тоді як пігменти, які містять 3-[en] (похідний вітаміну А2) називаються [de] (поширені серед риб, земноводних, плазунів).
Хромофор, що знаходиться в гідрофільній зв'язувальній кишені в середині опсину, складається із кон'югованого ланцюга із 18 атомів вуглецю, прикріплених до β-[en], а 3-дегідроретиналь ще містить додатковий подвійний зв'язок між вуглецями в β-іононовому кільці. Тому з'єднання 3-дегідроретиналю з опсином зміщує λmax зорових пігментів до довших довжин хвиль і А2-пігменти варіюються в діапазоні від 400 до 635 нм, однак за рахунок зменшення теплової стабільності та фоточутливості. Таке зміщення залежить від довжини хвилі, досягаючи 50-60 нм із зоровими пігментами, чутливими до довгих хвиль (LWS) і лише кілька нанометрів з короткохвильовими пігментами (SWS1, SWS2).
Оскільки А2-хромофор характеризується більшим тепловим шумом при температурі 35-40 °C, то хромофорне зміщення від А1 до А2 є недоступним для теплокровних хребетних (ссавців та птахів). Однак багатьом земноводним та рибам притаманне хромофорне зміщення між А1 та А2, що пов'язане із порою року та періодом розвитку. Так, протягом метаморфоз із пуголовка у бурої жаби відбувається зміщення від А2 до А1, тоді як шпоркова жаба бувши пуголовком має суміш А1 і А2 хромофору, що потім з розвитком змінюється на А2. Багато риб (напр., лосось) змінюють А1 на А2 хромофор коли мігрують з океану до річки для метання ікри. В цілому, морські види риб використовують А1-хромофор, а прісноводні види — А2-хромофор, що корелює зі спектральними відмінностями в цих середовищах.
Існує також багато тварин, які мають одночасно А1 і А2-хромофор, як північноамериканська велика зелена жаба. Цей вид жаб має А2-хромофор на дорсальному кінці сітківки та А1 у її вентральній частині, співвідношення яких залежить від пори року. Одночасна присутність двох хромофорів корелює з двома полями зору цієї жаби, що знаходиться на поверхні води ставка: підводне поле зору спрямоване на дорсальну частину сітківки, а надводне поле зору на вентральну частину.
Отож, шляхом лише зміни хромофорів в процесі розвитку чи сезонних змін, зорові пігменти можуть істотно змінювати максимальну спектральну чутливість, приводячи до змін кольорового зору.
Крім того, спектр поглинання фотопігменту обумовлюється концентрацію пігменту в зовнішньому сегменті фоторецептора та довжиною зовнішніх сегментів. Ці чинники впливають на спектр поглинання через т. зв. ефекти самоекранування (див. детальніше (ефект самоекранування)). Позаяк зоровий пігмент знаходиться в мембранних дисках, що формують шари в зовнішньому сегменті фоторецептору, то перший шар фотопігменту поглинає більше світла із довжинами хвиль, близькими до його довжини хвилі максимального поглинання, λmax. Тому світло, яке досягає другого шару містить менше фотонів із довжинами хвиль, близькими до λmax (перший шар екранує другий шар) і цей шар поглине менше світла з λmax, а більше світла з «не максимальними» довжинами хвиль. Таке самоекранування далі поширюється на всі інші шари фотопігменту в зовнішньому сегменті, роблячи загальний спектр поглинання фоторецептора тим ширшим, чим більше шарів світло повинно пройти.
Протонування основи Шиффа
Всі зорові пігменти мають залишок лізину (в паличці бика знаходиться в положенні 296; в L-колбочці людини — 312), розміщеного в сьомому трансмембранному сегменті й ковалентно зв'язаному з хромофором ретиналем через основи Шиффа (ОШ). У фотопігментах, які поглинають видиме світло (λmax > 380 нм), основа Шиффа є протонованою, що призводить до делокалізації π-електрону в системі кон'югованих подвійних зв'язків ОШ ретиналю, в такий спосіб уможливлюючи поглинання видимого світла. У фотопігментах хребетних позитивно заряджена, протонована ОШ стабілізується негативно зарядженою глутаміновою кислотою в положенні 113 (Glu113), яка тому називається протиіоном (іон з протилежним зарядом).
Делокалізація позитивного заряду до протонованої основи Шиффа впливає на спектральну чутливість фотопігменту: збільшення степені делокалізації призводить до довгохвильового (червоного) зміщення, а зменшення — до зміщення в бік коротких довжин хвиль (синє зміщення). Така зміна розподілу заряду вздовж хромофору здійснюється через взаємодії між диполярними амінокислотними залишками та хромофором і через модуляцію взаємодії між протиіоном (Glu113) та протонованою шиффовою основою.
Багато птахів, риб, плазунів, земноводних та деяких ссавців мають фотопігменти, чутливі до ультрафіолетового діапазону спектру, з λmax 360—370 нм. Разом з фіолетовими (чи синіми) пігментами, ультрафіолетові пігменти (УФ) з λmax 390—430 нм належать до групи SWS1-пігментів. Порівняння амінокислотних послідовностей різних SWS1-пігментів не виявило жодної спільної амінокислоти поміж УФ-пігментів, що свідчить про те, що спектральна чутливість УФ-пігментів різних видів хребетних обумовлена відмінними механізмами
Втрата в SWS1-пігментах протонування ОШ призводить до їх короткохвильового зміщення λmax в ультрафіолетовий діапазон спектру. В результаті заміни в SWS1 пігменті зарядженого Glu113 незарядженим Gln постає пігмент з pH-чутливою λmax: збільшення pH веде до зміщення λmax з ультрафіолетового (з піком 351 нм) до фіолетового (424 нм). В природному стані чутливих до ультрафіолету SWS1 пігментів ОШ непротоновані, тоді як чутливі до фіолетового спектра SWS1 пігменти є протонованими, що свідчить про вплив протонування ОШ SWS1-пігментів на їх спектральну чутливість.
Для зміни стану протонування ОШ SWS1-пігменту достатньо однієї амінокислотної заміни. Хоча первинно SWS1-пігменти хребетних були чутливі до ультрафіолету, зміщення їх чутливості до фіолетового траплялось багато разів в еволюції і було пов'язане із заміною фенілаланіну (в положенні 86, Phe86) на тирозин (Tyr) або серин (Ser). На відміну від тих хребетних, в яких чутливі до ультрафіолету SWS1 пігменти були первинно, у птахів такі пігменти постали через втрату чутливості до фіолетового діапазону спектру внаслідок амінокислотної заміни Phe86 на Ser. з-поміж всіх вивчених хребетних, лише для пташиних чутливих до ультрафіолету пігментів є характерним зміщення спектральної чутливості назад до фіолетового через заміну Ser (в положенні 90) на цистеїн (Cys). Така амінокислотна заміна свідчить про альтернативний спосіб формування пігменту, чутливого до ультрафіолету і скоріш за все її наслідком є втрата протонування ОШ.
В паличкових пігментах протонування ОШ стабілізується комплексом водневого зв'язку довкола ОШ. Амінокислотні залишки, залучені до цього комплексу ОШ, знаходяться в положенні 94, 113, 181, 186, 192 та 268, і разом з молекулами води відіграють ключову роль в механізмі переключення протиіону ОШ, що відбувається після формування проміжного стану метародопсину І (МІ) внаслідок активації родопсину поглинанням світла.
Колір та довжина хвиль світла
Довжини електромагнітних хвиль (λ), які є видимими для людини (можуть пройти через оптику ока та спричинитись до фотохімічної зміни в зорових пігментах сітківки), знаходяться в діапазоні від 400 нм (фіолетовий) до 700 нм (темно-червоний). Цей діапазон видимого світла включає кольори спектру, які Ісаак Ньютон описав як червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, індиго та фіолетовий. Для деяких тварин, включаючи риб, птахів та багатьох членистоногих, цей спектр розширюється до ультрафіолетового діапазону — від 400 до ~320 нм (ультрафіолет А, UVA).
Об'єкти в зовнішньому світі відбивають різні довжини хвиль світла по-різному. Тому розподіл довжин хвиль в світлі, відбитому від об'єктів, допомагає тваринам ці об'єкти ідентифікувати, розрізнити та класифікувати. Так, листя відбивають більшість світла в діапазоні 500—600 нм, сині квіти в діапазоні 350—500 нм, стиглий фрукт — 550—600 нм і т. д..
Слід розрізняти колір і довжину хвилі світла. Як відзначав ще Томас Юнг в 1802 р., самі по собі довжини хвиль не мають кольору. Колір, який людина суб'єктивно сприймає, постає як результат аналізу зоровою системою різних довжин хвиль світла.
Коли в 1960-х рр. вперше була виміряна чутливість одиничних колбочок до різних довжин хвиль світла, то було виявлено, що жодна з них не була чутливою до «червоних» довжин хвиль (довших 600 нм). Найближчою до червоного кольору є колбочка, що має максимальну чутливість до довжини хвилі ~564 нм, що відповідає жовто-зеленому кольору. Тому червоний колір не має окремого фоторецептора в сітківці людини, а відображається як зменшення у вихідному сигналі колбочок з λmax = 564 нм та ще більшим зменшенням у вихідному сигналі колбочок з λmax = 534 нм. Відтак, для справжнього «червоного» кольору (довжини хвиль більше ніж 650 нм) зостаються активними тільки колбочки з λmax = 564 нм. Тому приписування суб'єктивного сприйняття певного кольору до довжини хвиль приводить до змішання, коли ми називаємо, до прикладу, довжину хвилі 580 нм як «жовтий» колір. Однак, суб'єктивний жовтий колір постає як поєднання світла з довжинами хвиль 620 нм («червоний» колір) та 540 нм («зелений» колір). Так само є багато кольорів, які людина сприймає як один, але які не мають відповідних одних спектральних довжин хвиль (напр., «пурпуровий» колір є поєднанням довгих (червоний колір) та коротких (синій колір) довжин хвиль).
Принцип уніваріантності
Хоча ймовірність того, що фотон буде поглинений фоторецептором істотно змінюється із довжиною хвилі світла (визначаючи спектральну чутливість фоторецептора), однак, — відповідно до запропонованого в 1960-х рр. англійським фізіологом [en][en], — ефект від поглинання фотону незалежний від довжини хвилі. Тому кожен з трьох класів колбочок, які забезпечують триколірний зір, характеризується уніваріантною (одновимірною) реакцією на поглинений фотон. Уніваріантність полягає в тому, що поглинання фотону одиничним зоровим пігментом постає, як відгук однієї змінної на зміну інтенсивності світла. Відтак, фотопігмент відображає весь спектр видимого світла у вихідний сигнал однієї змінної — частоту (кількість) поглинання квантів світла. Формально, фоторецепторний відгук, R, може бути описаний як функція світла, поглиненого фотопігментом при даній довжині хвилі:
де I — число квантів світла; Aλ — частка падних фотонів, поглинених фотопігментом для кожної довжини хвилі, λ.
В.Раштон відзначав, що коли зоровий пігмент поглинає фотон, то вплив на пігмент буде однаковим, незалежно від довжини хвилі фотону: («Вихідний) сигнал фоторецептора залежить від його схоплення кванту [світла], але не від того, які кванти були схоплені». Тому, хоча фотони з довжиною хвилі λ=450 нм мають більше енергії, ніж з λ=750 нм, послідовність реакцій фотопігменту на поглинання фотону з λ=450 нм є такою ж самою, як і послідовність реакцій на фотон з λ=750 нм. Тож, фоторецептор, що є найбільш чутливим до зеленого світла, може генерувати однаковий вихідний нейронний сигнал на стимуляцію тьмяним зеленим або помаранчевим світлом.
Оскільки реакція одиничного фотопігменту не кодує жодної інформації про відносну спектральну складову світла, наш зір не в змозі розрізнити світло з різними [en] вночі. Однак уніваріантність не означає, що зоровий пігмент має однакову реакцію на всі світлові спектри, оскільки він максимально чутливий до конкретних довжин хвиль світла, і менш чутливий до інших, що й визначає спектральну чутливість фоторецептора. Але, відповідно до принципу уніваріантності, після поглинання всі кванти світла мають однаковий ефект на фоторецепторний вихідний сигнал.
Тож, фоторецептор постає як складний «лічильник фотонів», зміна вихідного сигналу якого залежить тільки від кількості поглинених фотонів, а вся інформація про енергію фотонів (довжину хвилі) втрачається. Як наслідок, фоторецептори сигналізують нижче розташованим нейронам сітківки та всій вищій зоровій системі лише частоту (кількість) поглинених фотонів, а не їх «кольори» (довжину хвилі). Оскільки зміна в частоті поглинання фотону зоровим пігментом може бути результатом або зміни довжини хвилі фотону, або зміни кількості падних фотонів (інтенсивності), то із вихідного сигналу одного фоторецептора нижчестоячі нейрони сітківки не в змозі визначити, чи варіація в частоті є наслідком зміни інтенсивності світла чи довжини хвилі. Через таке змішання кольору та інтенсивності, одиничні фоторецептори, — як палички, так і колбочки,- є «сліпими» до кольору.
Тому, відповідно до принципу уніваріантності, здатність сприймати колір (розрізнення на основі довжин хвиль) можлива тільки завдяки порівнянню нейронами сітківки та вищої зорової системи вихідних сигналів більше ніж одного типу фоторецепторів, що мають відмінні спектральні чутливості. Подібне порівняння можливе завдяки існуванню хроматичних пострецепторних нейронних шляхів, які розрізняють сигнали з різних типів колбочок (напр., L-M та [L+M]-S).
Фотопігменти триколірного зору
Світло змінюється як в інтенсивності, так і довжині хвилі. Кольоровий зір є здатністю розрізнити між двома світловими стимулами на основі довжини хвилі світла, незалежно від його інтенсивності.
Існують дві головні фізіологічні передумови для кольорового зору. Першою є наявність щонайменше двох типів зорових пігментів з відмінними спектральними чутливостями, λmax, які найчастіше притаманні двом різним колбочкам. Тільки за цієї умови спектральні кольори з різними довжинами хвиль дадуть різні співвідношення стимуляції двох фотопігментів, незалежно від загальної стимуляції (всього рівня освітлення). Іншою передумовою кольорового зору є здатність порівняти відносне збудження колбочок, що здійснюється на різних рівнях зорової (пострецепторної) системи.
Наявність кольорового зору припускає, що спостерігач може залучати не тільки довжини хвиль, які відповідають максимальній чутливості (λmax) зорових пігментів, але й проміжні довжини хвиль світла, як і комбінації різних довжин хвиль, через використання співвідношень стимуляції відмінних фотопігментів у різних фоторецепторах.
Розмірність кольорового зору може бути визначена за допомогою методу «узгодження кольорів» (англ. color matching) — визначення з допомогою психофізичних вимірювань кількість світла з фіксованою спектральною складовою (т. зв. «основними кольорами»), кожна незалежно змінювана в інтенсивності, які необхідні для поставлення у відповідність будь-яке спектральне світло. Кількість спектрально відмінних типів фоторецепторів невід'ємно пов'язана з розмірністю кольорового зору, оскільки не може бути менше типів фоторецепторів, аніж існує вимірів кольорового зору.
Кольоровий зір людей, які в нормі мають три типи колбочок, є триколірним. Це означає, що будь-яке видиме світло може бути (підігнане) (англ. matched) через відповідне змішання лише трьох незалежних «основних кольорів»: червоного, зеленого і синього (незалежних означає, що жоден з трьох основних кольорів не може бути отриманий через поєднання двох інших основних кольорів). Така підігнаність (описувана (функціями кольорової відповідності)) трапляється тоді, коли відгуки на світло та основні кольори еквівалентні для кожного класу колбочок. Такі кольори, що є фізично різними (мають різний спектральний склад), але сприймаються як однакові, знані як метамери (напр., відповідність між спектральним жовтим кольором та сумішшю спектральних червоного та зеленого кольорів).
Якщо активним є тільки один тип фоторецепторів, то в такому випадку зір буде одноколірним (монохроматним), тобто зведеним до одного виміру: два світла з будь-якою спектральною складовою можуть бути поставлені у точну (відповідність) одне одному через просте зіставлення їх інтесивностей. Подібна одноколірність характерна для зору більшості спостерігачів за нічних умов (при тьмяному світла), коли активними є тільки палички. У рідкісних випадках деякі люди є одноколірними й за умов яскравого денного освітлення, оскільки позбавлені колбочок (т. зв. «паличкова одноколірність») або мають тільки один з трьох типів колбочок («колбочкова одноколірність»). Зір є двоколірним (дихроматним), тобто зводиться до двох вимірів, коли активними є тільки два типи колбочок: світло з будь-якою спектральною складовою можна підігнати через поєднання двох інших світлових спектрів. Людей з двоколірним зором, залежно від того, який з трьох типів колбочок у них відсутній, прийнято розділяти на три класи: (відсутні L-колбочки), дейтеранопи (відсутні M-колбочки) і тританопи (відсутні S-колбочки). Більшість людей з нормальним кольоровим зором мають три класи колбочок і тому є триколірними (трихроматами), тобто мають три виміри кольорового зору.
Структура фоторецепторів
Морфологія та фізіологія фоторецепторів підсилює їх функцію, як світлочутливих клітин. Палички і колбочки є видовженими клітинами із сильно вираженою [en], які складаються із п'яти головних компонентів: зовнішній сегмент (ЗС), внутрішній сегмент (ВС), з'єднувального війка (ЗВ), ядра та синаптичного термінала. ЗС локалізований на зовнішній або дистальній частині сітківці, в ньому схоплюються фотони та відбувається його перетворення в електричний сигнал в процесі фототрансдукції. ВС локалізований більш проксимально в сітківці і знаходиться під ЗС; в ньому містяться органели, відповідальні за синтез білків (комплекс Ґольджі та ендоплазматичний ретикулум) та регуляцію метаболічної активності (мітохондрія) клітини. Синаптичний термінал утворює контакт із цільовим нейроном фоторецептора. З'єднувальні війки сполучають ЗС із ВС, забезпечуючи перехід білків із ВС до ЗС.
Світло, після проходження шару нейронів у внутрішній сітківці, надходить до внутрішнього сегмента фоторецептора, звідки спрямовується до зовнішнього сегмента, де взаємодіє з фотопігментом. Реагуючи на світло фоторецептор генерує сигнали які пасивно поширюються вниз по його аксону (~75 мкм в довжину) до синаптичного термінала в зовнішньому плексиформному шарі. Фоторецептор має відмінну від інших нейронів структуру синаптичного термінала, який містить т. зв. [en], яка сприяє неперервному вивільненню збуджувального нейромедіатора глутамату на нижчестоячі (біполярні та горизонтальні) нейрони.
Зовнішній сегмент
В кожному Фі знаходиться зоровий пігмент, родопсин, який розміщений в стопках мембранних дисків в паличко- та колбочко-подібному зовнішньому сегменті (ЗС) (показник заломлення в паличці — 1,41, в колбочці — 1,39), в якому присутні всі компоненти, потрібні для процесу фототрансдукції.
В 1860-х рр. М.Шульце описав загальну морфологію сітківки жаби та показав, що під впливом світла ЗС паличок розпадались на пластинки. Використовуючи поляризаційний мікроскоп, В.Шмідт в 1930-х рр. зміг показати, що ЗС паличок були двозаломні, вказуючи на те що вони є високовпорядкованими, шаруватими структурами (ламелами), які складаються з ліпідів та білків
В кінці 40-х початку 50-х рр., використовуючи електронний мікроскоп, відомий шведський фізіолог [en] показав, що ЗС палички морської свинки дійсно були ламелами, чиї поверхні є 75 Å завтовшки.
Подальші дослідження з допомогою електронного мікроскопа показали, що ЗС колбочок і паличок сітківок всіх хребетних складаються з двомембранних дисків (ламел), приблизно 250Å завтовшки, бувши відокремлені одна від одної водою, ферментами та розчинними солями. Товщина кожної з двох мембран диску варіюється від 50 Å до 75 Å.
Циліндричні та конусоподібні зовнішні сегменти
Для паличок характерні циліндричні ЗС, які в ссавців 1,2-2 мкм в діаметрі та 20-40 мкм в довжину, що коливається залежно від часу дня, інтенсивності світла та розміщення в сітківці. Внутрішній об'єм ЗС палички, включно з міждисковим та цитоплазматичним простором, складає 32×10−12(мл), тоді як цитоплазма заповнює 10×10−12 мл ЗС. Відтак, цитоплазматичний простір, потрібний для процесу фототрансдукції, заповнює лише ~30 % простору всередині ЗС палички, що свідчить про важливість внутрішніх мембранних структур для фототрансдукції.
Колбочки в сітківці ссавців мають більш циліндричний ЗС, тоді як в не-ссавців для колбочок характерний конусоподібний ЗС, який є коротшим (маючи зазвичай половину довжини ЗС палички) із більшим діаметром в основі, що поступово звужується, набуваючи конусоподібної форми ближче до верхівки. Так, ЗС колбочки миші ~1,2 мкм в діаметрі та 13 мкм в довжині. В центральній ямці сітківки приматів колбочки мають довші ЗС, ~45 мкм.
Структурні відмінності в зовнішньому сегменті між паличками та колбочками обумовлюють і їх функціональні відмінності. Оптика ока спрямовує промені світла вздовж майже прямої лінії від ВС до ЗС і далі вздовж ЗС. У прямих ЗС інтенсивність світла зменшується вздовж їх довжини: молекули зорових пігментів в основі ЗС поглинають фотони, тим самим зменшуючи кількість фотонів, доступних для зорових пігментів на верхівці ЗС, т. зв. ефект самоекранування (див. нижче). Внаслідок хвилевідної природи фоторецептора (див. нижче Фоторецептор, як хвилевід), конусоподібний ЗС зменшує ефект самоекранування, зберігаючи високу інтенсивність світла аж до місця знаходження зорового пігменту. Тому конусоподібний ЗС, поєднаний зі специфічною геометрією ВС, покращує оптичну ефективність колбочок, дозволяючи ВС фокусувати світло на ЗС де воно ефективно взаємодіє з фотопігментом.
Мембранні диски
Палички та колбочки по-різному синтезують мембранні диски ЗС. Диски в ЗС колбочок не відокремлені від плазматичної мембрани, формуючи в ній складки, відкриті до позаклітинного простору, тоді як диски в паличках відокремлені від плазматичної мембрани і закриті від позаклітинного простору бувши відкритими тільки при війчастій основі ЗС
ЗС палички ссавців має складну мембранну структуру, що розділяє цитоплазматичний простір майже на тисячу рівномірно відокремлених функціональних відсіків (дисків), накладених один на один, з відстанню між ними в 30 нм. Кожен диск є закритою структурою, що складається із двох сплюснутих мембран. Такі диски організовують фототрансдукцію в окремі регіони, в яких поглинання одиничних фотонів перетворюється на електричний сигнал.
Відокремлені мембранні диски роблять фототрансдукцію ефективнішою, оскільки білки, залучені в початковий каскад трансдукції світлового сигналу є мембранозв'язаними (родопсин є інтегральним мембранним білком, а [en] та [en] прикріплені до мембранних дисків через [en]. Приєднання білків до мембрани підсилює та збільшує швидкість фототрансдукції, позаяк, замість трьох вимірів, дифузія білків обмежується двома.
Наявність великої кількості внутрішніх дисків уможливлює високу концентрацію мембрано-зв'язаних білків в ЗС палички. До прикладу, ЗС палички миші містить ~800 мембранних дисків, що заповнюють 50 % об'єму ЗС, що істотно збільшує ймовірність поглинання фотонів. Складені в стопку мембранні диски збільшують загальну мембранну поверхню в ~1500 разів у порівнянні із самою поверхнею плазматичної мембрани, що уможливлює розміщення величезної кількості зорових пігментів в ЗС.
Молекули родопсину, — яких в ЗС ~140 млн і складають ~80-90 % всіх білків в мембранному диску, — організовані у формі олігомерів вищого порядку і надзвичайно щільно розміщені в дискових ламелах (від 30 до 55 тис. молекул/мкм2, або 108 молекул/паличку). Попри таку щільність, родопсин вільно переміщається в дисковій мембрані, завдяки чому він зустрічає і активує молекули трансдуцину для підсилення світлового сигналу. В ЗС палички миші, що має 24 мкм в довжину і 1,4 мкм в діаметрі, ефективна концентрація родопсину в 3 ммоль збільшує ймовірність поглинання фотона, що проходить через ЗС, до 60 %.
Іншими інтегральними мембранними білками фототрансдукції, які розташовані в дисках ЗС, є дві [en]гуанілатциклази, RetGC1 та RetGC2, які є трансмембранними білками що перетинають мембрану однократно. Інші білки, що беруть участь у фототрансдукції (трансдуцин, фосфодіестерази 6A, 6B, 6C, 6D, рековерин та білки-активатори гуанілатциклази (БАГЦ)) є [en]мембранними білками.
Окрім білків, які беруть участь у фототрансдукції, в ЗС наявні також спеціалізовані білки, які регулюють рух іонів із та в ЗС. Одним із таких білків є добре вивчені цГМФ-регульовані (ЦНР) катіонні канали в плазматичній мембрані ЗС. Через ці канали до ЗС проходять іони Na+ та Ca2+ в адаптованих до темряви паличок і колбочок. У паличок кальцій складає ~10 % «темрявного струму», що переноситься ЦНР-каналами, а в К — ~20 % і більше. В паличках і колбочках Na+ викачується із ВС через натрій-калієвий насос. Такий потік іонів формує основу циркулівного темного струму, більша частина якого переноситься натрієм. Ймовірність відкриття ЦНР каналу, що своєю чергою визначає розмір циркулючого струму, залежить від кількості вільних [цГМФ]. В темряві концентрація вільних [цГМФ] становить 3-4 мкмоль, при якій канал відкривається лише з ймовірністю 0,1-0,2.
В плазматичній мембрані палички втікання Ca2+ через ЦНР канал балансується виведенням Ca2+ з допомогою Na+/Ca2+-K+ білка-обмінника (NCKX), завдяки чому внутрішньоклітинний рівень Ca2+ зберігається на відносно сталому рівні.
Відновлення зовнішніх сегментів
Для підтримки максимальної чутливості фоторецепторів до світла, ЗС відносно швидко відновлюються. До прикладу, в фоторецепторах мишей, щурів та шпоркової жаби гладенької для відновлення ЗС потрібно до 10 днів. Однак відновлення ЗС у жаби леопардової триває понад 6 тижнів.
Синтез нових дисків відбувається в основі ЗС паличок, а старі диски переміщаються до верхівки ЗС, з поверхні якого вони скидаються пачками (від 8 до 30 дисків) і врешті фагоцитуються пігментним епітелієм сітківки. Оскільки ЗС палички містить ~140 млн молекул родопсину, то кожна паличка повинна синтезувати ~10 млн нових молекул родопсину на ЗС щодня, або півмільйона молекул на паличку щогодини.
У колбочках відбувається подібний до паличок процес відновлення ЗС, але оскільки диски колбочок не відокремлені від плазматичної мембрани, відбувається змішання нових та старих компонентів мембранних дисків. Відновлення дисків в колбочках також відбувається через включення нових компонентів та скидання і фагоцитоз частини мембрани ЗС.
Відновлення дисків ЗС відбувається в циркадний спосіб: в паличках синтез нових дисків відбувається перед світанком, а скидання вранці, коли зір перемикається із паличок на колбочки; у колбочок навпаки — скидання дисків перед сутінками, а синтез вранці Крім того, на відміну від паличок, колбочки зберігають їх форму через додаткові утворення складок в напрямку довжини ЗС, що дозволяє їм збільшити довжину за рахунок ширини.
Втрата зовнішніх сегментів в ховрахів
Часткова чи повна втрата зовнішніх сегментів колбочок була виявлена у ховрахів, що впадають в зимову сплячку, чия сітківка містить ~85 % колбочок.
В одних з перших досліджень впливу сплячки на сітківку ховрахів було показано, що після входження в зимову сплячку, зовнішні сегменти колбочок ховраха тринадцятисмугового ставали коротшими чи взагалі зникали, а діаметр дисків зменшувався, однак без якого-небудь збільшення кількості фагосомів пігментного епітелію сітківки. У порівнянні ЗС колбочок, ЗС паличок ховраха не змінювались протягом сплячки.
Разом із змінами ЗС, змінювались також інші складові колбочки ховраха, що перебував у сплячці: зменшення кількості та довжини мітохондрії у внутрішньому сегменті, зниження кількості синаптичних везикул та синаптичних ніжок. Часткове повернення до нормальної довжини ЗС у ховраха відбувалось через один тиждень після пробудження із сплячки, і закінчувалось повністю ще через тиждень. Відновлення синаптичної морфології та мітохондрій відбувалося швидше, приблизно за 3 дні.
Внутрішній сегмент
Внутрішній сегмент (ВС) фоторецептора — це тіло клітини, в якому містяться ядро, мітохондрія та ін. клітинні органели. Його анатомія спеціалізована для забезпечення високого рівня енергії та синтезу білків, необхідних для підтримки функціювання фоторецептора.
У колбочок ВС зазвичай більш об'ємисті із щільно упакованими в еліпсоїдному регіоні округленими мітохондріями, тоді як у паличок ВС містять менше мітохондрій, які є довшими та тоншими від колбочкових. Те, що колбочки мають більший ВС ніж палички пов'язане скоріш за все з їх більшими метаболічними потребами у порівнянні із паличками.
На відміну від ЗС, ВС паличок і колбочок не є шаруватими, але в них щільно упаковані мітохондрії.
ВС заведено ділити на дві частини: еліпсоїд та міоїд.
Еліпсоїд
Еліпсоїд — це віддалена частина ВС (ближча до ЗС), що містить щільно розміщені видовжені мітохондрії, які вирівняні по колу вздовж осі фоторецептора. Діаметр мітохондріального еліпсоїда колбочок людини становить 2,5 — 5 мкм, тоді як, до прикладу, в черепах — 7 – 12 мкм, а в курей — 2-3 мкм.
В макак колбочки містять в 9-10 разів більше мітохондрій ніж палички. У них мітохондрії складають 74-85 % еліпсоїдів колбочок, та 54-66 % еліпсоїдів паличок. Об'єм їх еліпсоїда з відстанню від центральної ямки збільшується в 2,4 раза для паличок та більше ніж вшестеро для колбочок на відстані до ~13 мм, в той час як об'єм ЗС є сталим для обох фоторецепторів. Більша кількість мітохондрій в колбочці ніж в паличці є дивним, з огляду на те, що механізм фототрансдукції в них майже однаковий.
Метаболічні функції мітохондрій
Мітохондрії у фоторецепторах виконують подвійну функцію. Як і в інших клітинах, у фоторецепторах вони виконують метаболічні функції, бувши генераторами аденозинтрифосфату (АТФ). Фоторецептори, зокрема їх ВС, характеризуються високим споживанням кисню. ВС колбочок мають інтенсивне гістохімічне фарбування цитохром-с-оксидази та відносно високе споживання кисню. Більшість з енергії, яка генерується у ВС колбочок, підтримує перекачування іонів натрію та обмін цГМФ. В темряві, за відсутності світлового стимулювання, натрій-калієвий насос в плазматичній мембрані ВС характеризується надзвичайно швидкою активністю, потрібною для балансування великого потоку натрію через багато відкритих цГМФ-регульованих каналів в ЗС
Крім того, мітохондрії еліпсоїда забезпечують високу частоту синтезу білків в міоїді ВС для забезпечення високого рівня фототрансдукції білків в ЗС. Так, ЗС палички містить до 5×107 молекул родопсину, із яких 10 % фагоцитуються пігментним епітелієм сітківки з настанням світла кожного дня, тому для постійної підтримки кількості родопсину в ЗС, в еліпсоїді щодня синтезується до 5×106 молекул родопсину і переміщається до основи ЗС.
Оптичні функції мітохондрій
Крім метаболічних функцій, фоторецепторні мітохондрії у ВС мають також і оптичні функції. Показник заломлення ВС та ЗС є вищим від показника заломлення проміжного середовища, завдяки чому у фоторецепторі є можливим повне внутрішнє відбиття, що обмежує світло в границях рецептора і він діє як хвилевід.
Еліпсоїд має вищий показник заломлення у порівнянні з іншими частинами фоторецептора, що зумовлено щільністю мітохондрій, які тому повинні виконувати також оптичні функції. Завдяки вищому показнику заломлення, поперечна площа ВС, а не ЗС, визначає площу схоплення фотонів фоторецептора і дозволяє еліпсоїду спрямовувати світло до ЗС. Вимірювання подвійних колбочок зелених сонячних окунів (Lepomis cyanellus) виявили систематичні градієнти показника заломлення у ВС колбочок, який збільшується від 1,38 до 1,42 уздовж поздовжньої осі ВС.
Місце вздовж ВС, де поєднання конічної форми та збільшеного показника заломлення у порівнянні з позарецепторним простором, ініціює хвилевідність в напрямку ЗС і визначається, як оптична вхідна апертура фоторецептора. В колбочках центральної ямки людини апертура добре корелює з розташуванням мітохондрій, за винятком колбочок в середині центральної ямки, в яких апертура є ближчою до зовнішньої пограничної мембрани.
Оптичні, більш ніж метаболічні, функції фоторецепторних мітохондрій дозволяють пояснити відмінність між кількістю мітохондрій у ВС паличок та колбочок (особливо периферійних) сітківок людей та мавп. Їх широкі та конічні ВС, у порівнянні з вузькими та широко розставленими ЗС, можуть сприяти у схопленні та спрямуванні світла до фотопігменту в ЗС. На відміну від мавп та людини, різниця між діаметрами ЗС та ВС паличок і колбочок сітківок мишей та кішок не така значна, тому між ними і менша різниця в кількості мітохондрій та метаболічній активності, що вказує на меншу важливість еліпсоїдних мітохондрій колбочок для хвилевідних властивостей.
Найбільш очевидними оптичні властивості мітохондрій фоторецепторів є в тупаєподібних та землерийок, чиї колбочки містять поряд з меншими мітохондріями кілька великих мітохондрій («мегамітохондрій»), що мають нерегулярні крісти і діють як мікролінзи, підсилюючи оптичні функції колбочок. Такі великі мітохондрії могли з'явитись як заміщення [en], які були в пращурів тупаєподібних. Середній показник заломлення ізольованого ВС колбочки малайської тупаї (Tupaia belangeri) вищий (1,405), ніж будь-якого іншого вивченого ссавця.
Вивчення мітохондріальних еліпсоїдів ВС одиничних колбочок курки (Gallus gallus domesticus) показало, що у фоторецепторів птахів еліпсоїди слугують не для покращення схоплення світла, а скоріш для зменшення погіршення оптичних функцій фоторецептора через розсіяння світла по ньому. У колбочок птахів еліпсоїд має ту саму ширину, що й олійна кольорова краплина і змінює [en] фоторецептора, тому незначним чином покращує передачу світла від ВС до ЗС.
В деяких ящірок та міногових найближчі області еліпсоїдів колбочок містять скупчення збільшеного ендоплазматичного ретикулуму, знані як «заломлюючі тіла», які виконують функцію збирання та спрямування світла.
Міоїд
Частина ВС фоторецептора, ближча до тіла клітини, називається міоїд і містить вільні рибосоми, (шорсткий ендоплазматичний ретикулум) (ШЕР) та комплекс Ґольджі, які відповідають за синтез білків у фоторецепторі.
Термін «міоїд» був запозичений із схожої області фоторецепторів земноводних, яка містить скорочувальну структуру, що відповідає за рух ЗС колбочок для їх орієнтування. На відміну від земноводних, міоїд ВС людини не може скорочуватись, хоча вісь ВС та ЗС зорієнтована на вихідну зіницю ока, в такий спосіб збільшуючи ймовірність схоплення світла фоторецептором.
Із фоторецепторного ядра в ШЕР транспортуються матричні РНК, де транслюються на рибосомах в білки опсинів, які комплексом Ґольджі пакуються в маленькі везикули. Ці везикули транспортуються до з'єднувального війка і потрапляють до ЗС, де включаються в мішки та плазматичні мембрани.
У деяких видів міногових (геотрія (Geotria australis)), ящірок (Ctenophorus ornatus) та рогозуба міоїд колбочок та колбочкоподібних фоторецепторів цілком містить жовтий/помаранчевий пігмент, який подібно до олійних краплин, діє як спектральний фільтр, поглинаючи довжини хвиль світла нижче ~500 нм. У пращурів геотрії ці жовті міоїдні пігменти скоріш за все виникли як адаптація до харчування на поверхні морських вод, де на їх очі постійно впливають шкідливе (з високою енергією) короткохвильове світло. Крім того, фільтр, який поглинає короткі хвилі може також запобігти фотостимуляції β-діапазону фотопігментів та звузити спектральну чутливість різних типів колбочок, зміщуючи пік їх чутливості і тим самим покращуючи розрізнення кольорів.
З'єднувальна війка
Внутрішній сегмент фоторецептора поєднаний із зовнішнім сегментом через тонкі нерухомі з'єднувальні війки (0,3 мкм в діаметрі), що є єдиним фізичним з'єднанням між ЗС та ВС. На відміну від рухомого війка, аксонема з'єднувального війка не має двох мікротрубочок в центрі і тому, ближче до основи, має структура мікротрубочок 9×2+0. Далі від основи війка і через більшу частину ЗС дублети мікротрубочок переходять в структуру 9×1+0 синглетів-мікротрубочок.
Через з'єднувальні війки відбувається потік величезної кількості ліпідів та білків із ВС, де вони синтезуються, до ЗС, де беруть участь у фототрансдукції чи підтримці функціювання ЗС. Щохвилини до 2 тис. молекул транспортується із ВС до ЗС.
Ядро
Ядра паличок та колбочок формують зовнішній ядерний шар сітківки хребетних. У колбочці ядро міститься у внутрішньому сегменті, тоді як в паличці ядро знаходиться в клітинному тілі, відокремленому від внутрішнього сегмента зовнішнім волокном. Ядро паличок та колбочок характеризується високим рівнем транскрипції, оскільки мембранні диски зовнішніх сегментів неперервно оновлюються, тому фоторецептори функціюють як свого роду Апокринні залози з високою активністю.
Клітинні ядра відмінні в паличок та колбочок. Ядро палички округліше, відносно мале і характеризується розміщенням гетерохроматину в одне щільне скупчення (хромоцентр), яке виглядає темнішим коли забарвлене нуклеофільним фарбуванням. Ядро колбочки є відносно великим та овальним, часто формуючи єдиний шар, що проникає до зовнішньої пограничної мембрани. Колбочкові ядра характеризуються великою кількістю еухроматину і менше гетерохроматину, який організований в кілька невеликих скупчень і тому ці ядра мають менш інтенсивне контрастне фарбування.
Перевернуте ядро палички
В більшості евкаріотних клітин пакування хроматинових ниток має дві форми: 1) еухроматин (нещільна, відкрита форма з активними генами), що знаходиться ближче до ядра, де проходить більша частина транскрипції; та 2) гетерохроматин (ущільнена форма), що часто скупчений довкола ядерець та на периферії ядра і містить транскрипційно неактивні ділянки геному. На відміну від цієї усталеної архітектури ядра, в паличках мишей була виявлена незвична перевернута архітектура ядра: гетерохроматин тут зосереджений в центрі ядра, тоді як еухроматин і фактори транскрипції знаходяться на периферії, де в інших ядер гени не представлені. Така архітектура ядер паличок має важливі функціональні наслідки для нічного зору ссавців, наділяючи їх оптичними властивостями.
При народженні (післяпологовий день P0) палички миші мають звичну для інших еукаріотних клітин архітектуру ядра, але після закінчення проліферації клітин (P5) та відкриття очей (P13) їх ядра набувають перевернуту архітектуру, яка остаточно оформлюється через місяць опісля народження. Аналіз ядра паличок сітківок інших нічних ссавців також виявив перевернуту ядерну архітектуру та її стійку кореляцію з концентрацією паличок і співвідношенням паличок до колбочок.
У більшості ссавців, що ведуть денний спосіб життя, перевернутої організації ядра палички не було виявлено. Винятком є денні лемури — сіфака (Propithecus) та лемур звичайний ([en]), палички яких мають перевернуту архітектуру ядра. Цей виняток може бути пояснений з урахуванням останніх поведінкових досліджень, які показали, що денні лемури насправді ведуть [en], бувши активними вдень і вночі. З іншого боку, ядро палички корови має проміжну архітектуру: гетерохроматин знаходиться в центрі і поширюється на периферію, що може свідчити про перехід від перевернутої ядерної архітектури до традиційної, обумовлений скоріш за все адаптацією корів від нічного до денного способу життя після одомашнення. І навпаки, паличкові ядра нічної мавпи характеризуються переходом від усталеної архітектури хроматину до перевернутої, оскільки мають хроматин як на периферії (усталена архітектура), так і в центрі ядра (перевернута архітектура), де він є хромоцентром. Подібна перехідна форма свідчить про повернення нічних мавп від денної активності до нічної, яку вели пращури приматів. Унікальною є сітківка активних вночі довгоп'ятових, в якій, подібно до інших нічних ссавців, менша загальна щільність колбочок, однак присутня характерна для денних приматів центральна ямка та їх паличкові ядра мають усталену архітектуру, що різнить їх з-поміж всіх інших нічних ссавців. Чому довгоп'ятові зберегли усталену архітектуру ядра, — попри те, що значно давніше адаптувались до нічного життя (~40-45 млн років тому), аніж нічні мавпи (~5-19 млн років тому), — станом на 2018 рік залишається незрозумілим.
Оптичні властивості перевернутого ядра
Перевернуті ядра впливають на оптичні властивості паличок, оскільки ці ядра мають нижчий показник заломлення на периферії і вищий, хоч і однорідний, показник заломлення в центрі, де скупчений гетерохроматин. Подібна різниця показників заломлення значно зменшує розсіяння ядром рідкісного в ночі світла та покращує його фокусування для проходження до зорового пігменту в зовнішньому сегменті фоторецептора, поліпшуючи нічний зір.Формування перевернутого ядра в паличці миші в перший місяць після народження відповідає значному скороченню ефективної фокусної відстані ядра із ~27 мкм новонародженої миші до ~12 мкм в дорослої миші.
Перевернута організація паличкового ядра свідчить про те, що воно, подібно до інших сегментів фоторецептора, еволюціонувало для оптимізації проходження світла через перевернуту сітківку до зорового пігменту фоторецептора. На користь цього свідчать числові моделювання поширення світла через перевернуті ядра паличок з допомогою скінченно-різницевого методу в часовій області (FDTD) в двох та трьох вимірах. FDTD-моделювання вказує на те, що перевернуті ядра функціонують подібно до (збиральних лінз) для проходячого світла, тоді як ядра з усталеною організацією постають, як дифракційно-подібні перешкоди поширенню світла до зовнішнього сегмента палички.
Завдяки округлій формі та оберненій організації хроматину, перевернуте ядро палички володіє центральною симетрією і оптичні властивості паличкового ядра відокремлені від його просторової орієнтації. Тому перевернуте ядро не тільки більш ефективно фокусує світло у паличці, аніж усталене ядро, але й зберігає свої фокусуючі властивості незалежно від його орієнтації. Ці характеристики перевернутого паличкового ядра мають важливі наслідки для зовнішнього ядерного шару, в якому знаходяться клітинні тіла паличок і який в нічних ссавців значно товстіший ніж в денних. В зовнішньому ядерному шарі паличкові ядра розміщені в 6-8 шарів і згруповані у вертикальні колонки, вирівняні таким чином, що знаходяться приблизно на одній лінії з проходячим світлом. Моделювання з використанням FDTD-методу показало, що організація перевернутих ядер паличок в колонки зменшує розсіяння світла і забезпечує (подібно до центральної ямки) ефективний оптичний шлях через всю сітківку нічної тварини. Крім того, зменшення розсіяння в колонках перевернутих ядер паличок стійке до нерегулярностей колонок..
Відносна товщина зовнішнього ядерного шару може бути причиною перевернутої архітектури паличкового ядра нічних ссавців, яка дозволяє в такому потовщеному шарі зменшити розсіяння фотонів і збільшити ймовірність їх схоплення фотопігментом в зовнішньому сегменті палички. Крім того, округла форма перевернутих паличкових ядер з їх центральною симетрією уможливлює фокусування світла без необхідності їх впорядкованого розміщення в зовнішньому ядерному шарі.
Оберненість сітківки і необхідність проходження світла через її клітинні шари перш ніж воно досягне зорового пігменту, вказує на те, що оптичні властивості фоторецепторів та їх складових не менш важливі, ніж їх фізіологічні функції.
Аксонна терміналь
В результаті поглинання фотону фоторецептором у його зовнішньому сегменті запускається каскад фототрансдукції, що призводить до градуйованих змін трансмембранного потенціалу зовнішнього сегмента, який [en] поширюється до аксонного термінала, звідки передається іншим нейронам двома способами. Один спосіб — через електричні синапси: пасивне перенесення електричного потенціалу до прилеглих фоторецепторів через внутрішньоклітинні з'єднання (щілинні контакти) з низьким опором. Другий спосіб — через хімічні синапси: зміни мембранного потенціалу на аксонній терміналі міняють внутрішньоклітинну концентрацію іонів кальцію Са2+ та регулюють частоту злиття синаптичних везикул із плазматичною мембраною і вивільнення нейромедіатора (глутамату) на постсинаптичні нейрони сітківки другого порядку.
Ніжки і сферули
Аксонна терміналь фоторецепторів розгалужується в зовнішньому сітчастому шарі сітківки. Аксонна терміналь паличок називається сферулою (лат. spherule, мала сфера), колбочок — ніжкою (лат. pedicle, мала нога). У сітківці ссавців периферійні колбочки мають значно більші ніжки (можуть мати понад 50 синаптичних щілин), аніж колбочки в центральній ямці й, залежно від розташування в сітківці, можуть мати діаметр від 5 до 8 мкм. У сітківці приматів, поблизу центральної ямки, аксони багатьох колбочок групуються радіально таким чином, що ніжки формують кільцевий масив довкола центру.
Синаптична стрічка
Більшість нейронів ЦНС кодують інформацію через зміну в частоті потенціалу дії. Однак фоторецептор повинен передавати сенсорну інформацію про широкий динамічний діапазон інтенсивностей світла, коли найменші зміни в інтенсивності стимулу повинні призводити до явних змін у вивільненні нейромедіатора. Тому фоторецептори кодують інформацію не через потенціали дії, а шляхом постійного тонічного вивільнення нейромедіатора глутамату. Це дозволяє їм неперервно змінювати синаптичні вихідні сигнали залежно від градуйованих змін в інтенсивності світла, вивільняючи від однієї до сотень везикул за секунду.
Високий рівень вивільнення глутамату фоторецепторами обумовлений присутністю в їх аксонній терміналі спеціалізованої синаптичної структури — [en], що є місцем вивільнення глутамату й складається з білка RIBEYE. Стрічка зв'язує везикули з глутаматом і діє подібно до конвеєрної стрічки, щоб піднести везикули до синаптичної активної зони, де вони зливаються з плазматичною мембраною для вивільнення глутамату в синаптичну щілину. Стрічка не прямо приєднана до плазматичної мембрани, а через «дугоподібну щільність» — електрон-щільну мережу білків, прикріплену до плазматичної мембрани.
В ссавців сферули паличок містять тільки одну стрічку (30-35 нм в товщину), тоді як ніжки колбочок містять декілька стрічок, чия кількість варіює між видами. Так, ніжки колбочок миші містять ~10 стрічок, а ніжки ховрахів можуть містити навіть 15 і більше стрічок. Ніжки колбочок приматів можуть містити 20 стрічок в центральній ямці сітківки, та 42 на периферії. Така множина стрічок в кожній ніжці колбочки дозволяє передавати вихідний колбочковий сигнал багатьом класам колбочкових біполярних нейронів.
Колбочки формують із постсинаптичними нейронами два спеціалізовані контакти — стрічкові (інвагінуючі) та плоскі (базальні). Із деполяризуючими (ON-) біполярними та горизонтальними нейронами колбочки формують стрічкові синапси, коли дендрити заглиблюються у ніжку колбочки. Із гіперполяризуючими ( OFF-) біполярними нейронами колбочки формують пласкі контакти, коли дендрити біполярів торкаються основи ніжки колбочки.
Одна колбочка може формувати контакти із дендритами 10-12 біполярних нейронів та багатьох горизонтальних клітин, тому в заглибленні ніжки колбочки може бути вміщено до 200 відростків постсинаптичних нейронів, що робить ніжку чи не найскладнішою синаптичною структурою ЦНС. Однак є і відхилення від вищеописаного правила синаптичних зв'язків між колбочками та біполярними нейронами. Нещодавно відкритий новий тип колбочкових біполярних нейронів (XBC), які скоріш за все є ON-біполярами, має нечисельні і переважно нетипові, базальні контакти з колбочками. Крім XBC, було виявлено що й інші типи колбочкових біполярних нейронів (5T, 5O та 8), які мають менше контактів із колбочками аніж повинні, виходячи з розміру їх дендритного поля. У середньому, вони мають контакт з менш ніж однією колбочкою, хоч на відміну від XBC і формують типові, інвагінуючі синапси.
Аксони паличок також формують синапси як із одним типом деполяризуючих біполярних нейронів, так і з горизонтальними нейронами. Однак, на відміну від колбочок, сферули, які мають тільки одну стрічку, контактують лише з двома дендритами біполярного та двома дендритами горизонтального нейрона.
Оскільки фоторецептори, за відсутності світлового стимулу, безперервно вивільняють глутамат, то спеціалізовані синаптичні стрічки призначені для підтримки високої частоти надходження Са2+ і відтак високого рівня вивільнення. До прикладу, палички повинні відокремити із фонового теплового шуму (виникає через спонтанний розпад молекул фотопігменту) та стохастичного вивільнення нейромедіатора, коротку і слабку гіперполяризацію мембрани, що сигналізує поглинання одиничного фотона. Для цього потрібно мінімізувати фонові коливання шляхом утримання високої частоти стійкого вивільнення глутамату у темряві. Вважається, що сферула палички, яка має діаметр 2 мкм та містить дуже велику синаптичну стрічку, є спеціалізованою для підтримки такої високої частоти вивільнення нейромедіатора.
Сферула має єдине заглиблення, що вміщує чотири відростки — два від горизонтальних нейронів і два від дендритів паличкових біполярів, завдяки чому постсинаптичні відростки знаходяться близько до місця вивільнення глутамату, унеможливлюючи його переливання на сусідні палички. Ці анатомічні особливості паличкових сферул істотно зменшують коливання сигналів паличок, уможливлюючи надійне виявлення реакцій на одиничні фотони.
Фоторецепторні синапси також мають ряд молекулярних відмінностей від інших синапсів в нервовій системі. Синаптичні стрічки не містять [en], — білків, що регулюють вивільнення нейромедіаторів в синапсах інших нейронів. На відміну від більшості нейронів, екзоцитоз та вивільнення нейромедіатора у паличках та колбочках регулюють потенціалзалежні кальцієві канали L-типу Cav1.4 (складені із α1F та α1D субодиниць, відповідно) та цГМФ-регульовані канали в колбочках. Крім того, замість синтаксину-1, що здійснює злиття везикул із цитоплазматичною мембраною, в синаптичних стрічках присутній синтаксин-3.
Регулювання вивільнення глутамату
[en] деполяризація фоторецепторів за відсутності стимулу може призводити до зниження чутливості (десенсибілізації) багатьох типів іонних каналів, викликати в мембранному потенціалі осциляції з частотою 3-4 Гц та переповнити ВС іонами кальцію. Стійке регулювання вивільнення глутамату залежно від змін мембранного потенціалу здійснюється через розміщений близько до активної зони в сферулі та ніжці потенціал-залежний кальцієвий канал L-типу (Cav1.4. Через цей канал відбувається входження Ca2+, а відтак і регулювання нейромедіаторного вивільнення. На ці Ca2+ L-типу канали не діє потенціал- чи С2+-залежна десенсибілізація, тому вони можуть підтримувати неперервне вивільнення глутамату за відсутності стимулу.
В сферулах паличок Cav1.4-канали пов'язані із кальцій-зв'язувальним білком 4 (англ. CAlcium-Binding Protein 4; CABP4), модуляція яким зміщує потенціал-залежну чутливість Cav1.4-каналу до більш гіперполяризованих мембранних потенціалів. Завдяки цьому Cav1.4-канали модулюються по всьому фізіологічному діапазону потенціалу палички.
Класифікація фоторецепторів
Сітківка людини має чотири типи фоторецепторів (1 тип паличок і 3 типи колбочок), кожен з яких є найбільш чутливим до конкретного діапазону електромагнітного випромінювання.
Колбочки найімовірніше були першими фоторецепторами в еволюційній історії, а палички розвинулись пізніше, як результат трансмутації колбочок. В цій самій послідовності (спочатку колбочки потім палички) формуються фоторецептори під час ембріологічного розвитку ока ссавців.
Палички, що відповідають за зір в темряві та при зоряному світлі, складають ~95 % всіх фоторецепторів ссавців, мають тонкі довгі зовнішні сегменти, складені з окремих дисків, відокремлених від плазматичної мембрани і є в 1000 разів більш чутливими до світла, ніж колбочки. Людська сітківка містить близько 100 млн паличок
Три типи колбочок, що відповідають за гострий зір при денному світлі, складають лише ~5 % фоторецепторів, є більшими за розміром, мають коротші конусоподібні зовнішні сегменти, диски яких неперервно з'єднані з мембраною. Сітківка людини містить ~5 млн колбочок. Для порівняння, сітківка миші містить ~190 тис. колбочок, де вони складають 2,8 % від всіх фоторецепторів.
Традиційно три типи колбочок, які відповідають за триколірний зір у людини та деяких мавпових, називались «сині», «зелені» та «червоні», припускаючи, що збудження такого типу колбочки визначало відповідне кольорове сприйняття. Однак така термінологія наразі вважається не коректною, оскільки кольорові назви не відповідають ні довжинам хвиль максимальної чутливості колбочок, ні кольоровим сприйняттям, які постають після збудження одиничних колбочок.
Натомість сьогодні загальноприйнятим є позначення колбочок як S-, M- та L-колбочки, залежно від тієї частини видимого спектра, до якої кожна є найбільш чутливою (від англ. Short-, англ. Middle- та англ. Long-wave sensitive, відповідно: коротко-, середньо- і довгохвильові колбочки). Хоча спектри поглинання фотопігментів S-, M- та L-колбочок значно перекриваються, їх довжини хвиль максимального поглинання (λmax) знаходяться в різних частинах видимого спектра: 420, 530 та 558 нм відповідно. Хоча фоторецептори можуть поглинати світло і на 50 нм більше чи менше від їх максимальних довжин хвиль, вони такі фотони поглинають слабше і тому їх реакція на світло спадає чим далі його довжина хвилі від оптимальної для певного фоторецептора довжини хвилі.
З точки зору властивостей зорових пігментів, в людини та ін. триколірних тварин доречно виділяти три, а не два типи фоторецепторів, оскільки колбочковий SMS1 пігмент настільки ж віддалено пов'язаний із колбочковими M/LWS пігментами, як вони із RH1 паличковим пігментом.
Типи паличок
В більшості сітківок тварин наявний лише один тип паличок, і тільки земноводні мають два типи паличок.
«Зелені» та «червоні» палички земноводних
Подібно до інших хребетних, у земноводних наявні палички з родопсином Rh1, що має максимум поглинання з довжиною хвилі 500 нм (т. зв. «червоні палички»), які були описані ще Максом Шульце (1867 р.) в сітківці жаб. Однак 1874 р. німецький анатом [en] виявив, що дорослі жаби мають особливий з-поміж інших тип паличок — т. зв. «зелені палички» (або «палички Швальбе»), в яких коротший циліндричний зовнішній сегмент (~5-8 мкм в діаметрі та 60 мкм в довжину) та довший тонкий міоїд внутрішнього сегмента в порівнянні з «червоними» паличками.. Максимум поглинання зорового пігменту зелених паличок — 432 нм
Назви цих паличок не пов'язані з їх спектральною чутливістю, а з притаманним їм кольором у препарованій тканині сітківки, коли їх розглядати під мікроскопом: у більшості земноводних зелені палички мають колір трави, хоча у вогняної саламандри їм притаманний блідий сіро-зелений колір. Адаптовані до темряви червоні палички, подібно до інших хребетних, найбільш чутливі до жовто-зеленого світла, тоді як зелені палички — до фіолетового-синього (подібно до S-колбочок інших хребетних), пропускаючи зелений колір, звідси їх назва.. Хоча колір фотопігменту зелених паличок, виходячи з його спектра поглинання, повинен бути жовтим, під мікроскопом ці фоторецептори виглядають зеленими, можливо через поєднання оптичних властивостей зелених паличок (дуже тонкий міоїд внутрішнього сегмента неефективний для передачі жовтого світла) та людського кольорового зору (через контраст пігменту «зелених» паличок з багрянисто-червоним фоном родопсинових «червоних» паличок).
У жаби леопардової зелені палички складають 8 % всіх фоторецепторів, а червоні палички — 50 %, тоді як у тигрової саламандри червоні палички складають 98,6 % всіх паличок, а зелені — 1,4 %. Подібно до міоїдів колбочок жаб, міоїд зелених та червоних паличок жаб витягується у відповідь на адаптацію до світла, щоб краще схоплювати падаючі фотони.
Колбочковий фотопігмент «зелених паличок»
Зелені палички земноводних мають однаковий з S-колбочками опсин, тому сформований цим опсином пігмент («SWS2,P432», англ. Short-wavelength sensitive opsin of class 2) зелених паличок має ту саму спектральну чутливість, що й SWS1 пігмент S-колбочки. Подібно до колбочкових пігментів, фотопігмент зеленої палички також руйнується (знебарвлюється) за присутності гідроксиламіну.
Хоча зелені палички та S-колбочки містять один і той самий зоровий пігмент, у тигрової саламандри була виявлена унікальна з-поміж усіх хребетних особливість: зелені палички та S-колбочки мають відмінні молекули трансдуцину (паличкову a-субодиницю трансдуцину в зеленій паличці та колбочкову а-субодиницю в S-колбочці), які активуються одним і тим же пігментом, однак це не впливає на світлову чутливість чи кінетику реакцій цих двох фоторецепторів Тож, хоча морфологічно зелені палички є паличками, їх опсини є колбочковими, порушуючи усталений поділ фоторецепторів відповідно до їх морфології і прив'язку функції рецептора до його морфології. Оскільки вважається, що палички еволюціонували із колбочко-подібних фоторецепторів і родопсин еволюціонував із колбочкових пігментів SWS2, то характерні риси зелених паличок можуть свідчити про те, що ці фоторецептори є проміжною ланкою в еволюційній трансформації колбочок в палички..
Іншою унікальною рисою зелених паличок земноводних є те, що їх подібний до S-колбочок опсин є надзвичайно стабільним: зелені палички мають дуже малий рівень спонтанної теплової ізомеризації — <10−14 теплових ізомеризацій/с при 23°С. З цього випливає, що SWS2 (колбочковий) пігмент зеленої палички земноводних спонтанно активується в середньому один раз кожні ~1014 с, тобто ~4000 років, що робить його найстабільнішим із всіх відомих опсинів, включно з родопсинами, які з-поміж всіх інших зорових опсинів мають найменший рівень спонтанної теплової ізомеризації (~0,01 с−1).
Зелені палички наявні тільки в земноводних і хоча мають схожу з паличками морфологію, для них характерна поведінка S-колбочок, тому ці палички розширюють діапазон чутливості S-колбочок і можуть бути залучені в трикольоровий зір, зокрема в розрізнення кольорів на мезопічному рівні освітлення та відповідати за інстинктивну, позитивну фототаксичну реакцію на синє світло, характерну для багатьох безхвостих
Типи колбочок
Серед більшості видів тварин палички мають відносно однакову структуру, відрізняючись лише довжиною та діаметром зовнішніх сегментів. Тоді як колбочки характеризуються більшими відмінностями поміж різних видів.
Подвійні колбочки
Якщо одиничні колбочки є характерними для більшості хребетних, то деякі з них мають окрім одиничних, також [en], як то птахи, плазуни, земноводні, кісткові ганоїди та костисті риби. А в деяких груп костистих риб навіть були виявлені потрійні колбочки.
Подвійні колбочки зазвичай складаються із двох відмінних колбочок, злитих разом в їх міоїдах внутрішніх сегментів та значно різняться розмірами. Більша («основна») колбочка із подвійних колбочок часто має олійні краплини, тоді як менша («додаткова») містить великий параболоїд, хоча в різних видів присутні різні комбінації розмірів та структур подвійних колбочок.
Подвійні колбочки скоріш за все еволюціонували близько 350—400 млн років тому і, хоча вони наявні в сітківках майже більшості наземних хребетних (включаючи однопрохідних та сумчастих), цілком відсутні в сітківках дводишних та плацентарних ссавців, у тім числі в людини.
Квадратна мозаїка подвійних колбочок
В сітківці костистих риб подвійні колбочки організовані у характерну впорядковану мозаїку (у формі квадрату чи в ряд). Як правило, в квадратній мозаїці подвійні колбочки (найчастіше довгохвильові L-колбочки) формують сторони квадрату, а в центрі знаходиться одинична колбочка (короткохвильова S-колбочка), і одиничні колбочки (деякі чутливі до ультрафіолету) по кутах квадрату. Хоча такий порядок колбочок варіюється і в одних костистих риб можуть бути відсутні центральні, а в інших кутові одиничні колбочки.
Для пояснення переваг квадратної мозаїки було запропоновано кілька гіпотез. Одні припускають, що така впорядкованість подвійних колбочок уможливлює краще виявлення руху швидкої жертви, тоді як відповідно до інших квадратна мозаїка також покращує кольоровий зір. Однак наразі відсутні експериментальні дані, котрі б підтверджували переваги впорядкованої мозаїки у порівнянні із невпорядкованою для виявлення жертви костистими рибами.
Інші гіпотези припускають, що квадратна мозаїка може бути залучена для виявлення поляризованого світла шляхом поєднання ортогонально розміщених подвійних та ультрафіолетових одиничних колбочок, зокрема для орієнтації в підводних світлових полях лососевими рибами. Хоча який саме механізм відповідає за чутливість колбочок до поляризованого світла і в яких видів костистих риб, залишається предметом дискусій. Класична модель припускає, що градієнти показників заломлення у внутрішніх сегментах подвійних колбочок можуть функціювати як анізотропні поляризаційні хвилеводи, тому ці колбочки діють як аналізатор поляризації. Однак нещодавні електрофізіологічні дослідження подвійних колбочок [en] не підтвердили подібне припущення для цього виду, а в іншому дослідженні середньохвильової колбочки із подвійних колбочок сітківки золотої рибки було виявлене ізотропне поширення поляризованого світла через внутрішні сегменти (осьовий лінійний дихроїзм) колбочок.
Морфологія та фотопігменти подвійних колбочок
Подвійні колбочки характеризуються різноманіттям морфології та зорових пігментів. Дві половинки подвійних колбочок можуть мати різні розміри та містити однакові чи спектрально відмінні фотопігменти. Найбільше різноманіття подвійних колбочок виявлене в костистих риб, в яких дві половинки можуть бути: морфологічно ідентичними та містити однаковий фотопігмент (ідентичні «колбочки-близнюки»); морфологічно ідентичні, але спектрально відмінними пігментами (неідентичні колбочки-близнюки); морфологічно відмінні з ідентичними пігментами (ідентичні подвійні колбочки); морфологічно відмінні з різними пігментами (не ідентичні подвійні колбочки).
В деяких видів риб між двома половинками подвійних колбочок існують електричні з'єднання через щілинні контакти і вони діють як один фоторецептор. Ідентичні колбочки-близнята, в яких обидві половинки містять однаковий пігмент, через електричне з'єднання просто діятимуть, як відносно великий фоторецептор, що схоплює рідкісні фотони при низькому освітленні і тому зустрічаються у видів риб що живуть в глибоких, каламутних чи забруднених водах.
На відміну від приматів, птахи мають окремі групи фоторецепторів для сприйняття кольору (чотири одиничні колбочки для чотириколірності) та яскравості світла, форми і руху (подвійні колбочки). В птахів подвійні колбочки складаються із однієї великої та однієї малої колбочки, які називаються «головними» та «додатковими», відповідно і використовуються ними для виявлення руху, контурів, текстури та яскравості світла. Дві половинки подвійних колбочок у птахів не є морфологічно ідентичними.
Також, на відміну від приматів, птахи зберегли всі чотири класи колбочкових зорових пігментів: в подвійних та одиничних колбочках вони мають LWS пігмент, а Rh2, SWS1 та SWS2 в інших одиничних колбочках. У птахів, що активні вдень, ~50 % всіх колбочок становлять подвійні колбочки, ~20 % LWS- та ~20 % Rh2-одиничні колбочки, і 10 % — SWS1- та SWS2-колбочки.
Фототрансдукція
Фоторецептори сигналізують нижчестоячим нейронам поглинання світла через перетворення поглиненого фотона в електричний сигнал. Цей процес, знаний як фототрансдукція, реалізується через складний каскад взаємодії молекул, що зрештою призводить до гіперполяризації фоторецептора (у хребетних, тоді як у безхребетних — до деполяризації), тобто до значної зміни його електричного потенціалу.
Темрявний струм
Фоторецептори, як і інші нейрони, сигналізують інформацію шляхом зміни трансмембраного потенціалу. Однак, на відміну як від інших нейронів ЦНС, так і від фоторецепторів безхребетних, фоторецептори хребетних незвичні, оскільки темрява діє на них, як стимул. У темряві, до появи світла і початку фототрансдукції, мембранний потенціал фоторецептора є відносно деполяризованим і тому він неперервно вивільняє нейромедіатори (глутамат), тоді як стимуляція світлом гіперполяризує мембранний потенціал. На користь цього парадоксального феномену свідчать не тільки чисельні дані (внутрішньоклітинних реєстрацій), а й виявлена висока частота зміни фоторецепторних синаптичних везикул в темряві.
За відсутності світлового стимулу збалансований постійний потік катіонів із внутрішнього сегмента фоторецептору до зовнішнього сегмента (відомий, як темрявний струм; англ. dark current) підтримує деполяризацію трансмембранного потенціалу на рівні близько -40 мВ (набагато більше, аніж інші нейрони, чий мембранний потенціал спокою близько -65 мВ).. Величина темрявного струму в паличках (-34 пікоампер, пА) та колбочках (-30 пА) є майже однаковою в макак.
Подібно до деяких інших сенсорних рецепторів, палички та колбочки не генерують потенціалів дії, але реагують на стимул (світло) через градуйовані зміни мембранного потенціалу.
В темряві палички споживають більше енергії, аніж під час стимуляції світлом, що обчислюється через частоту гідролізу аденозинтрифосфату (АТФ) за секунду. Це пов'язано з тим, що підтримка циркуляційного темрявного струму потребує постійної активності залежних від АТФ Na+-K+-насосів. Оскільки поглинання світла цілком придушує темрявний струм в паличках, то в темряві вони споживають більше енергії, аніж при світлі. Тоді як в колбочках споживання енергії в темряві таке ж, як і в паличок, але залишається високим навіть при світлі, оскільки в колбочках циркуляційний струм ніколи не зменшується, навіть коли світло знебарвлює понад 90 % зорових пігментів.
Таке високе споживання енергії фоторецепторами пояснює високу концентрацію мітохондрій у їх внутрішньому сегменті. Саме тому сітківка є тканиною тіла з одним із найвищих споживань кисню, навіть більше, аніж мозок.
цГМФ-регульовані канали
Фоторецепторний вхідний струм, який переноситься катіонами натрію (Na+), протікає через розміщені в зовнішньому сегменті фоторецептора регульовані [en] (цГМФ) (неселективні) катіонні канали. Тоді як вихідний K+ (катіон калію) струм протікає через нерегульовані, селективні до K+ потенціалзалежні канали, які знаходяться у внутрішньому сегменті фоторецептору. В той час, як вихідний струм K+ має тенденцію до гіперполяризації фоторецептора до рівноважного потенціалу для K+ (-70 мВ), то вхідний струм Na+ має тенденцію до деполяризації фоторецептора. Завдяки присутнім у внутрішньому сегменті фоторецептору в значній кількості Na+-K+-насосів, які викачують Na+ і вкачують K+, фоторецептор здатен утримувати сталу внутрішньоклітинну концентрацію катіонів, підтримуючи постійний темрявний струм.
Колбочки і палички мають молекулярно відмінні цГМФ-регульовані канали, хоча в цілому їм притаманні схожі функціональні властивості. Ці канали належать до родини так званих [en], (ЦНР-каналів), куди також належатьцАМФ-активовані канали, що відповідальні за нюхову трансдукцію рецепторів нюху в носі. Родина ЦНР-каналів складається із А (А1 — А4) та В (В1 і В2)-субодиниць, з яких А-субидиниці є основними, а В — доповнювальними і модулювальними. цГМФ-регульований канал палички складається із трьох субодиниць CNGA1 та однієї CNGB1, а колбочковий цГМФ-регульований канал складається з двох молекул CNGA3 та двох CNGB3. Функціональний комплекс ЦНР-каналу зв'язує чотири молекули циклічного нуклеотиду, тому цей канал має дуже низьку ймовірність відкриття за низької концентрації циклічного нуклеотиду, проте ця ймовірність істотно зростає, коли всі чотири місця зв'язування для ліганду (розміщені в цитоплазматичному C-кінці білка) заповнені.
У темряві концентрація цГМФ у цитоплазмі є високою, завдяки чому цГМФ-регульовані канали в зовнішньому сегменті утримуються постійно відчиненими й уможливлюють сталий темрявний струм. Коли фоторецептор поглинає фотон, концентрація цГМФ зменшується, призводячи до закриття цГМФ-регульованих каналів і, як наслідок, до зменшення темрявного струму та гіперполяризації мембранного потенціалу, в такий спосіб ініціюючи процес зору.
Імовірність відкриття цГМФ-регульованого каналу, що своєю чергою визначає розмір циркулючого струму, залежить від концентрації цГМФ. Така залежність відкриття каналу від концентрації зв'язувальних молекул є кооперативною, із коефіцієнтом Гілла nканал ≈ 2-3 та константою дисоціації Kканал ≈ 20 мкмоль/л цГМФ. В цілому, відсоток відкритих каналів в адаптованих до темряви фоторецепторах є досить малим: для концентрації цГМФ в ~4 мкмоль/л, Kканал мкмоль/л і nканал ≈ 3, в темряві відкритими є лише ~1 % ЦНР-каналів, як в паличках, так і колбочках. Такий невеликий відсоток пояснюється тим, що якби в зовнішньому сегменті було лише стільки цГМФ-регульованих каналів, скільки потрібно для підтримки такого темрявного струму, то для того, щоб всі ці канали були відкритими, необхідна велика концентрація вільних цГМФ і, відповідно, швидке та істотне зменшення такої концентрації у відповідь на стимул.
цГМФ-регульований канал є неселективним катіонним каналом, оскільки пропускає не тільки Na+ і K+, але також Ca2+ і очевидно Mg2+. Для паличкового цГМФ-регульованого каналу, 75-80 % вхідного темрявного струму в ЗС переноситься Na+ і ~15 % Ca2+. Для колбочкового цГМФ-регульованого каналу понад 30 % темрявного струму переноситься Ca2+.
Характерною рисою паличкових і колбочкових цГМФ-регульованих каналів є те, що окрім пропускання дивалентних катіонів (Ca2+ та Mg2+), вони також ними частково блокуються. Одним із наслідків такої блокади є те, що ЦНР-канали фоторецепторів мають дуже малий ефективний (середньоквадратичний) струм одиничного каналу — в діапазоні фемтоампер (10−15А). Такий малий ефективний одноканаловий струм означає, що для такого темрявного струму (~20 — 40 пА) залучено набагато більше відкритих каналів — 104 каналів із загальної популяції каналів (106) в зовнішньому сегменті. Залучення великої кількості відкритих малих каналів замість малої кількості великих каналів істотно зменшує дискретний шум, пов'язаний із випадковим відкриттям/закриттям каналів в темряві, тим самим збільшуючи (співвідношення сигнал/шум) (S/N) світлового сигналу в ~100 разів.
На відміну від інших ліганд-регульованих каналів, для цГМФ-регульованого каналу фоторецепторів не характерна десенсибілізація (падіння чутливості) до його ліганду — цГМФ. Ця унікальна властивість дозволяє цГМФ-регульованим каналам паличок і колбочок а) залишатись відкритими та підтримувати постійний темрявний струм, коли в зовнішньому сегменті наявна стала концентрація вільного цГМФ та б) закриватись тільки у відповідь на зменшення концентрації вільних цГМФ внаслідок появи світлового стимулу.
Перетворення світла в нейронний сигнал
Поглинання зоровим пігментом фотону збуджує π-електрон системи кон'югованого подвійного зв'язку 11-цис-ретиналю до його стану Франка — Кондона. З переходом пі-електрону від збудженого стану до основного стану, відбувається цис-до-транс ізомеризація довкола подвійного зв'язку між атомами вуглецю С11=С12 ретиналю.
Фотоізомеризація ретиналю є однією з найшвидших хімічних реакцій — транс-ретиналь формується протягом 200 фемтосекунд і з квантовим виходом 0,65 Однак нещодавні дослідження з використанням надшвидкої «гетеродинної спектроскопії нестаціонарних ґраток» (англ. heterodyne-detected transient grating spectroscopy) виявили, що перший крок в процесі зору є ще швидшим. А саме, фотоізомеризація 11-цис-ретиналю бичачого родопсину відбувається у коливально когерентний спосіб протягом ~30 фемтосекунд, що збігається з півперіодом торсійного (діедрального) руху C11=C12 зв'язку і свідчить про те, що фотоізомеризація відбувається в межах одного періоду торсійного коливального руху молекули ретиналю. Така надшвидка і надзвичайно ефективна фотоізомеризація, обумовлена квантово-хімічними явищами при переході із основного до збудженого стану, є однією з молекулярних основ високої чутливості зору до світла.
Оскільки енергія фотону спричиняє зміну конформаційного стану хромофору із вигнутого в прямий, із 11-цис-ретиналь у все-транс-ретиналь, то хромофор віддає свою потенційну енергію опсину, що призводить до зміни його конформації до напівстабільної — метародпосину ІІ (МетаІІ). Новий конформаційний стан опсину, МетаІІ, активує трансдуцин (Gt) ([en] фоторецептора), який своєю чергою активує фермент [en] (ФДЕ) — один із найшвидших серед ферментів. Активована ФДЕ гідролізує циклічний гуанозинмонофосфат цГМФ до ГМФ, який, на відміну від цГМФ, не є сигнальною молекулою.
В темрявному стані (до ізомеризації ретиналю) цГМФ регулює відкриття іонних каналів, через які проходять іони натрію (Na+). Після гідролізу цГМФ фосфодіестаразою, концентрація цГМФ в зовнішньому сегменті зменшується, одночасно зменшуючи кількість відкритих ЦНР-каналів, через які проходить вхідний Na+-струм. Внаслідок закриття ЦНР-каналів, К+ катіони, які виходять із внутрішнього сегмента більше не збалансовуються Na+, що входить у зовнішній сегмент. Порушений баланс катіонних струмів спричиняє повний вихідний електричний струм, знаний як фотострум, який збільшує трасмембранну різницю потенціалів, що гіперполяризує фоторецептор. Гіперполяризація зменшує вивільнення його синапсом нейромедіатора глутамату, таким чином сигналізуючи нижчестоячим нейронам про схоплення фотону. Тож, на відміну від інших нейронів, реакція на світло постсинаптичних до фоторецептора нейронів сітківки пов'язана не зі збільшенням вивільнення рецептором нейромедіатора, а зі зменшенням.
Каскад фототрансдукції істотно підсилює сигнал, оскільки один фотон (і, відповідно, єдина ізомеризація) призводить до гідролізу ~105 молекул цГМФ. Однак фототрансдукція так само ефективно зупиняє передачу сигналу, задля швидкої реакції фоторецептора на новий стимул, що потребує інактивації всіх активних складових залучених у процес сигналізування. У паличках і колбочках ссавців деактивація каскаду фототрансдукції починаються надзвичайно швидко після активації, менш ніж через 40 мс, і тому деактивація майже конкурує з активацією.
Припинення сигналізування розпочинається із фосфорилювання активованого родопсину ферментом родпсинкінази, що призводить до зв'язування фосфорильованого родопсину з білком [en]. Врешті, інактивований метародопсин ІІ (ІІІ) розпадається до внутрішньо інактивної форми метародопсину ІІІ (Мета ІІІ), який розділяється на опсин та вільний все-транс-ретиналь — процес, знаний як знебарвлення, оскільки жоден з цих компонентів не поглинає у видимому спектрі світла. Потім опсинний комплекс втрачає все-транс-ретиналь з арестином та фосфорилюється ферментом фосфатазою (PP2А). Як наслідок, іонні канали в зовнішніх сегментах відчиняються і фоторецепторний мембранний потенціал повертається до темрявного, деполяризаційного рівня. А все-транс-ретиналь перетворюється з альдегідної в спиртову форму — все-транс-ретинол. Далі відбувається дифузія транс-ретинолу із фоторецептора до клітин пігментного епітелію, де він перетворюється на все-транс-ретинілестер (англ. all-trans-retinylester), що реізомеризується до 11-цис-ретинолу та дегідрогенізується до 11-цис-ретиналю, який повертається до фоторецептора і знову зв'язується з опсином, бувши готовим до нового циклу фототрансдукції.
Регулювання фототрансдукції Ca2+
В темрявному стані втікання вхідного струму до зовнішнього сегмента через цГМФ-регульовані канали переноситься головним чином іонами Na+, однак значна частка цього струму (~15 % в паличках і понад 30 % в колбочках) також переноситься іонами кальцію (Ca2+). Ca2+ модулює функцію кількох білків, залучених в процес фототрансдукції. Так, відновлення мембранного потенціалу колбочки та зменшення колбочкової чутливості внаслідок адаптації до світла обумовлені повільним зменшенням концентрації Ca2+ в зовнішньому сегменті протягом тривалого освітлення (протилежні зміни відбуваються під час адаптації до темряви).
В темряві стале втікання Ca2+ балансується рівним та протилежним витіканням Ca2+, керованим Na+/ Ca2+,K+ насосами в плазматичній мембрані ЗС. В адаптованих до темряви фоторецепторах цитоплазматична концентрація вільних Ca2+ коливається в діапазоні 250—700 наномоль (нмоль).
Під впливом освітлення, що призводить до насичення фоторецептора, закриваються всі цГМФ-реульовані канали в ЗС. Це призводить до блокування втікання іонів Ca2+, внаслідок чого цитоплазматична концентрація Ca2+ зменшується до мінімального значення 10-50 нмоль. Повільне зменшення концентрації Ca2+ уможливлює відновлення мембранного потенціалу колбочок від їх гіперполяризаційного відгуку на яскраве освітлення, оскільки Ca2+ гальмує активність гуанілатциклази (ГЦ) — ферменту, що синтезує цГМФ із гуанозинтрифосфату (ГТФ). Тож в темряві, коли рівень Ca2+ є відносно високим, ГЦ перебуває в частково інгібованому стані, а з повільним зменшенням концентрації Ca2+ під час освітлення відбувається послаблення гальмівного впливу Ca2+ на ГЦ. Внаслідок цього із ГТФ синтезується більше цГМФ, що призводить до повільного збільшення концентрації цГМФ в зовнішньому сегменті. Врешті цГМФ-регульовані канали знов відкриваються і колбочка повільно деполяризується.
Зменшення концентрації Ca2+ запускає механізм негативного зворотного зв'язку, що регулює фототрансдукцію і, як наслідок, активну адаптацію фоторецептора до світла. Так, із повільним зменшенням рівня Ca2+ пов'язане зменшення чутливості (десенсибілізація) колбочки протягом адаптування до світла. Оскільки зниження концентрації Ca2+ призводить до інактивації фотопігментів, то ефективність такого спалаху світла в активації ФДЕ зменшується.
Низький рівень Ca2+ також зменшує чутливість цГМФ-регульованих каналів до змін в цГМФ. Внаслідок такого зворотного впливу Ca2+ потрібен інтенсивніший світловий стимул для закриття такої ж самої кількості ЦНР каналів. Крім того, дія Ca2+-зв'язувального білка рековерину на родопсинкіназу прискорює фосфориляцію родопсину, тим самим зменшуючи активацію трансдуцину.
Фоторецепторний відгук на світло
Гіперполяризаційний відгук
В темряві мембранний потенціал колбочок на рівні -35 мВ, а паличок -30 мВ, що є достатньо деполяризованим, щоб активувати Ca2+-канали L-типу і запустити синаптичне вивільнення нейромедіатору глутамату. Поява світлового стимулу призводить до гіперполяризації мембрани в зовнішньому сегменті фоторецептора, що [en] поширюється до синаптичної терміналі та зменшує вивільнення глутамату. Цей відгук залежить від кількості світла: чим яскравіше воно, тим більшою є мембранна гіперполяризація і тим менше вивільнення глутамату. Відтак, на відміну від інших нейронів, відгук фоторецептора на стимул (світло) проявляється у гіперполяризації, а не деполяризації мембранного потенціалу. Але, подібно до інших сенсорних нейронів, фоторецепторний сигнал переноситься не потенціалами дії, а через тонічну градуойовану зміну потенціалу.
Оскільки фототрансдукція здійснюється системою вторинних посередників, то відгуки паличок і колбочок на світло є відносно повільними. До прикладу, при кімнатній температурі гіперполяризація паличок земноводних у відповідь на тьмяне світло досягає пікової амплітуди за ~1 с, і потім ще 1-3 с спадає. З іншого боку, відгук паличок ссавців (при 37°С) в середньому уп'ятеро швидший. Так, в макак відгук на тьмяний спалах світла досягає піку через ~200 мс і в середньому триває 300 мс.
На відміну від паличок, відгук колбочок на світло характеризується значно швидшою кінетикою. У приматів відгук колбочки на тьмяне світло досягає пікової амплітуди через ~50 мс. Швидкість відгуку на світло обумовлює те, як швидко фоторецептор здатен виявити зміни зображення на сітківці (часова роздільна здатність) а, відтак, виявити рух стимулу[]. Позаяк колбочки мають швидшу кінетику відгуку на світло, вони є краще виявляють та сигналізують рух. Тоді як повільніша кінетика відгуку паличок дозволяє їм об'єднати розсіяні в часі сигнали (часова інтеграція), тим самим значно підсилюючи чутливість зору при тьмяному освітленні, особливо для статичних зображень на сітківці.
Відгук на поглинання одиничного фотона
Психофізичні дослідження встановили, що палички є найбільш чутливими до світла фоторецепторами, бувши в змозі сигналізувати поглинання одиничного фотона. Вимірювання з допомогою внутрішньоклітинних мікроелектродів виявили, що однофотонний відгук паличок є досить великим, призводячи до тимчасового зменшення темрявного струму на ~0,5 — 1 пА як у ссавців, так і земноводних.
В ізольованій паличці амплітуда струму у відповідь на поглинання одиничного фотона призводить до гіперполяризації мембрани в діапазоні -0,64 — 1 мВ. Коли викликана одиничним фотоном тимчасова зміна в струмі становить 1 пА або вище, то вона може бути виявлена за допомогою всмоктувальної піпетки. Враховуючи що темрявний струм в паличках земноводних коливається в діапазоні ~20-40 пА, то відгук на одиничний фотон складає 3 % від амплітуди максимального відгуку на світло. Тобто, лише ~30 поглинених фотонів можуть викликати відгук палички, рівний половині амплітуди максимального відгуку. Такий великий сигнал відображає притаманне лише паличкам підсилення каскаду фототрансдукції.
Вивчаючи відгук паличок жаб, було виявлено, що вплив поглиненого фотона не поширюється досить далеко у зовнішньому сегменті палички — лише ~2 мкм вздовж ЗС (який у жаб ~60 мкм). Таке обмежене поширення відгуку на одиничний фотон пов'язане із щільно упакованими мембранним дисками, що створюють бар'єр для поздовжнього поширення молекулярного відгуку в ЗС, тим самим обмежуючи фототрансдукцію до невеликої ділянки ЗС. З іншого боку, радіальне поширення фототрансдукції в ЗС у відповідь на поглинання фотону є відносно швидким.
Характерною рисою відгуку паличок на одиничний фотон є унікальна постійність в його амплітуді та кінетиці від спалаху до спалаху, завдяки чому саме палички надійно виявляють рідкісні фотони при низьких інтенсивностях світла. Однак така стабільність відгуку палички розходиться з нестабільністю каскаду фототрансдукції. Довгий час вважалось, що якщо активована поглинанням фотону молекула родопсину повністю інактивується в один молекулярний крок, то час існування активної форми повинен бути стохастичним, а, відтак, амплітуда та час однофотонного відгуку повинні істотно коливатись.
Тільки нещодавно було переконливо показано, що відсутність коливання у відгуку палички на одиничні фотони пов'язана з тим, що а) родопсин не інеактивується одним молекулярним кроком та б) інактивація родопсину не є панівною в тривалості цього відгуку. Дослідження паличок миші показали, що саме деактивація молекули трансдуцину є панівною постійної часу однофотонного відгуку. Оскільки кожна молекула родопсину активує ~20 молекул трансдуцину, то усереднення по розпадах багатьох молекул трансдуцину може пояснити сталість розпаду однофотонного відгуку палички. З іншого боку, амплітуда сталого відгуку палички на одиничний фотон пов'язана з розпадом родопсину. Усереднення множинного фосфорилювання активної молекули родопсину є достатнім для пояснення сталої амплітуди однофотонного відгуку.
Разом з тим, на прикладі паличок земноводних, у 1990-ті роки було показано, що однофотонний відгук паличок все ж є досить мінливим, з високим коефіцієнтом варіації (середнє квадратичне відхилення поділене на середнє арифметичне) ~0,4. Крім того, нещодавно було показано на прикладі препарованих паличок миші, що вони проявляють значно більший однофотонний відгук, аніж було виявлено попередніми дослідженнями (~1 мВ) — з середньою амплітудою 2-3 мВ в паличках з максимальним відгуком ~20 мВ. Такий відносно великий однофотонний відгук робить менш проблематичним синаптичну передачу цього відгуку до нижчестоячих паличкових біполярних нейронів, аніж вважалось раніше.
На відміну від паличок, відгук колбочок на одиничні фотони є для різних видів тварин і типів колбочок в 10-100 разів меншим і коротшим. Подібна відмінність однофотонного відгуку паличок і колбочок пов'язана головним чином з їх різницею в підсиленні каскаду фототрансдукції. у порівнянні з паличками, в колбочках підсилення молекулярних реакцій в процесі фототрансдукції є значно меншим, при тому, що обидва типи фоторецепторів майже однаковою мірою здатні до поглинання одиничних фотонів.
Електроретинограма фоторецепторного відгуку
Відгук фоторецепторів на світло може бути виявлений як з допомогою внутрішньоклітинних мікроелектродів, так і з використанням [en] (ЕРГ) — реєстрація електричної активності всієї сітківки у відповідь на світловий стимул з допомогою зовнішніх електродів, один з яких ставиться на рогівку цілісного ока, а інший на яку-небудь довільну точку на тілі. ЕРГ має кілька компонент, серед яких найраннішій компонент (негативна а-хвиля) виражає активність колбочок і паличок.
Використовуючи короткі яскраві спалахи світла, було визначено, що ранні стадії електроретинограм складаються із двох частин — первинний «ранній рецепторний потенціал» із дуже короткою затримкою, після якого слідує більший «пізній рецепторний потенціал». Висхідна фаза пізнього рецепторного потенціалу відповідає а-хвилі електроретинограми. Згодом було показано, що ранній рецепторний потенціал пов'язаний не із змінами в мембранній провідності, а з переміщенням зарядів в молекулах фотопігменту протягом процесу ізомеризації після поглинання фотонів. Тобто, ранній рецепторний потенціал відображає результат поглинання світла, а не сам процес відгуку фоторецептора на нього, що призводить до сприйняття світла. Тільки пізній рецепторний потенціал а-хвилі відображає протікання струмів через клітинну мембрану фоторецепторів і тому є ключовим компонентом сигнальних процесів сітківки.
Однак α-хвиля не повністю виражає весь час відгуку фоторецептора на світловий стимул, оскільки b-хвиля ЕРГ, яка відображає активність ON-біполярних нейронів, досить швидко слідує після a-хвилі і тому врізається в неї та спотворює фоторецепторний сигнал. Попри це, ЕРГ є корисним в офтальмологічній практиці для виявлення порушень у функціюванні паличок і колбочок.
Фоторецепторний шум
Здатність фоторецепторів виявляти найменші світлові стимули (абсолютний поріг зору) та адекватно кодувати зміни вищих інтенсивностей світла обмежується різного роду шумами — як внутрішніми для фоторецептора, так і зовнішніми, пов'язаними з фізичною природою світла.
Відкриття здатності адаптованого до темряви людського зору виявити одиничні фотони вперше продемонструвало залежність зорового сприйняття від фундаментальних фізичних обмежень, покладаючи поріг відчуття чутливості зору до найменших стимулів. Цей фіксований абсолютний поріг задається незалежним від світлового стимулу темрявним шумом, який накладає нездоланні фізичні обмеження на ефективність фоторецепторів, а відтак обмежує як здатність зору до розрізнення контрастності, так і їх чутливість до тьмяного світла.
Щоб фоторецепторний сигнал можна було виявити, амплітуда мембранного струму фоторецепторів, спричиненого поглинанням фотонів, має перевершувати внутрішні коливання темрявного струму («темрявний шум»). До прикладу, в колбочках макаки пікове значення амплітуди фотоструму одиничного фотона становить ~0,03 пА, а в одиничних колбочках окуня смугастого ~0,14 пА. Однак ці сигнали «невидимі» для фоторецептора, оскільки вони не перевершують коливання шуму темрявного струму, ~0,12 пА2 в макаки і ~0,28 пА2 в окуня. З іншого боку, в паличках пікова амплітуда струму одиничного фотона становить ~1 пА в жаби та 0,7 пА в макаки, що перевершує паличкові коливання шуму темрявного струму (~0,035 пА2 в жаби і 0,030 пА2 в макаки) і дозволяє надійно виявити сигнали, викликані поглинанням одиничних фотонів. Для різних рівнів світла характерні різні типи шумів мембранного струму, що обмежують фоторецепторну ефективність:
- при проміжних інтенсивностях світла поріг покладається статистичними коливаннями у схопленні фоторецептором фотону;
- при найвищих інтенсивностях світла головним джерелом шуму є спонтанна ізомеризація хромофору фотопігменту, що генерує дискретні фоторецепторні відгуки, подібні до тих, які виникають внаслідок поглинання фотонів і тому можуть генерувати хибне «сприйняття» світла (звідси й назва цього шуму — «темрявне світло»). Опсини паличок й S-колбочок є стабільними та характеризуються значно меншою частотою темрявного світла, аніж опсини L- і M-колбочок;
- «безперервний» шум постає в процесі фототрансдукції внаслідок спонтанної активації фосфодіестарази;
- інші джерела фоторецепторного шуму пов'язані із спонтанним вивільнення нейромедіатору і спонтанним відкриттям-закриттям мембранних каналів, що додає незначні коливання фотоструму. Для паличок характерний менший шум каналів, аніж для колбочок, тому лише палички генерують фотострум у відповідь на поглинання одиничного фотона, що є відносно безшумним і надійно передає сигнал про одиничні поглинання.
Шум «темрявного світла»
Зорова система багатьох хребетних є надзвичайно чутливою до світла в умовах адаптації до темряви. Окрім механізму фототрансдукції здатного до значного підсилення сигналу, подібна висока чутливість також потребує теплової стабільності зорового пігменту для зменшення шуму.
Неодмінною властивістю зорової системи хребетних є наявність т. зв. «темрявного світла» (англ. dark light), що виникає внаслідок спонтанної ізомеризації хромофору (ретиналь) фотопігменту в повній темряві, за відсутності світлового стимулу, і може генерувати електричний сигнал, нерозрізнюваний від такого ж сигналу, викликаного поглинанням справжнього світла.
Теплова активація фотопігменту
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Fotoreceptori bezspajkovi svitlochutlivi sensorni nejroni roztashovani u zovnishnomu yadernomu shari sitkivki oka Mikrofotografiya kolbochok i palichok v sitkivci primativ otrimana cherez skanuvalnij elektronnij mikroskop Shematichne podannya fotoreceptoriv palichki z bokiv ta kolbochka v centri RPE pigmentnij epitelij sitkivki OS zovnishnij segment fotoreceptoriv CC spoluchna vijka IS vnutrishnij segment fotoreceptoriv ONL zovnishnij yadernij shar OPL zovnishnij sitchastij shar INL vnutrishnij yadernij shar N klitinne yadro S sinapsi Fotoreceptornij shar sitkivki utvoryuye dvovimirnu mozayiku sho peretvoryuye bezperervne zobrazhennya trivimirnogo svitu sformovane krishtalikom ta rogivkoyu oka v masiv diskretnih signaliv yaki potim obroblyayutsya nizhche roztashovanimi nejronami sitkivki i cherez optichnij nerv peredayutsya do mozku do vishoyi zorovoyi sistemi Sitkivka hrebetnih mistit dva klasi fotoreceptoriv palichki ta kolbochki sho mayut chotiri harakterni lishe dlya fotoreceptoriv strukturno funkcionalni skladovi zovnishnij segment vnutrishnij segment z yednuvalna vijka ta unikalni v usij nervovij sistemi sinaptichni zakinchennya yaki neperervno vivilnyayut nejromediator za vidsutnosti stimulu Kolbochki i palichki riznyatsya mizh soboyu morfologiyeyu chutlivistyu ta reakciyeyu na svitlo strukturoyu fotochutlivih pigmentiv i diapazonom pokrittya intensivnostej svitla Palichki yakih v sitkivci lyudini lishe odin tip vidpovidayut za zir pri tmyanomu i nichnomu osvitlenni skotopichnij zir i dozvolyayut zorovij sistemi dosyagnuti mezh nakladenih poglinannyam odinichnih fotoniv Koli palichki povnistyu adaptovani do temryavi to mozhut reaguvati na odinichni fotoni Kolbochki mensh chutlivi do svitla ale zabezpechuyut gostrotu zoru Sitkivka bilshosti ssavciv maye dva tipi kolbochok a lyudini i deyakih mavpovih tri tipi yaki ye maksimalno chutlivimi do troh koloriv chervonogo zelenogo ta sinogo Poyednannya vidnosnih intensivnostej cih troh osnovnih koloriv dozvolyaye lyudskomu zoru viznachiti kolir bud yakogo ob yekta Vidtak kolbochki vidpovidalni za dennij fotopichnij zir Postupove zmenshennya rivnya osvitlennya vid yaskravogo dennogo svitla do tmyanogo nichnogo obumovlyuye perehid zoru vid kolbochok do palichok Cej perehid suprovodzhuyetsya zmishennyam diapazonu maksimalnoyi zorovoyi chutlivosti do sinogo kincya spektru vidimogo svitla efekt znanij yak zmishennya Purkinye Zmishennya Purkinye pov yazane iz sutinkovim mezopichnim zorom sho ye promizhnim mizh fotopichnim ta skotopichnim Kolbochki u centralnij yamci sitkivki primativ formuyut regulyarnu trikutnu mozayiku Z viddalennyam vid centralnoyi yamki regulyarnist mozayiki kolbochok shvidko spadaye Fotoreceptori vidpovidayut giperpolyarizaciyeyu a ne depolyarizaciyeyu yak inshi nejroni u vidpovid na adekvatnij cim receptoram signal svitlo Okrim togo na vidminu vid bilshosti nejroniv fotoreceptori peredayut elektrichni signali ne cherez potenciali diyi spajki a cherez en membrannogo potencialu A unikalna morfologiya fotoreceptoriv nadilyaye yih risami podibnimi do optichnih hvilevodiv Potreba pidtrimuvati gradiyent koncentraciyi ioniv u fotoreceptorah i yih tonichna depolyarizaciya za vidsutnosti svitla robit sitkivku odniyeyu z najbilsh metabolichno aktivnih tkanin tila Tomu peretvorennya fotoreceptorami svitla v elektrichni signali fototransdukciya ye odnim z najbilsh energozatratnih procesiv organizmu tvarin Fotoreceptori formuyut ta peredayut vsyu prostorovo chasovu informaciyu sho dostupna vishim rivnyam zorovoyi sistemi Rozmir shilnist roztashuvannya spektralna chutlivist ta elektrichni reakciyi fotoreceptoriv nakladayut nezdolanni obmezhennya na chasovu prostorovu ta kolorovu informaciyu yaku CNS mozhe viluchiti iz zobrazhennya na sitkivci V 1991 roci z yasuvalosya sho zorovij pigment melanopsin ye ne lishe v palichkah i kolbochkah a j v okremomu vidnosno nevelikomu klasi ganglioznih klitin ssavciv takim chinom ci klitini ye tretim klasom fotoreceptoriv sitkivki na dodachu do palichok i kolbochok Oskilki fotovidguk melanopsinu znachno povilnishij anizh vidguk opsiniv palichok ta kolbochok to vvazhayetsya sho ci en ipRGC ne mayut znachnoyi roli u formuvanni zorovogo sprijnyattya chi vzagali ne zalucheni do procesu zoru a yih golovnoyu funkciyeyu ye regulyuvannya cirkadnih ritmiv ta rozmiriv zinici oka u vidpovid na svitlo Odnak nakopichuyetsya dedali bilshe danih sho svitlochutlivi gangliozni nejroni vse zh mozhut koduvati prostorovu zorovu informaciyu ta formuyut vizualne sprijnyattya na rannih etapah obrobki zorovih zobrazhen Fotoreceptornij shar sitkivki Shari sitkivki RPE pigmentnij epitelij sitkivki OS zovnishnij segment fotoreceptoriv IS vnutrishnij segment fotoreceptoriv ONL zovnishnij yadernij shar OPL zovnishnij sitchastij shar INL vnutrishnij yadernij shar IPL vnutrishnij sitchastij shar GC ganglionarnij shar BM membrana Bruha P pigmentni epiteliociti R palichki C kolbochki Strilochka i punktirna liniya zovnishnya pogranichna membrana H gorizontalni klitini B bipolyarni klitini M klitini Myullera A amakrinovi klitini G ganglionarni klitini AX aksoni Sitkivka ce shar tkanini oka sho transformuye svitlo u zorovi signali yaki peredayut informaciyu pro vidimij zovnishnij svit do mozku Transformaciya svitla v elektrichni signali pochinayetsya na rivni dvoh klasiv fotoreceptoriv sitkivki palichok ta kolbochok Sitkivka hrebetnih znahoditsya poperedu pigmentnogo epiteliyu klitini yakogo zapovneni temnim pigmentom melaninom sho poglinaye vse te svitlo yake ne shoplyuyetsya sitkivkoyu Ce unemozhlivlyuye vidbittya svitla nazad u sitkivku i pogirshennya zorovogo zobrazhennya Fotoreceptori znahodyatsya na zadnij stinci oka odrazu pered pigmentnim epiteliyem tomu vsi inshi nejroni sitkivki rozmisheni pered fotoreceptorami blizhche do krishtalika oka Taka perevernuta budova sitkivki prizvodit do togo sho svitlo povinno projti cherez vsi shari yiyi nejroniv persh nizh potrapit do fotoreceptoriv Shob svitlo dijshlo do fotoreceptoriv bez poglinannya ta znachnogo rozsiyannya nejronni aksoni v blizhchih sharah sitkivki pozbavleni miyelinovoyi obolonki zabezpechuyuchi vidnosnu prozorist cih shariv Palichki i kolbochki shilno rozmisheni v sitkivci zajmayuchi 90 dvovimirnogo fotoreceptornogo sharu inshi 10 ce pozaklitinnij prostir U sitkivkah tvarin sho vedut dennij i nichnij sposib zhittya napr lyudina makaka kishka krolik blizko 5 vsih receptoriv stanovlyat kolbochki vsi inshi palichki U sitkivci ssavciv za nevelikim vinyatkom deyaki hovrahi mayut tilki kolbochki vidnoshennya palichok do kolbochok ye navdivovizhu stalim 20 1 Oskilki potik fotoniv pri dennomu svitli ye znachno bilshim nizh vnochi to vden sitkivka mozhe spiratis na menshu kilkist fotoreceptoriv yaki efektivno shoplyuyut nadlishkovu kilkist fotoniv todi yak v temryavi vazhlivij kozhen foton sho potrebuye bilshoyi kilkosti palichok Fotoreceptori v centralnij yamci Protyagom evolyuciyi oka vidbulas harakterna specializaciya sitkivki istotne zmishennya shilnosti fotoreceptoriv ta nejroniv Todi yak u ssavciv nizhchogo poryadku napriklad shuriv ta mishej shilnist klitin v sitkivci ye rivnomirnoyu to v centri sitkivki ssavciv vishogo poryadku napriklad kotiv ta primativ z yavilos nevelike pogliblennya t zv centralna yamka fovea centralis 1 mm v diametri pokrivaye blizko 3 gradusiv zorovogo polya de nejroni zmisheni v bik dozvolyayuchi fotoreceptoram v cij dilyanci otrimuvati najmensh vikrivlene zorove zobrazhennya Take zmishennya ye najbilsh yavnim u seredini centralnoyi yamki en 300 mkm v diametri U foveoli vidsutni palichki i ye najbilsha koncentraciya kolbochok yaki umozhlivlyuyut najkrashu gostrotu ta visoku rozdilnu zdatnist zoru Zamist zbilshennya fotoreceptoriv ta inshih nejroniv v usij sitkivci dlya zabezpechennya vishoyi gostroti zoru sho b takozh potrebuvalo istotnogo zbilshennya rozmiriv oka podibna specializaciya obmezhena nevelikoyu dilyankoyu oka Shob fiksuvati poglyad na rechah i buti v zmozi rozglediti yih bilsh detalno ochi povinni postijno ruhatis umozhlivlyuyuchi proyekciyu zorovogo zobrazhennya na centralnu yamku Tomu protyagom spoglyadannya lyudina robit chiselni ruhi ochej blizko 3 ruhiv s Rozpodil palichok i kolbochok v sitkivci Sinya kriva harakterizuye gostrotu zoru sho spirayetsya na kolbochki i yaka spadaye z vidstannyu vid centralnoyi yamki Centralna yamka v ochah lyudini ye neglibokoyu i maye 570 mkm v diametri mistyachi do 200 tis dovgohvilovih ta serednohvilovih kolbochok mm2 Serednya vidstan mizh nimi vid centru do centru stanovit vid 2 do 2 5 mkm tobto na 1 gradus polya zoru potraplyaye 120 kolbochok Ce dostatno dlya formuvannya zobrazhennya gratki z periodom 1 60 gradusa sho i ye mezheyu rozdilnoyi zdatnosti zoru lyudini Dlya porivnyannya shilnist kolbochok v centralnij yamci sitkivki orla klinohvostogo stanovit 1 mln kolbochok mm2 sho vidpovidaye vdvichi bilshij gostroti zoru rozdilna zdatnist 1 143 gradusa nizh u lyudini dosyagayuchi biofizichnoyi mezhi mozhlivoyi shilnosti kolbochok oskilki she bilsha shilnist kolbochok potrebuvatime tonshih vnutrishnih segmentiv chij hvilevidnij mehanizm ne zmozhe zapobigti rozsiyannyu fotoniv na susidni kolbochki U sitkivci lyudini na vidstani 5 gradusiv vid centralnoyi yamki shilnist kolbochok spadaye vdesyatero do 20 tis kolbochok mm2 a na vidstani 10 gradusiv she vdvichi 10 tis kolbochok mm2 Zi zbilshennyam vidstani vid centru sitkivki zbilshuyetsya i diametr kolbochok u centralnij yamci vin stanovit 1 2 mkm a na vidstani v 10 gradusiv 4 10 mkm pislya chogo zalishayetsya vidnosno stalim Tvarini yaki mayut mensh gostrij dennij zir nizh lyudina ale krashij zir vnochi mayut zmenshenu shilnist kolbochok v centralnij yamci zadlya zbilshennya kilkosti palichok v sitkivci Tak shilnist kolbochok v centralnij yamci kishki majzhe vdesyatero mensha 30 tis mm2 nizh u lyudini zavdyaki chomu u nih zbilshuyetsya shilnist palichok do 200 tis mm2 Na vidminu vid kolbochok palichki vidsutni u foveoli odnak yih shilnist shvidko zrostaye iz vidstannyu vid centru dosyagayuchi maksimalnoyi shilnosti za 3 mm 20 gradusiv vid centralnoyi yamki 160 tis palichok mm2 Zvidsi koncentraciya palichok spadaye bilsh postupovo dosyagayuchi 35 tis mm2 na periferiyi sitkivki Takozh na vidminu vid kolbochok diametr palichok shvidko ne zrostaye zi zbilshennyam yih shilnosti zalishayuchis vidnosno stalim 1 5 mkm odrazu z yih poyavoyu poza foveoloyu i zbilshuyuchis na periferiyi sitkivki 4 mkm Sitkivka takozh mistit dilyanku vidomu yak optichnij disk misce de zorovij nerv vidhodit iz sitkivki do mozku V cij dilyanci ne znahoditsya zhodnogo fotoroceptora tomu vona postaye yak slipa plyama v zorovomu poli Zorovij nerv mistit 106 nervovih volokon utvoryuyutsya aksonami ganglioznih klitin sho z urahuvannyam kilkosti kolbochok i palichok v sitkivci 6 5 106 ta 120 106 vidpovidno vkazuye na visokij koeficiyent konvergenciyi iz fotoreceptoriv do ganglioznih klitin poryadku 120 1 Fotoreceptori sitkivki organizovani mozayichno v odin shar sho formuye sinaptichni zv yazki z nizhchestoyachimi nejronami gorizontalnimi ta bipolyarnimi nejronami v zovnishnomu sitchastomu shari Teoriya podvijnosti zoruIdeya sho zorova sistema hrebetnih podilyayetsya na dvi morfologichno ta fiziologichno vidminni pidsistemi palichkovu ta kolbochkovu lezhit v osnovi teoriyi podvijnosti zoru Vidkrittya fotoreceptoriv Odne z pershih zobrazhen fotoreceptoriv palichok zroblene Gotfridom Treviranusom 1837 1722 r vivchayuchi sitkivku lyudini Antoni van Levenguk skorish za vse buv odnim z pershih hto cherez mikroskop pobachiv fotoreceptori hocha vin ne rozumiv yih funkcionalnoyi roli Tilki cherez stolittya fotoreceptori v zovnishnij sitkivci buli viyavleni viokremleni ta opisani V 1830 h rr nimeckij likar ta prirodoznavec en viyaviv fotoreceptori vivchayuchi pid mikroskopom sitkivki rib zemnovodnih ssavciv ta ptahiv Hocha vin i pov yazav funkciyu viyavlenih nim palichok yaki vin nazvav puhircyami zi sprijnyattyam svitla Treviranus vvazhav sho fotoreceptori spryamovani do sklopodibnoyi kameri oka a ne vid neyi i optichnij nerv chiyi zakinchennya vin prodovzhuyuchi dekartovu tradiciyu vvazhav receptornimi elementami na jogo dumku povinen buv vidhoditi pozadu receptoriv Yak vidznachali piznishe inshi doslidniki sitkivki hocha doslidzhennya anatomiyi sitkivki Treviranusa buli hibnimi majzhe u vsomu voni buli korisnimi oskilki stimulyuvali odrazu seriyu novih doslidzhen Vpershe na te sho fotoreceptori perevernuti vkazav anatom ta fiziolog en 1839 yakij viyaviv sho zakinchennya palichok vityagnuti do horioideyi oka Odnak i Bidder podibno do Treviranusa ne mig zrozumiti yakim chinom perevernuti fotoreceptori mozhut reaguvati na svitlo tomu zvodiv yih funkciyu lishe do viddzerkalennya svitla cherez volokna optichnogo nerva Nimeckij anatom ta fiziolog Genrih Myuller v 50 h rr HIH st opisav perevernutu prirodu fotoreceptoriv i paralelno zi shvejcarskim fiziologom Albertom fon Kellikerom ta vpershe vkazav dva okremi yih tipi palichki i kolbochki Vkazavshi sho palichki na vidminu vid kolbochok mayut bagryanistij kolir Myuller odnak she ne zmig viznachiti sho ci fotoreceptori mayut rizni zorovi funkciyi Zmishennya Purkine Zmishennya Purkine Model vidimosti chervonoyi kvitki gerani dlya dennogo fotopichnogo zoru sutinkovogo mezopichnogo zoru ta nichnogo skotopichnogo zoru Pri yaskravomu dennomu svitli kviti gerani postayut yaskravo chervonimi na foni tmyanogo zelenogo koloru yih listya chi sinih kvitiv ale pri sutinkovomu osvitlenni chervoni pelyustki postayut temno chervonimi abo chornimi todi yak zeleni listya chi sini pelyustki postayut vidnosno yaskravimi Odnim z pershih psihofizichnih svidchen isnuvannya dvoh vidminnih sistem zoru palichkovoyi ta kolbochkovoyi bulo vidkrittya v 1820 h rr cheskim fiziologom ta anatomom Yanom Purkinye fenomenu zmishennya maksimalnoyi chutlivosti oka v napryamku sinogo kincya spektru vidimogo svitla zi zmenshennyam rivnya osvitlenosti Purkinye pomitiv sho vidnosna yaskravist riznih koloriv zminyuyetsya zi zminoyu zagalnogo rivnya osvitlennya Vin vidmitiv sho sini ta chervoni kviti nezalezhno vid yih riznici v kolori viglyadayut dlya nogo odnakovo yaskravo pri dennomu svitli Odnak pri duzhe tmyanomu svitli v sutinkah chi na svitanku chervoni kviti viglyadayut temno chervonimi chi majzhe chornimi todi yak vin vse she mozhe bachiti sinij kolir kvitok yaki viglyadayut yaskravishimi Hocha sam Purkine ne vvazhav svoye vidkrittya vazhlivim same cej fenomen znanij yak efekt Purkinye abo zmishennya Purkinye svidchiv pro isnuvannya podvijnoyi sistemi zoru kolbochkovogo kolorovogo zoru sho funkciyuye pri yaskravomu osvitlenni ta palichkovogo zoru pri tmyanomu osvitlenni Piznishe fenomen zmishennya Purkinye buv viyavlenij takozh v zhab kotiv hovrahiv akul i navit dvokrilih zasvidchuyuchi v nih isnuvannya podvijnoyi sistemi zoru V osnovi efektu Purkinye zmishennya najyaskravishoyi oblasti spektru zi zminoyu osvitlenosti vid chervonogo do sinogo koloru ye riznicya mizh skotopichnoyu palichkovoyu spektralnoyu chutlivistyu z pikovoyu dovzhinoyu hvili 500 nm ta fotopichnoyu kolbochkovoyu spektralnoyu chutlivistyu pik 555 nm Intensivnosti golubogo ta chervonogo svitla sho vidbivayutsya vid kvitok stimulyuyut kolbochki majzhe odnakovoyu miroyu pri dennomu osvitlenni Odnak pri sutinkovomu i tmyanomu svitli na vidminu vid kolbochok palichki prodovzhuyut funkciyuvati i oskilki voni ye bilsh chutlivimi do korotkih dovzhin hvil svitla sinogo kincya spektru tomu prodovzhuyut sprijmati sini kviti koli vzhe kolbochki pochinayut sprijmayut chervoni yak vidtinki sirogo chi majzhe chorni Okrim inshogo zmishennya Purkinye ye odnim iz vazhlivih svidchen sho palichki poryad z kolbochkami zalucheni do formuvannya kolorovogo zoru Vtim dlya pidtverdzhennya povedinkovogo vidkrittya Purkinye vidminnosti dvoh sistem zoru potribni buli odnoznachni anatomichni ta fiziologichni svidchennya vidminnostej mizh yih fotoreceptorami palichkami ta kolbochkami Teoriya podvijnosti Shulce Pershim hto odnoznachno vkazav na funkcionalnu vidminnist mizh palichkami ta kolbochkami buv vidomij nimeckij anatom en yakij u seriyi statej 1866 1867 rr pokazav podvijnist sitkivki hrebetnih i zaklav osnovi teoriyi podvijnosti zoru Dlya rozriznennya palichok vid kolbochok Shulce spiravsya na yih morfologiyu sho stalo vreshti klasichnim kriteriyem dlya vidilennya tipiv fotoreceptoriv Vin pomitiv sho fotoreceptor ne ye odnoridnim ale podilenij na segmenti zovnishnij ta vnutrishnij Vidpovidno do morfologiyi zovnishnih segmentiv fotoreceptoriv Shulce yih nazvav Stabchen palichkami ta Zapfen kolbochkami U palichkah Shulce vidiliv dovgi cilindrichni zovnishni segmenti tonki ta vidovzheni vnutrishni segmenti todi yak v kolbochok korotki konusopodibni zovnishni segmenti ta shirshi i splyusheni vnutrishni segmenti Krim togo nayavnist chi vidsutnist u vnutrishnomu segmenti fotoreceptoriv specializovanih struktur en sho pritamanni sitkivkam ptahiv ta deyakih plazuniv sluguvalo osnovoyu dlya vidokremlennya kolbochok yaki yih mayut vid palichok yaki pozbavleni takih vkraplen Chitko vidilivshi vnutrishni ta zovnishni segmenti fotoreceptoriv i yih vidminnist mizh palichkami ta kolbochkami Shulce vstanoviv vidminnu rol yaku voni vidigrayut u procesi zoru Palichkam vin vidviv rol u bezkolirnomu nichnomu zori todi yak kolbochki vvazhav vidpovidalnimi za kolorovij dennij zir U porivnyanni z rozvinenishimi kolbochkami palichki Shulce vvazhav bilsh primitivnim organom zoru Vin vstanoviv sho najbilsha koncentraciya kolbochok znahoditsya v centri sitkivki centralna yamka lyudini todi yak palichki perevazhayut na yiyi periferiyi Porivnyavshi svoyi gistologichni dani iz povedinkovimi vidkrittyami fiziologa en pro te sho zi zbilshennyam vidstani vid centralnoyi yamki rozriznennya koloriv ta gostrota zoru spadayut Shulce prijshov do visnovku sho tilki kolbochki vidpovidalni za kolorovij ta prostorovij zir z visokoyu rozdilnoyu zdatnistyu Porivnyalni doslidzhennya Shulcem sitkivok tvarin yaki veli nichnij chi dennij sposib zhittya pidtverdili jogo pripushennya pro funkcionalnu vidminnist dvoh tipiv fotoreceptoriv Vivchayuchi sitkivki nichnih tvarin sov kazhaniv krotiv yizhakiv Shulce viyaviv sho voni mayut malo chi vzagali ne mayut kolbochok Tak samo vin viyaviv lishe neveliku kilkist palichok u tvarin najbilsh aktivnih lishe protyagom dnya yashirki zmiyi hameleoni deyaki vidi ptahiv Oskilki lyudskij zir ne rozriznyaye kolori vnochi Shulce prijshov do zagalnogo visnovku sho palichki vidpovidalni za bezkolorove sprijnyattya pri tmyanomu svitli a kolbochki za kolorove sprijnyattya pri yaskravomu svitli zaklavshi osnovi Duplizitatstheorie teoriyi podvijnosti zoru vidpovidno do yakoyi kolbochki zalucheni do dennogo fotopichnogo zoru a palichki do nichnogo skotopichnogo zoru Do sutinkovogo mezopichnogo zoru palichki i kolbochki zalucheni razom Termin Duplizitatstheorie vviv u 1890 h rr nimeckij fiziolog ta psiholog en Popri svoyu noviznu ta obgruntovanist solidnimi porivnyalnimi doslidzhennyami ideyi Shulce shodo podvijnoyi prirodi sitkivki ne otrimali odrazu nalezhnogo viznannya sered togochasnih fiziologiv a vidatnij nimeckij fiziolog German fon Gelmgolc navit ne zgadav yih u drugomu vidanni svogo slavnozvisnogo Kerivnictva z fiziologichnoyi optiki 1896 Piznishe francuzkij oftalmolog en nezalezhno vid Shulce prijshov do visnovku pro isnuvannya dvoh klasiv fotoreceptoriv Vin viyaviv sho taka hvoroba ochej yaka niktalopiya nezdatnist bachiti pri tmyanomu svitli chi vnochi ne prizvodila do vtrati chutlivosti kolbochok v centralnij yamci sitkivki i vstanoviv sho vona bula pov yazana z palichkami poshkodzhennya pigmentnogo epiteliyu prizvodilo do nichnoyi slipoti a oskilki yak bulo vstanovleno ne zadovgo pered cim pigmentnij epitelij potriben dlya regeneraciyi rodopsinu yakij mistitsya tilki v palichkah to nichnij zir spirayetsya na palichki Na osnovi cih vidkrittiv Parino visunuv ideyu deux retines dvoh sitkivok i pripustiv yak i Shulce sho palichki ta kolbochki vikonuyut rizni funkciyi i same zavdyaki comu ye mozhlivim dennij ta nichnij zir Odnak podibno do idej Shulce ideyi Parino ne privernuli uvagi koleg Tilki zavdyaki nimeckomu fiziologu Jogannu Krisu yakij vklyuchiv ideyi Myullera Shulce ta Parino do vlasnoyi teoriyi podvijnosti 1896 ta prisvyativ yim okremij rozdil u tretomu vidanni Posibnika z fiziologichnoyi optiki 1909 Gelmgolca pid vlasnoyu redakiyeyu teoriya podvijnosti zoru otrimala shiroke viznannya ta pidtrimku sered naukovciv Isnuvannya dvoh vidminnih sistem fotosprijnyattya u vidpovidnosti z teoriyeyu podvijnosti bulo takozh pidtverdzhene psihofizichno 1933 r Stajls i Krouford viyavili paradoksalnij fenomen dlya dennogo zoru svitlo yake prohodit cherez periferiyu zinici ye mensh efektivnim nizh svitlo yake prohodit cherez yiyi centr t zv Efekt Stajlsa Krouforda div nizhche Cej efekt pov yazanij z kolbochkami yaki bilsh chutlivi do svitla sho nadhodit do nih vzdovzh yih osi anizh pid pohilim kutom Odnak taka chutlivist do napryamku svitla ne proyavlyalas v nichnomu zoru i ne viyavlyalas dlya palichok 1937 r vidomij amerikanskij fiziolog en opublikuvav gruntovnij oglyad vsih nayavnih na toj chas svidchen yaki vkazuvali na te sho majzhe vsi vimiryuvannya zorovoyi aktivnosti mozhna rozdiliti na dvi chastini 1 riven nizkogo osvitlennya za yakij vidpovidayut palichki i pov yazanij z nichnim zorom 2 riven visokogo osvitlennya sho spirayetsya na kolbochki i pov yazanij z dennim zorom Na osnovi analizu nakopichenih z chasiv Myullera i Shulca danih Hegt prijshov do visnovku sho teoriya podvijnosti zoru adekvatno opisuye zir i jogo fotoreceptornu prirodu i povinna sluguvati osnovoyu dlya podalshih doslidzhen fotoreceptoriv Teoriya transmutaciyi fotoreceptoriv Rozriznennya mizh palichkami ta kolbochkami dovgij chas gruntuvalos viklyuchno na yih morfologiyi Hocha take rozriznennya ye odnoznachnim dlya bagatoh primitivnih ta drevnih grup hrebetnih vono neodnoznachne dlya bagatoh grup tvarin sho evolyucionuvali vidnosno neshodavno i yaki transformuvali svoyi fotoreceptori pid chas zmini aktivnosti v seredovishi odin raz napr gekonopodibni abo navit dvichi deyaki zmiyi Dlya vrahuvannya cih skladnostej klasifikaciyi fotoreceptoriv amerikanskij fiziolog en zaproponuvav teoriyu peretvorennya transmutaciyi 1934 r vidpovidno do yakoyi v procesi evolyuciyi tvarini transformuvali svoyi fotoreceptori dlya adaptaciyi do novih umov seredovisha Volls pripustiv sho palichki i kolbochki ne ye vidokremlenimi ta nezminnimi tipami receptoriv ale mogli evolyucionuvati transformuyuchis odne v odne cherez seriyu morfologichno riznih promizhnih lanok Vin vvazhav sho palichki mogli zanovo evolyucionuvati iz kolbochok v tih tvarin sho vtratili kolbochki i navpaki palichki iz kolbochok Perehid plazuniv do nichnogo zhittya prizviv do zbilshennya rozmiru zovnishnih segmentiv deyakih z yih kolbochok vnaslidok chogo voni postupovo stavali palichkopodibnimi Yak uzagalniv osnovu ideyu teoriyi transmutaciyi Volls pershi palichki v sviti buli generovani transmutaciyeyu kolbochok i cej proces chas vid chasu povtoryuvavsya koli potribno vidtodi koli hrebetni stupili na zemlyu Malyunok Vollsa transmutaciyi kolbochok zmiyi 1942 Pokazani chotiri rizni morfotipi kozhen z yakih ilyustruye rizni klasi fotoreceptoriv prisutnih v sitkivci odnogo vidu zmiyi Strilki vkazuyut na poryadok transformaciyi fotoreceptoriv A Drevni fotoreceptori Tri klasi kolbochok odin klas palichok Pritamanni gadyukovim Viperinae B Denni fotoreceptori Tri klasi kolbochok Palichki vtracheni Pritamanni vuzham pidv yazkovim zmiyam S Sutinkovi fotoreceptori Tri klasi kolbochok z promizhnimi palichkopodibnimi zovnishnimi segmentami Harakternij dlya Glyancevih vuzhiv Arizona elegans D Nichni fotoreceptori Tri klasi povnistyu transformovanih palichkopodibnih kolbochok Harakterni dlya nichnih vuzhiv Volls sformulyuvav ta rozvivav svoyu teoriyu vivchayuchi morfologiyu fotoreceptoriv sitkivok predstavnikiv rodu luskatih zokrema nichnih i dennih gekonopodibnih ta zmij Vin viyaviv sho sitkivki deyakih z cih vidiv mali lishe kolbochki abo lishe palichki abo zh promizhni fotoreceptori sumish vlastivostej palichok i kolbochok hocha yih evolyucijni prashuri mali protilezhni sitkivki vidpovidno viklyuchno z palichkami abo zh viklyuchno z kolbochkami Krim togo Volls doslidiv sho a na vidminu vid dennih tvarin fotoreceptori v nichnih tvarin vtratili zabarvleni olijni kraplini chi vzagali ne mali takih vkraplen b fotoreceptori nichnih tvarin mali vidovzhenishu formu iz nadzvichajno dovgimi zovnishnimi segmentami Vsi ci svidchennya transmutaciyi fotoreceptoriv riznih vidiv luskatih Volls viklav u svoyij fundamentalnij praci Ochi hrebetnih ta yih adaptivna radiaciya 1942 r Popri vsyu radikalnist teoriyi Vollsa vona ne superechila golovnomu aspektu teoriyi podvijnosti zoru funkcionalnij vidminnosti mizh nichnim ta dennim zorom sho spiravsya na palichki ta kolbochki Odnak teoriya transmutaciyi dozvolila po inshomu pidijti do vivchennya fotoreceptoriv yih evolyuciyi ta adaptaciyi do seredovisha i vidmovitis vid yih traktuvannya yak fiksovanih ta vidokremlenih klasiv fotosprijnyattya Teoriyu Vollsa piznishe pidtrimav i rozvinuv vidomij britanskij gerpetolog Gart L Andervud Garth L Underwood 1919 2002 Hocha Volls vivchav tilki morfologichni aspekti transmutaciyi vin vvazhav klyuchovoyu vidminnistyu mizh nichnimi ta dennimi fotoreceptorami nayavnist palichkovogo zorovogo pigmentu rodopsinu RH1 v adaptovanih do temryavi palichkah ta jogo vidsutnist v kolbochkah Ne znajshovshi palichkovogo rodopsinu v sitkivkah riznih predstavnikiv nichnih ta dennih polozovih zmij Volls pripustiv sho nichni polozovi iz vinyatkovo palichkovimi sitkivkami evolyucionuvali vid dennih polozovih iz vinyatkovo kolbochkovimi sitkivkami Odnak vin ne mav dostatnih danih dlya pidtverdzhennya ciyeyi teoriyi transmutaciyi oskilki v jogo chas ne bulo zasobiv potribnih dlya identifikaciyi zorovih pigmentiv sho ye molekulyarnimi oznakami riznih tipiv fotoreceptoriv Za vinyatkom robit Vollsa ta Andervuda popri progres molekulyarnoyi biologiyi teoriya transmutaciyi ne otrimala nalezhnoyi uvagi doslidnikiv yaki vivchali golovnim chinom molekulyarni skladovi fotoreceptoriv ptahiv rib ta ssavciv Vinyatkom bulo doslidzhennya fotoreceptoriv gekoniv v yakih bulo viyavleno pigmenti ta diski zovnishnih segmentiv yaki zazvichaj prisutni v kolbochkah i yakim bula pritamanna ekspresiya geniv pov yazanogo iz dennim zorom nezalezhno vid togo chi ce nichni vidi gekoniv iz vinyatkovo palichkovimi sitkivkami chi denni iz vinyatkovo kolbochkovimi sitkivkami Volls takozh pripustiv sho fotoreceptori prostih sitkivok z viklyuchno odnim tipom receptoriv takozh ye rezultatom transmutaciyi Odnak vivchennya fotoreceptoriv zmij v konteksti teoriyi transmutaciyi rozpochalos lishe v 1990 h rr i takozh spochatku stosuvalos vivchennya lishe morfologichnih vidminnostej V sitkivci zvichajnoyi kotyachoyi zmiyi bulo viyavleno sho palichkovi fotoreceptori mayut desho konusopodibnij yak u kolbochok zovnishnij segment ta neviddilnist diskiv zovnishnih segmentiv vid plazmatichnoyi membrani sho ye harakternim dlya kolbochok Ce svidchilo pro te sho taki palichki ye transmutovanimi palichkopodibnimi kolbochkami Vinyatkovo kolbochkova sitkivka pidv yazkovoyi zmiyi zahidnoyi pid skanuvalnim elektronnim mikroskopom Vidpovidno do teoriyeyi transmutaciyi Vollsa ci kolbochki ye transmutovanimi palichkami sho pidtverdili doslidzhennya laboratoriyi Belindi Chang Zastosuvannya molekulyarnih tehnik en zovnishnimi ramanivskimi mitkami ta en dlya doslidzhennya zorovih pigmentiv vinyatkovo palichkovoyi sitkivki nichnogo vuzha viyavilo v nih kolbochkovi pigmenti Ci dani pidtverdili morfologichni doslidzhennya ta pripushennya Vollsa yakij vvazhav sho sitkivka cogo vidu maye silno transmutovani palichkopodibni kolbochki Transmisijna elektronna mikroskopiya kolbochok pidv yazkovoyi zmiyi zahidnoyi sho mayut harakternu dlya palichok strukturu formu zovnishnogo segmenta ta membranni diski pidtverdzhuyuchi teoriyu transmutaciyi Vollsa sho ce transmutovani palichki A podvijni kolbochki yaki skladayutsya z a dopovnyalnih ta b osnovnih V Velika odinichna kolbochka Is ta mala odinichna kolbochka ss iz vnutrishnimi IS ta zovnishnimi OS segmentami Vidmitnoyu yih risoyu ye korotki konusopodibni zovnishni segmenti ta veliki cibulinopodibni vnutrishni segmenti S Velika odinichna kolbochka ta mala odinichna kolbochka Cej tip maloyi odinichnoyi kolbochki maye bilsh palichkopodibnij zovnishnij segment i mensh cibulinopodibnij vnutrishnij segment D F Zbilshennya zovnishnih segmentiv velikoyi odinichnoyi kolbochki D ta maloyi kolbochki pershogo tipu E F z harakternoyu dlya palichok sharuvatoyu strukturoyu vidkritih diskiv strilki Laboratoriya evolyucijnogo biologa Belindi Chang angl Belinda Chang z Torontskogo universitetu sogodni ye odniyeyu z providnih u sviti z vivchennya molekulyarnih skladovih fotosprijnyattya ta yih evolyuciyi i vidoma ryadom vidkrittiv yaki pidtrimuyut ta pogliblyuyut teoriyu transmutaciyi Vollsa Vikoristavshi shirokij spektr tehnik sekvenuvannya DNK filogenetichnij ta molekulyarno evolyucijnij analiz ekspresiyu fotopigmentiv in vitro mikrospekt rofotometriyu elektronnu mikroskopiyu ta imunogistohimiyu dlya doslidzhennya sitkivki dennoyi pidv yazkovoyi zmiyi zahidnoyi yaka maye odin tip podvijnih i tri tipi odinichnih kolbochok Chang z kolegami viyavili sho deyakim malim odinichnim kolbochkam pritamanni palichkopodibni diski zovnishnih segmentiv vidminni vid kolbochok elipsoyidi vnutrishnih segmentiv ta ekspresiya genu palichkovih rodopsinu Rh1 i en Gt Vidtak ci mali odinichni kolbochki ne ye spravzhnimi kolbochkami a transmutovanimi palichkami sho ye pershim pryamim svidchennyam transmutaciyi v sitkivci zmij ta pershim molekulyarnim svidchennyam transmutaciyi vid palichki do kolbochki Na osnovi otrimanih danih Chang z kolegami pripustili sho vinyatkovo kolbochkovi sitkivki evolyucionuvali ne shlyahom vtrati palichok a yak pripuskav Volls cherez evolyucijnu transmutaciyu davnih palichok v kolbochko podibni fotoreceptori dlya togo shob povernuti potribnu dlya dennogo zhittya spektralnu chutlivist ta rozriznennya koloriv vtracheni razom z opsinami SWS2 ta RH2 zelenih kolbochok protyagom rannoyi mozhlivo zemlerijnoyi evolyuciyi zmij Shozhi rezultati buli otrimani laboratoriyeyu Chang pri vivchenni vinyatkovo kolbochkovoyi sitkivki dennoyi v zovnishnih segmentah kolbochok yakih bulo viyavleno ekspresiyu genu palichkovogo rodopsinu Rh1 yakij odnak znebarvlyuvavsya za prisutnosti gidroksilaminu sho harakterno dlya opsiniv kolbochok Rezultati Chang ta koleg odnoznachno vkazuyut na transmutaciyu kolbochok sosnovoyi zmiyi iz palichok sho v cilomu mozhe svidchiti pro poshirenist fenomenu transmutacij sered polozovih zmij Teoriya transmutaciyi Vollsa znajshla takozh pidtrimku v neshodavnomu molekulyarno filogenetichnomu doslidzhenni cilogo ryadu polozovih zmij v chiyih vinyatkovo palichkovih ta vinyatkovo kolbochkovih sitkivkah bula viyavlena ekspresiya geniv kolbochokovih ta palichkovih opsiniv vidpovidno Hocha otrimani rezultati cogo doslidzhennya svidchat pro desho skladnishij scenarij nizh pripuskav Volls palichkopodibni kolbochki ta kolbochkopodibni palichki zmij mogli evolyucionuvati shonajmenshe dvichi U poyednanni iz rezultatami doslidzhen sitkivok gekoniv doslidzhennya zmij pripuskayut sho na vidminu vid staloyi podvijnoyi sitkivki rib ptahiv ta ssavciv fotoreceptori plazuniv zaznavali povtoryuvanih i radikalnih zmin Zorovij pigmentChutlivist fotoreceptoriv do svitla obumovlyuyetsya spektrom poglinannya yih zorovih pigmentiv en sho znahodyatsya v zovnishnomu segmenti fotoreceptoru Vidkrittya zorovogo pigmentu Malyunok F Bolla 1877 r procesu znebarvlennya sitkivki zhabi svitlom Na ostannomu malyunku vnizu pravoruch ne znebarvlenimi zalishayutsya tilki t zv zeleni palichki div nizhche Tipi palichok Zorovi pigmenti vidkriv v 1876 77 h rr nimeckij fiziolog en vivchayuchi sitkivku zhab Vin viyaviv sho vpliv svitla na sitkivku prizvodit do znebarvlennya yiyi chervonuvato purpurovogo koloru roblyachi yiyi blidoyu Odnak Boll pomitiv sho sitkivka vidnovlyuye svij purpurovij kolir yaksho tvarina trimayetsya v temryavi pislya vplivu svitla Na osnovi cih vidkrittiv Boll prijshov do visnovku sho svitlo prizvodit do znebarvlennya pigmentu sitkivki i pripustiv sho v zovnishnih segmentah palichok nayavni substanciyi sho reaguyut na svitlo i peredayut cyu informaciyu do CNS cherez fotohimichnij proces V kinci 1870 h rr nimeckij fiziolog en pidtverdiv vidkrittya Bolla pokazavshi sho zorovij pigment palichok zhabi znebarvlyuyetsya pid vplivom svitla ale vidnovlyuye svij kolir v temryavi i zberigaye jogo navit pislya smerti Cherez harakternij kolir vin nazvav fotopigment palichki zorovim purpurom nim Sehpurpur sogodni vin znanij yak rodopsin Kyune takozh viyaviv sho vidnovlennya fotopigmentu pislya znebarvlennya pov yazane iz pigmentnim epiteliyem sitkivki za vidsutnosti yakogo rodopsin ne povertayetsya do pervinnogo peredznebarvlenogo stanu Krim togo Kyune vpershe vimiryav spektralnu chutlivist rodopsinu j prijshov do visnovku sho zorove sprijnyattya spirayetsya na poglinannya svitla cim pigmentom V 1930 h rr vidatnij amerikanskij fiziolog Dzhordzh Uold pokazav sho rodopsin pid vplivom svitla rozkladayetsya na karotinoyid yakij vin nazvav retinen angl retinene sogodni znanij yak retinal i bilok piznishe nazvanij Uold prijshov do visnovku sho zorovij pigment ye skladnim bilkom iz retinenom yak prostetichna grupa Krim togo Uold rozpochav vivchennya fotopigmentiv kolbochok i viluchiv iz sitkivki kurki chutlivij do chervonogo svitla pigment yakij nazvav de nazva yaku vin perenis na vsi fotopigmenti kolbochok abi vidrizniti yih vid fotopigmentu palichki rodopsinu Uold z kolegami pokazav sho jodopsin znebarvlyuyetsya formuyuchi retinal ta bilok yakij ye vidminnim vid bilka opsinu v rodopsini V seredini 1950 h rr v seriyi statej Uold z kolegami pokazali sho sistema rodopsinu zalezhit vid izomerizaciyi retinalyu konformacijnoyi zmini v molekuli i sho 11 cis izomer retinalyu ye poperednikom vsih zorovih pigmentiv Vikoristavshi ridkij azot dlya upovilnennya himichnih procesiv Uold ta in vpershe pokazav sho rodopsin prohodit cherez seriyu nestijkih molekulyarnih peretvoren odne z yakih metarodopsin II privodit do zbudzhennya fotoreceptoru persh nizh retinal bude gidrolizovanij z opsinu Za svoyi vidkrittya pov yazani z fotohimiyeyu zoru Dzhordzh Uold otrimav v 1967 r Nobelivsku premiyu z fiziologiyi abo medicini Struktura zorovogo pigmentu Struktura model rodopsinu bika iz simoma transmembrannimi komponentami ta miscem priyednannya retinalyu Vsi zorovi pigmenti mayut odnakovu strukturu skladayuchis iz bilka ta svitlopoglinayuchogo hromofora aldegid vitaminu A1 sho kovalentno zv yazanij z opsinom cherez osnovi Shiffa i nadaye bilku jogo kolir Same hromofor robit fotopigmenti chutlivim do svitla en ce transmembranni semispiralni bilki nalezhat do G bilok spryazhenih receptoriv yedinij polipeptidnij lancyug yakih skladayetsya z 364 geni fotopigmentu M ta L kolbochok abo 348 gen fotopigmentu S kolbochki ta rodopsinu aminokislotnih zalishkiv Blizko 50 opsinu rozmisheno vseredini bilipidnoyi membrani a dva kinci jogo aminokislotnogo lancyuzhka C kinec ta N kinec yak i korotki bilkovi petli sho z yednuyutsya z alfa spirallyu znahodyatsya poza membranoyu Hromofor ce grupa atomiv v molekuli sho najbilsh silno zaluchena do poglinannya viprominyuvannya Tak podvijnij zv yazok mizh atomami vuglecyu C C diye yak hromofor vnaslidok optichnogo zbudzhennya odnogo z elektroniv sho formuyut podvijnij zv yazok t zv p zv yazok v nezv yazuvalnu p orbital perehid vid p do p Tozh aktivnist hromoforu ye naslidkom perehodu p do p Takij elektronnij perehid zdijsnyuyetsya pislya poglinannya ultrafioletovogo viprominyuvannya Koli zh podvijnij zv yazok C C ye chastinoyu linijnogo lancyuga kon yugovanih atomiv vuglecyu S S S S to spektr poglinannya p p zmishuyetsya do dovshih dovzhin hvil do vidimogo diapazonu spektru Poyednuyuchis iz hromoforami opsini formuyut svitlochutlivi kompleksi fotoreceptoriv Majzhe vsi vidomi opsini yak hromofor vikoristovuyut vse trans i 11 cis formi poliyenovogo lancyuga iz 6 kon yugovanimi podvijnimi zv yazkami Odin kinec poliyenovogo lancyuga kovalentno zv yazanij iz zalishkom lizinu cherez protonovani osnovi Shiffa todi yak inshij kinec formuye do b en 11 cis retinal funkcionuye yak zvorotnij agonist pridushuyuchi aktivnist G bilka todi yak vse trans retinal diye yak agonist sho zapuskaye formuvannya aktivnogo stanu opsinu Poglinannya fotonu 11 cis retinalem ye pochatkom zoru pislya chogo cherez blizko pikosekundi retinal izomerizuyetsya do vse trans retinalyu privodyachi do konformacijnoyi zmini opsinu zapuskayuchi signalnij biohimichnij kaskad naslidkom yakogo ye zmina membrannogo potencialu fotoreceptora sho zminyuye vivilnennya nejromediatora sinapsami i signalizuye nejronam drugogo poryadku pro svitlovij stimul Vidminnist v pervinnij strukturi tochnij poslidovnosti aminokislot opsiniv viznachaye spektralnu vidminnist mizh fotopigmentami Znayuchi polozhennya aminokisloti v odnomu fotopigmenti mozhlivo viznachiti yih vidpovidne polozhennya u fotopigmenti inshih tipiv fotoreceptoriv Yak pravilo dlya fotopigmentiv lyudini shob viyaviti polozhennya aminokislot v S opsini yake vidpovidaye takomu polozhennyu v rodopsini vidnimayut 3 abo dodayut 16 dlya viyavlennya vidpovidnogo polozhennya v L i M opsinah V opsinah hrebetnih isnuye kilka en yaki vidigrayut vazhlivu strukturnu ta funkcionalnu rol dlya fotopigmentiv Tak ϵ aminogrupa zalishku lizinu v somomu transmembrannomu domeni polozhennya 296 Lys296 formuye protonovanu osnovu Shiffa iz aldegidnoyu chastinoyu retinalyu utvoryuyuchi zv yazok mizh opsinom ta 11 cis retinal hromoforom Zalishok glutaminovoyi kisloti v polozhenni 113 Glu113 diye yak protiion dlya osnovi Shiffa nejtralizuyuchi pozitivnij zaryad cogo aldiminnogo zv yazku div nizhche Zalishok prolinu v polozhenni 291 ye vazhlivim dlya utrimannya opsinnoyi kisheni zv yazuvannya dlya hromofora A dva zalishki cisteyinu polozhennya 110 ta 187 formuyut disulfidnij zv yazok sho ye klyuchovim dlya nalezhnogo zgortannya fotopigmentu Rozriv cogo zv yazku prizvodit do povnoyi vtrati fotopigmentom jogo funkciyi i yak naslidok do pigmentnogo retinitu yaksho ce fotopigment palichki abo zh slipoti shodo chervonih zelenih koloriv yaksho ce L abo M fotopigment Klasi fotopigmentiv 3D struktura rodopsinu sitkivki bika Zorovi pigmenti fotoreceptoriv klasifikuyutsya vidpovidno do spektra poglinannya fotoniv sho opisuye vidnosnu jmovirnist poglinannya fotona z pevnoyu energiyeyu Isnuye kilka klasiv fotoreceptoriv kozhen z yakih maye harakternij spektr poglinannya z pikom u najbilsh perevazhnij dovzhini hvili svitla V palichkah ta kolbochkah viyavleni p yat riznih tipiv zorovih pigmentiv tip Rodopsin 1 poznachayetsya Rh1 najchastishe znahoditsya v palichkah i maye maksimalnu chutlivist lmax 482 508 nm diapazon sino zelenogo svitla todi yak v kolbochkah znahodyatsya inshi chotiri tipi pigmentiv Rh2 LWS angl long wavelength sensitive chutlivi do dovgih dovzhin hvil svitla iz lmax 500 570 nm chervone zelene svitlo MWS angl mid wavelength sensitive chutlivi do serednih dovzhin hvil svitla iz lmax 480 530 nm zelene svitlo SWS1 i SWS2 angl short wavelength sensitive chutlivi do korotkih dovzhin hvil iz lmax 355 445 nm ultrafiolet fioletove svitlo i 400 470 nm sinye svitlo vidpovidno Zorovi pigmenti hrebetnih evolyucionuvali blizko 500 mln rokiv tomu i pohodyat iz p yati klasiv geniv opsinu chotiri spektralno vidminni klasi geniv opsinu kolbochok ta odin klas opsinu palichki Opsinni klasi kolbochok evolyucionuvali cherez duplikaciyu geniv a klas opsinu palichki Rh1 evolyucionuvav skorish za vse cherez duplikaciyu genu Rh2 opsinu kolbochki z yakim vin maye najbilshu shozhist nukleotidnoyi poslidovnosti Nichnij sposib zhittya rannih ssavciv prizviv do zmenshennya kilkosti klasiv geniv zorovih pigmentiv kolbochok iz chotiroh do dvoh A deyaki odnokolirni nichni ta morski vidi potim vtratili i odin z cih dvoh klasiv geniv Tomu trikolirnist deyakih primativ i lyudini pov yazana abo z duplikaciyeyu odnogo z cih dvoh klasiv geniv abo z polimorfizmom Na vidminu vid ssavciv ptahi zberegli geni chotiroh fotopigmentiv kolbochok chiya ekspresiya prisutnya v yih odinichnih ta podvijnih kolbochkah Odnak yak ptahi tak i bilshist ssavciv vtratili chutlivist do ultrafioletovogo svitla yaka prisutnya lishe v kilkoh vidiv ssavciv grizuni ta sumchasti todi yak u ptahiv vona zanovo nabuta Adaptaciya tvarin do novih umov prizvodit do zmin chutlivosti klasiv zorovih pigmentiv yaki po riznomu nalashtovuyutsya do konkretnih spektralnih oblastej chi novih zorovih zavdan Mutaciya v geni opsinu mozhe prizvesti do spektralnogo zmishennya maksimalnoyi chutlivosti fotopigmentu bo navit zamina odnogo nukleotidu mozhe viklikati zamishennya klyuchovoyi aminokisloti sho zminit vzayemodiyu mizh hrofomorom ta opsinom Genetichne koduvannya fotopigmentu U ssavciv okremi geni koduyut kozhen z opsiniv v palichkah ta kolbochkah ale yih struktura ta dovzhina riznitsya mizh vidami V lyudej dovzhina genu na 3 hromosomi yakij koduye rodopsin 5 0 kb todi yak gen na 7 hromosomi sho koduye S opsin maye dovzhinu 3 2 kb Gen palichkovogo fotopigmentu rodopsinu Rh1 znahoditsya na dovgomu q plechi hromosomi 3 mizh polozhennyami 21 i 24 Geni rodopsinu ta S opsinu mayut chotiri introni ta p yat ekzoniv Vnaslidok autosomnogo rozmishennya v lyudini zazvichaj nayavni dvi kopiyi kozhnogo iz cih geniv Tilki geni L M opsiniv rozmisheni na X hromosomi Bilshist ssavciv mayut tilki odin L M gen na X hromosomi i lishe bilshist mavpovih v tim chisli lyudi mayut dva L i M geni V primativ chiyi obidva L i M geni znahodyatsya na odnij X hromosomi voni rozmisheni v en bilya kincya dovgogo plecha ciyeyi hromosomi Xq28 Podibna organizaciya postala vnaslidok duplikaciyi geniv yaka za pidrahunkami vidbulas 35 mln rokiv tomu L ta M geni kozhen mistyat p yat introniv ta shist eksoniv i mayut dovzhinu 13 1 kb Bilshist lyudej mayut intron 1 rozmirom 2 kb v geni L pigmentu odnak u 35 afro amerikanciv vidsutnij cej intron a menshe nizh 1 yevropeoyidiv mayut korotshij gen L pigmentu Rozmishennya geniv M ta L pigmentiv na X hromosomi obumovlyuye bilshu chastinu kolorovoyi zelenij chervonij zorovoyi nestachi v cholovikiv yaki mayut lishe odnu X hromosomu u porivnyanni z zhinkami Organizaciya po tipu golova do hvosta geniv L ta M fotopigmentiv na H hromosomi ta shozhist yih nukleotidnoyi poslidovnosti oznachaye sho cya dilyanka hromosomi vrazliva do porushennya sparyuvannya protyagom mejozu sho prizvodit do nerivnogo krosingoveru mizh masivami geniv U vipadku perehreshennya mizh genami vidbuvayetsya vidalennya genu z odniyeyi hromosomi ta yiyi perenesennya na inshu todi yak perehreshennya v samomu geni prizvede do poyavi gibridnogo gena sho poyednuye dilyanki L ta M geniv v yedinij gen Vvazhayetsya sho same taki gibridni geni ye genetichnoyu osnovoyu bilshosti z defektiv kolorovogo zoru Na bilkovomu rivni rodopsin lyudini na 41 gomologichnij z S M ta L opsinami Todi yak geni L ta M pigmentiv gomologichni na 96 vidriznyayuchis lishe 15 aminokislotami ale tilki na 43 voni gomologichni iz S pigmentom Zamishennya v cih polozhennyah aminokislot poyasnyuye spektralnu vidminnist lmax v 30 nm mizh L ta M fotopigmentami yaka obmezhena eksonami 2 5 Najbilshe spektralne zmishennya 15 25 nm mizh L ta M pigmentami pov yazane z vidminnostyami v aminokislotnih polozhennyah sho koduyutsya eksonom 5 polozhennya 277 7 nm ta 285 14 nm Zamina v sajtah v eksonah 2 4 prizvodit do znachno menshih spektralnih zmishen 4 nm i mozhe buti pov yazana iz ridkisnimi vidminnostyami mizh anomalnim ta normalnim kolorovim zorom Visoka gomologiya mizh genami L ta M pigmentiv vkazuye na yih pohodzhennya vid odnogo gena Porivnyannya poslidovnostej aminokislot takozh svidchit pro te sho S kolbochki ta palichki postali z odnogo spilnogo fotoreceptora Todi yak porivnyannya iz suchasnimi mavpami Novogo Svitu yaki mayut tilki dva fotopigmenti vkazuyut na duplikaciyu ta divergenciyu genu dovgohvilovogo fotopigmentu vnaslidok chogo postali L ta M fotopigmenti koli mavpi Starogo Svitu vidokremilis vid mavp Novogo svitu Spektralna chutlivist fotopigmentu Stohastichnist poglinannya fotoniv Svitlo ce elektromagnitna hvilya vidimogo spektra v diapazoni chastot 4 1014 7 5 1014Gc sho vidpovidaye dovzhinam hvili v diapazoni 400 750 nm Elektromagnitna hvilya skladayetsya zi shvidko zminyuvanih elektrichnogo ta magnitnogo poliv sho rozpovsyudzhuyutsya v prostori Vona maye chastotu n ta gustinu energiyi sho ye proporcijnoyu kvadratu elektrichnogo polya Energiya elektromagnitnogo polya peredayetsya ob yektam yak diskretni kvanti fotoni Velichina energiyi yaku foton mozhe peredati ob yektu proporcijna jogo chastoti Viprominyuvannya ta poglinannya fotoniv ye stohastichnim procesom sho adekvatno mozhe buti opisanij yak prostij puassonivskij proces Vidtak jmovirnist togo sho dane chislo fotoniv bude poglinute abo viprominene u fiksovanij promizhok chas nad fiksovanoyu plosheyu opisuyetsya puassonivskoyu gustinoyu p k akexp a k k 0 1 2 displaystyle p k alpha k exp alpha k qquad k 0 1 2 de k chislo poglinenih fotoniv a serednye chislo poglinenih viprominenih fotoniv u fiksovanij promizhok chas nad fiksovanoyu plosheyu Chislo viprominenih fotoniv proporcijne yaskravosti svitla odnak tochnij chas i misce poyavi odinichnogo fotona ye neviznachenim tomu mozhut buti peredbachene lishe statistichno sho pokladaye fundamentalni fizichni obmezhennya na mozhlivosti zoru Fotonna statistika zobrazhennya na sitkivci nakladaye verhnyu mezhu na imovirnist bud yakogo rishennya sho bazuyetsya na comu zobrazhenni Vidtak vzhe na rivni fotoreceptoriv problema zoru postaye yak statistichna problema Spektr diyi fotopigmentu Normalizovani krivi spektralnoyi chutlivosti fotopigmentiv troh tipiv kolbochok S M L u porivnyanni z palichkoyu R Pershim krokom u procesi zoru ye poglinannya fotoniv zorovimi pigmentami fotoreceptoriv sho zapuskaye skladnij biohimichnij kaskad fototransdukciyi Vidtak isnuye tisna uzgodzhenist mizh vidnosnoyu spektralnoyu chutlivistyu fotoreceptora jogo spektrom diyi ta spektrom poglinannya jogo fotopigmentu Tilki fotoni sho poglinayutsya zorovimi pigmentami budut zalucheni do procesu zoru i zhoden iz postreceptornih nejronnih mehanizmiv obrobki informaciyi ne v zmozi vidnoviti chi zaminiti informaciyu vtrachenu koli fotoni ne buli poglinuti Tomu fotohimichni vlastivosti zorovih pigmentiv nakladayut fundamentalni obmezhennya na jmovirnist shoplennya fotoniv fotoreceptorami a vidtak i na zorove sprijnyattya svitu Oskilki poglinannya fotoniv ye stohastichnim procesom to signalizuvannya fotoreceptorom shoplennya fotonu viznachayetsya golovnim chinom jmovirnistyu poglinannya fotonu sho ye funkciyeyu chastoti fotonu Pozayak chastota ye fundamentalnoyu vlastivistyu fotonu to spektralne poglinannya zorovim pigmentom povinno virazhatis yak funkciya chastoti Vtim zagalnoprijnyatim ye viznachennya spektralnogo poglinannya yak funkciyi dovzhini hvili pripuskayuchi sho vono stosuyetsya fotonu u vakuumi Hocha koli elektromagnitna hvilya poshiryuyetsya v seredovishah z riznim pokaznikami zalomlennya to dovzhina hvili zminyuyetsya proporcijno shvidkosti svitla a zberigayetsya tilki yiyi chastota Tomu dlya poglinannya zorovim pigmentom klyuchovoyu ye energiya fotonu a ne jogo dovzhina hvili Do prikladu hocha dovzhina hvili zelenogo fotonu v seredini oka zalezhit vid togo chi zapovnene vono vodoyu abo povitryam prote same sprijnyattya fotonu ne zminyuyetsya oskilki poglinannya svitla fotoreceptorom zalezhit vid energiyi fotoniv sho proporcijna jogo nezminnij chastoti Yaksho rozglyadati spektralne poglinannya fotopigmentu yak funkciyu dovzhini hvili to spektri poglinannya zorovih pigmentiv vsih vidiv hrebetnih ye shozhimi skladayuchis z kilkoh vidminnih diapazoniv poglinannya a b g diapazoni ta in Golovnij a diapazon razom zi znachno slabshim b diapazonom pov yazanij iz opsin zv yazanim hromoforom i formuye asimetrichnu ta kupolopodibnu krivu sho opisuye vidnosnu jmovirnist poglinannya kozhnoyi z dovzhin hvil svitla energiyi fotonu Pikom a diapazonu ye dovzhina hvili svitla sho poglinayetsya z najvishoyu jmovirnistyu znana yak lmax dovzhina hvili maksimalnogo poglinannya Lishe zv yazuvannya opsinu z retinalem formuye shirokij a diapazon poglinannya u vidimomu spektri svitla lmax a diapazonu cogo fotopigmenta zalezhit vid genetichno zumovlenoyi poslidovnosti aminokislot opsinu ta vzayemodiyi konkretnogo opsinu z hromoforom Drugij znachno menshij diapazon poglinalnoyi zdatnosti b diapazon pov yazanij iz cis diapazonom hromoforu Zrostannya spektriv fotopigmentu L ta M kolbochok pri duzhe korotkih dovzhinah hvil ye svidchennyam takogo b diapazonu Isnuyut vidpovidni shabloni yaki dozvolyayut modelyuvati povne spektralne poglinannya zorovogo pigmentu vikoristovuyuchi tilki dovzhinu hvili jogo maksimalnogo poglinannya lmax Najposhirenishim sered yakih ye shabloni zorovih pigmentiv otrimani V Govardovskim ta in Opsinne zmishennya Oskilki vsi zorovi pigmenti ssavciv mistyat odin i toj samij hromofor 11 cis retinal a yih lmax kolivayetsya v diapazoni vid 360 nm v blizhnij UF oblasti spektru mishi ta morski svinki do 565 nm v chervonij oblasti spektru primati i lyudi to riznicya v lmax mizh riznimi tipami fotopigmentiv obumovlena poslidovnistyu aminokislot opsinu ta vzayemodiyeyu specifichnih aminokislot iz hromoforom v dilyanci zv yazuvannya opsinu Zokrema obmezhene chislo polozhen aminokislot v molekuli opsinu vidigrayut klyuchovi roli v spektralnomu nalashtuvanni fotopigmentu sho uzgodzhuyetsya z psihofizichno elektrofiziologichnimi vimiryuvannyami yaki viyavili grupuvannya znachen lmax fotopigmentiv v diskretnih spektralnih polozhennyah Sami po sobi opsini maksimalno poglinayut fotoni v ultrafioletovij oblasti spektru nizhche 300 nm todi yak hromofor 11 cis retinal maksimalno poglinaye v diapazoni 380 nm Protonuvannya osnovi Shiffa 11 cis retinalyu v organichnomu rozchinniku metanol zmishuye lmax iz 380 do 440 nm Odnak napr v bichachomu rodopsini v yakomu 11 cis retinal kovalentno zv yazanij iz zalishkom lizinu Lys296 lmax cogo samogo retinalyu zmishuyetsya do 498 nm tobto vidbuvayetsya chervone zmishennya na 58 nm Take same zmishennya lmax hromoforu takozh vidbuvayetsya v kolbochkovih fotopigmentah Zmishennya lmax mizh pigmentom ta protonovanoyu shiffovoyu osnovoyu hromoforu nazivayetsya opsinnim zmishennyam oskilki bilok opsinu zminyuye spektr poglinannya pigmentu u porivnyanni z protonovanoyu osnovoyu Shiffa 11 cis retinalyu Terminom opsinne zmishennya takozh opisuyetsya riznicya znachen lmax sered fotopigmentiv pozayak u zorovih pigmentah z odnakovimi hromoforami vidminnist v spektralnij chutlivosti postaye z vidminnosti v poslidovnostyah aminokislot opsinu Bulo zaproponovano kilka mehanizmiv yak vzayemodiya hromofor opsin mozhe sprichiniti opsinne zmishennya 1 zmina sili elektrostatichnoyi vzayemodiyi mizh grupoyu protonovanoyi shiffovoyi osnovi hromoforu ta jogo protiionom chi akceptorom vodnevogo zv yazku 2 rozmishennya povnogo abo chastkovogo zaryadiv vzdovzh poliyenovogo lancyuga 3 zmina polyarnosti abo seredovisha bilka opsinu Najbilsh zagalnoprijnyatim poyasnennyam opsinnogo zmishennya ye model tochkovogo zaryadu sho regulyuye lmax shlyahom zmini rozmishennya povnih abo chastkovo zaryadzhenih grup u zv yazuvalnij kisheni hromoforu Zokrema model pripuskaye sho yaksho odin negativnij zaryad rozmistiti poblizu protonovanoyi osnovi Shiffa a inshij negativnij zaryad na 3A vid C12 ta 3 4A vid C14 hromoforu to ce prizvede do znachnogo chervonogo zmishennya lmax rodopsinu Regulyuvannya spektralnoyi nalashtovanosti fotopigmentu Aminokislotni zamini V procesi evolyuciyi spektralne nalashtuvannya zorovih pigmentiv obumovlyuvalos mutaciyami v aminokislotnij poslidovnosti bilka opsinu fiksaciya yakih zazvichaj vidbuvayetsya protyagom 103 104 pokolin Shob taki mutaciyi vplivali na elektrostatichne ta sterichne seredovishe hromoforu a vidtak i na energetichnu shilinu mizh osnovnimi ta zbudzhenimi stanami hromoforu voni povinni traplyatis bilya hromofornoyi kisheni Yedina aminokislotna zamina mozhe zmistiti lmax na 75 nm odnak spektralna nalashtovanist fotopigmentu zazvichaj realizuyetsya cherez kilka takih zamishen U ssavciv identifikovano chiselni aminokislotni zalishki v molekuli opsinu yaki vplivayut na spektralnu nalashtovanist yih fotopigmentiv Sered fotopigmentiv L M kolbochok bulo viyavleno p yat polozhen aminokislot sho vidpovidalni za spektralnu nalashtovanist 180 197 277 285 308 Vidminnosti lishe v troh polozhennyah aminokislot 180 277 ta 285 vidpovidalni za bilshu chastinu zmishennya lmax mizh L ta M fotopigmentami She skladnishoyu ye nalashtovanist S fotopigmentu Todi yak dlya zmishennya lmax rodopsinu vid 500 do 440 nm potribno shonajmenshe dev yat polozhen aminokislot v opsini to oskilki lmax fotopigmentu S kolbochki lyudini 420 nm do cogo zmishennya povinni buti zalucheni dodatkovi polozhennya aminokislot Inshi dodatkovi polozhennya funkciyuyut razom dlya zmishennya lmax do she korotshih dovzhin hvil obumovlyuyuchi zmishennya lmax fotopigmentiv mishi v ultrafioletovij kinec spektru Zmina hromoforu 3D model molekuli degidroretinalyu Znachno shvidsha modifikaciya spektralnoyi chutlivosti fotopigmentiv zdijsnyuyetsya cherez zminu hromoforu Vitamin A maye v hrebetnih dvi formi vitamin A1 i vitamin A2 Vitamin A maye v hrebetnih dvi formi vitamin A1 i vitamin A2 Zorovi pigmenti sformovani iz retinalyu aldegid vitaminu A1 nazivayutsya rodopsinami poshireni sered morskih ta nazemnih tvarin todi yak pigmenti yaki mistyat 3 en pohidnij vitaminu A2 nazivayutsya de poshireni sered rib zemnovodnih plazuniv Hromofor sho znahoditsya v gidrofilnij zv yazuvalnij kisheni v seredini opsinu skladayetsya iz kon yugovanogo lancyuga iz 18 atomiv vuglecyu prikriplenih do b en a 3 degidroretinal she mistit dodatkovij podvijnij zv yazok mizh vuglecyami v b iononovomu kilci Tomu z yednannya 3 degidroretinalyu z opsinom zmishuye lmax zorovih pigmentiv do dovshih dovzhin hvil i A2 pigmenti variyuyutsya v diapazoni vid 400 do 635 nm odnak za rahunok zmenshennya teplovoyi stabilnosti ta fotochutlivosti Take zmishennya zalezhit vid dovzhini hvili dosyagayuchi 50 60 nm iz zorovimi pigmentami chutlivimi do dovgih hvil LWS i lishe kilka nanometriv z korotkohvilovimi pigmentami SWS1 SWS2 Himichna struktura 11 cis retinalyu ta 3 degidroretinalyu Poslidovnist odinarnih ta podvijnih zv yazkiv vzdovzh vuglecevogo lancyuga prostyagayetsya vzdovzh odniyeyi storoni 6 vuglecevogo kilcya v cis retinali ale prostyagayetsya dali inshoyu storonoyu dovkola kilcya degidroretinalyu Dovzhina poslidovnosti odinarnogo podvijnogo zv yazku viznachaye diapazon dovzhin hvil svitla yaki mozhe poglinati hromofor Chim dovshoyu ye poslidovnist tim dovshoyu ye dovzhina hvili maksimalnogo poglinannya Tomu odin i toj samij opsin zv yazuvalnij hromofor degidroretinal formuye fotopigment yakij mozhe poglinati vidime svitlo z dovshimi dovzhinami hvil anizh opsin zv yazuyuchi retinal Oskilki A2 hromofor harakterizuyetsya bilshim teplovim shumom pri temperaturi 35 40 C to hromoforne zmishennya vid A1 do A2 ye nedostupnim dlya teplokrovnih hrebetnih ssavciv ta ptahiv Odnak bagatom zemnovodnim ta ribam pritamanne hromoforne zmishennya mizh A1 ta A2 sho pov yazane iz poroyu roku ta periodom rozvitku Tak protyagom metamorfoz iz pugolovka u buroyi zhabi vidbuvayetsya zmishennya vid A2 do A1 todi yak shporkova zhaba buvshi pugolovkom maye sumish A1 i A2 hromoforu sho potim z rozvitkom zminyuyetsya na A2 Bagato rib napr losos zminyuyut A1 na A2 hromofor koli migruyut z okeanu do richki dlya metannya ikri V cilomu morski vidi rib vikoristovuyut A1 hromofor a prisnovodni vidi A2 hromofor sho korelyuye zi spektralnimi vidminnostyami v cih seredovishah Isnuye takozh bagato tvarin yaki mayut odnochasno A1 i A2 hromofor yak pivnichnoamerikanska velika zelena zhaba Cej vid zhab maye A2 hromofor na dorsalnomu kinci sitkivki ta A1 u yiyi ventralnij chastini spivvidnoshennya yakih zalezhit vid pori roku Odnochasna prisutnist dvoh hromoforiv korelyuye z dvoma polyami zoru ciyeyi zhabi sho znahoditsya na poverhni vodi stavka pidvodne pole zoru spryamovane na dorsalnu chastinu sitkivki a nadvodne pole zoru na ventralnu chastinu Otozh shlyahom lishe zmini hromoforiv v procesi rozvitku chi sezonnih zmin zorovi pigmenti mozhut istotno zminyuvati maksimalnu spektralnu chutlivist privodyachi do zmin kolorovogo zoru Krim togo spektr poglinannya fotopigmentu obumovlyuyetsya koncentraciyu pigmentu v zovnishnomu segmenti fotoreceptora ta dovzhinoyu zovnishnih segmentiv Ci chinniki vplivayut na spektr poglinannya cherez t zv efekti samoekranuvannya div detalnishe efekt samoekranuvannya Pozayak zorovij pigment znahoditsya v membrannih diskah sho formuyut shari v zovnishnomu segmenti fotoreceptoru to pershij shar fotopigmentu poglinaye bilshe svitla iz dovzhinami hvil blizkimi do jogo dovzhini hvili maksimalnogo poglinannya lmax Tomu svitlo yake dosyagaye drugogo sharu mistit menshe fotoniv iz dovzhinami hvil blizkimi do lmax pershij shar ekranuye drugij shar i cej shar pogline menshe svitla z lmax a bilshe svitla z ne maksimalnimi dovzhinami hvil Take samoekranuvannya dali poshiryuyetsya na vsi inshi shari fotopigmentu v zovnishnomu segmenti roblyachi zagalnij spektr poglinannya fotoreceptora tim shirshim chim bilshe shariv svitlo povinno projti Protonuvannya osnovi Shiffa Vsi zorovi pigmenti mayut zalishok lizinu v palichci bika znahoditsya v polozhenni 296 v L kolbochci lyudini 312 rozmishenogo v somomu transmembrannomu segmenti j kovalentno zv yazanomu z hromoforom retinalem cherez osnovi Shiffa OSh U fotopigmentah yaki poglinayut vidime svitlo lmax gt 380 nm osnova Shiffa ye protonovanoyu sho prizvodit do delokalizaciyi p elektronu v sistemi kon yugovanih podvijnih zv yazkiv OSh retinalyu v takij sposib umozhlivlyuyuchi poglinannya vidimogo svitla U fotopigmentah hrebetnih pozitivno zaryadzhena protonovana OSh stabilizuyetsya negativno zaryadzhenoyu glutaminovoyu kislotoyu v polozhenni 113 Glu113 yaka tomu nazivayetsya protiionom ion z protilezhnim zaryadom Delokalizaciya pozitivnogo zaryadu do protonovanoyi osnovi Shiffa vplivaye na spektralnu chutlivist fotopigmentu zbilshennya stepeni delokalizaciyi prizvodit do dovgohvilovogo chervonogo zmishennya a zmenshennya do zmishennya v bik korotkih dovzhin hvil sinye zmishennya Taka zmina rozpodilu zaryadu vzdovzh hromoforu zdijsnyuyetsya cherez vzayemodiyi mizh dipolyarnimi aminokislotnimi zalishkami ta hromoforom i cherez modulyaciyu vzayemodiyi mizh protiionom Glu113 ta protonovanoyu shiffovoyu osnovoyu Bagato ptahiv rib plazuniv zemnovodnih ta deyakih ssavciv mayut fotopigmenti chutlivi do ultrafioletovogo diapazonu spektru z lmax 360 370 nm Razom z fioletovimi chi sinimi pigmentami ultrafioletovi pigmenti UF z lmax 390 430 nm nalezhat do grupi SWS1 pigmentiv Porivnyannya aminokislotnih poslidovnostej riznih SWS1 pigmentiv ne viyavilo zhodnoyi spilnoyi aminokisloti pomizh UF pigmentiv sho svidchit pro te sho spektralna chutlivist UF pigmentiv riznih vidiv hrebetnih obumovlena vidminnimi mehanizmami Vtrata v SWS1 pigmentah protonuvannya OSh prizvodit do yih korotkohvilovogo zmishennya lmax v ultrafioletovij diapazon spektru V rezultati zamini v SWS1 pigmenti zaryadzhenogo Glu113 nezaryadzhenim Gln postaye pigment z pH chutlivoyu lmax zbilshennya pH vede do zmishennya lmax z ultrafioletovogo z pikom 351 nm do fioletovogo 424 nm V prirodnomu stani chutlivih do ultrafioletu SWS1 pigmentiv OSh neprotonovani todi yak chutlivi do fioletovogo spektra SWS1 pigmenti ye protonovanimi sho svidchit pro vpliv protonuvannya OSh SWS1 pigmentiv na yih spektralnu chutlivist Dlya zmini stanu protonuvannya OSh SWS1 pigmentu dostatno odniyeyi aminokislotnoyi zamini Hocha pervinno SWS1 pigmenti hrebetnih buli chutlivi do ultrafioletu zmishennya yih chutlivosti do fioletovogo traplyalos bagato raziv v evolyuciyi i bulo pov yazane iz zaminoyu fenilalaninu v polozhenni 86 Phe86 na tirozin Tyr abo serin Ser Na vidminu vid tih hrebetnih v yakih chutlivi do ultrafioletu SWS1 pigmenti buli pervinno u ptahiv taki pigmenti postali cherez vtratu chutlivosti do fioletovogo diapazonu spektru vnaslidok aminokislotnoyi zamini Phe86 na Ser z pomizh vsih vivchenih hrebetnih lishe dlya ptashinih chutlivih do ultrafioletu pigmentiv ye harakternim zmishennya spektralnoyi chutlivosti nazad do fioletovogo cherez zaminu Ser v polozhenni 90 na cisteyin Cys Taka aminokislotna zamina svidchit pro alternativnij sposib formuvannya pigmentu chutlivogo do ultrafioletu i skorish za vse yiyi naslidkom ye vtrata protonuvannya OSh V palichkovih pigmentah protonuvannya OSh stabilizuyetsya kompleksom vodnevogo zv yazku dovkola OSh Aminokislotni zalishki zalucheni do cogo kompleksu OSh znahodyatsya v polozhenni 94 113 181 186 192 ta 268 i razom z molekulami vodi vidigrayut klyuchovu rol v mehanizmi pereklyuchennya protiionu OSh sho vidbuvayetsya pislya formuvannya promizhnogo stanu metarodopsinu I MI vnaslidok aktivaciyi rodopsinu poglinannyam svitla Kolir ta dovzhina hvil svitla Dovzhini elektromagnitnih hvil l yaki ye vidimimi dlya lyudini mozhut projti cherez optiku oka ta sprichinitis do fotohimichnoyi zmini v zorovih pigmentah sitkivki znahodyatsya v diapazoni vid 400 nm fioletovij do 700 nm temno chervonij Cej diapazon vidimogo svitla vklyuchaye kolori spektru yaki Isaak Nyuton opisav yak chervonij pomaranchevij zhovtij zelenij blakitnij indigo ta fioletovij Dlya deyakih tvarin vklyuchayuchi rib ptahiv ta bagatoh chlenistonogih cej spektr rozshiryuyetsya do ultrafioletovogo diapazonu vid 400 do 320 nm ultrafiolet A UVA Ob yekti v zovnishnomu sviti vidbivayut rizni dovzhini hvil svitla po riznomu Tomu rozpodil dovzhin hvil v svitli vidbitomu vid ob yektiv dopomagaye tvarinam ci ob yekti identifikuvati rozrizniti ta klasifikuvati Tak listya vidbivayut bilshist svitla v diapazoni 500 600 nm sini kviti v diapazoni 350 500 nm stiglij frukt 550 600 nm i t d Slid rozriznyati kolir i dovzhinu hvili svitla Yak vidznachav she Tomas Yung v 1802 r sami po sobi dovzhini hvil ne mayut koloru Kolir yakij lyudina sub yektivno sprijmaye postaye yak rezultat analizu zorovoyu sistemoyu riznih dovzhin hvil svitla Koli v 1960 h rr vpershe bula vimiryana chutlivist odinichnih kolbochok do riznih dovzhin hvil svitla to bulo viyavleno sho zhodna z nih ne bula chutlivoyu do chervonih dovzhin hvil dovshih 600 nm Najblizhchoyu do chervonogo koloru ye kolbochka sho maye maksimalnu chutlivist do dovzhini hvili 564 nm sho vidpovidaye zhovto zelenomu koloru Tomu chervonij kolir ne maye okremogo fotoreceptora v sitkivci lyudini a vidobrazhayetsya yak zmenshennya u vihidnomu signali kolbochok z lmax 564 nm ta she bilshim zmenshennyam u vihidnomu signali kolbochok z lmax 534 nm Vidtak dlya spravzhnogo chervonogo koloru dovzhini hvil bilshe nizh 650 nm zostayutsya aktivnimi tilki kolbochki z lmax 564 nm Tomu pripisuvannya sub yektivnogo sprijnyattya pevnogo koloru do dovzhini hvil privodit do zmishannya koli mi nazivayemo do prikladu dovzhinu hvili 580 nm yak zhovtij kolir Odnak sub yektivnij zhovtij kolir postaye yak poyednannya svitla z dovzhinami hvil 620 nm chervonij kolir ta 540 nm zelenij kolir Tak samo ye bagato koloriv yaki lyudina sprijmaye yak odin ale yaki ne mayut vidpovidnih odnih spektralnih dovzhin hvil napr purpurovij kolir ye poyednannyam dovgih chervonij kolir ta korotkih sinij kolir dovzhin hvil Princip univariantnosti Hocha jmovirnist togo sho foton bude poglinenij fotoreceptorom istotno zminyuyetsya iz dovzhinoyu hvili svitla viznachayuchi spektralnu chutlivist fotoreceptora odnak vidpovidno do zaproponovanogo v 1960 h rr anglijskim fiziologom en en efekt vid poglinannya fotonu nezalezhnij vid dovzhini hvili Tomu kozhen z troh klasiv kolbochok yaki zabezpechuyut trikolirnij zir harakterizuyetsya univariantnoyu odnovimirnoyu reakciyeyu na poglinenij foton Univariantnist polyagaye v tomu sho poglinannya fotonu odinichnim zorovim pigmentom postaye yak vidguk odniyeyi zminnoyi na zminu intensivnosti svitla Vidtak fotopigment vidobrazhaye ves spektr vidimogo svitla u vihidnij signal odniyeyi zminnoyi chastotu kilkist poglinannya kvantiv svitla Formalno fotoreceptornij vidguk R mozhe buti opisanij yak funkciya svitla poglinenogo fotopigmentom pri danij dovzhini hvili R f IAl displaystyle R f IA lambda de I chislo kvantiv svitla Al chastka padnih fotoniv poglinenih fotopigmentom dlya kozhnoyi dovzhini hvili l V Rashton vidznachav sho koli zorovij pigment poglinaye foton to vpliv na pigment bude odnakovim nezalezhno vid dovzhini hvili fotonu Vihidnij signal fotoreceptora zalezhit vid jogo shoplennya kvantu svitla ale ne vid togo yaki kvanti buli shopleni Tomu hocha fotoni z dovzhinoyu hvili l 450 nm mayut bilshe energiyi nizh z l 750 nm poslidovnist reakcij fotopigmentu na poglinannya fotonu z l 450 nm ye takoyu zh samoyu yak i poslidovnist reakcij na foton z l 750 nm Tozh fotoreceptor sho ye najbilsh chutlivim do zelenogo svitla mozhe generuvati odnakovij vihidnij nejronnij signal na stimulyaciyu tmyanim zelenim abo pomaranchevim svitlom Oskilki reakciya odinichnogo fotopigmentu ne koduye zhodnoyi informaciyi pro vidnosnu spektralnu skladovu svitla nash zir ne v zmozi rozrizniti svitlo z riznimi en vnochi Odnak univariantnist ne oznachaye sho zorovij pigment maye odnakovu reakciyu na vsi svitlovi spektri oskilki vin maksimalno chutlivij do konkretnih dovzhin hvil svitla i mensh chutlivij do inshih sho j viznachaye spektralnu chutlivist fotoreceptora Ale vidpovidno do principu univariantnosti pislya poglinannya vsi kvanti svitla mayut odnakovij efekt na fotoreceptornij vihidnij signal Tozh fotoreceptor postaye yak skladnij lichilnik fotoniv zmina vihidnogo signalu yakogo zalezhit tilki vid kilkosti poglinenih fotoniv a vsya informaciya pro energiyu fotoniv dovzhinu hvili vtrachayetsya Yak naslidok fotoreceptori signalizuyut nizhche roztashovanim nejronam sitkivki ta vsij vishij zorovij sistemi lishe chastotu kilkist poglinenih fotoniv a ne yih kolori dovzhinu hvili Oskilki zmina v chastoti poglinannya fotonu zorovim pigmentom mozhe buti rezultatom abo zmini dovzhini hvili fotonu abo zmini kilkosti padnih fotoniv intensivnosti to iz vihidnogo signalu odnogo fotoreceptora nizhchestoyachi nejroni sitkivki ne v zmozi viznachiti chi variaciya v chastoti ye naslidkom zmini intensivnosti svitla chi dovzhini hvili Cherez take zmishannya koloru ta intensivnosti odinichni fotoreceptori yak palichki tak i kolbochki ye slipimi do koloru Tomu vidpovidno do principu univariantnosti zdatnist sprijmati kolir rozriznennya na osnovi dovzhin hvil mozhliva tilki zavdyaki porivnyannyu nejronami sitkivki ta vishoyi zorovoyi sistemi vihidnih signaliv bilshe nizh odnogo tipu fotoreceptoriv sho mayut vidminni spektralni chutlivosti Podibne porivnyannya mozhlive zavdyaki isnuvannyu hromatichnih postreceptornih nejronnih shlyahiv yaki rozriznyayut signali z riznih tipiv kolbochok napr L M ta L M S Fotopigmenti trikolirnogo zoru Svitlo zminyuyetsya yak v intensivnosti tak i dovzhini hvili Kolorovij zir ye zdatnistyu rozrizniti mizh dvoma svitlovimi stimulami na osnovi dovzhini hvili svitla nezalezhno vid jogo intensivnosti Isnuyut dvi golovni fiziologichni peredumovi dlya kolorovogo zoru Pershoyu ye nayavnist shonajmenshe dvoh tipiv zorovih pigmentiv z vidminnimi spektralnimi chutlivostyami lmax yaki najchastishe pritamanni dvom riznim kolbochkam Tilki za ciyeyi umovi spektralni kolori z riznimi dovzhinami hvil dadut rizni spivvidnoshennya stimulyaciyi dvoh fotopigmentiv nezalezhno vid zagalnoyi stimulyaciyi vsogo rivnya osvitlennya Inshoyu peredumovoyu kolorovogo zoru ye zdatnist porivnyati vidnosne zbudzhennya kolbochok sho zdijsnyuyetsya na riznih rivnyah zorovoyi postreceptornoyi sistemi Nayavnist kolorovogo zoru pripuskaye sho sposterigach mozhe zaluchati ne tilki dovzhini hvil yaki vidpovidayut maksimalnij chutlivosti lmax zorovih pigmentiv ale j promizhni dovzhini hvil svitla yak i kombinaciyi riznih dovzhin hvil cherez vikoristannya spivvidnoshen stimulyaciyi vidminnih fotopigmentiv u riznih fotoreceptorah Rozmirnist kolorovogo zoru mozhe buti viznachena za dopomogoyu metodu uzgodzhennya koloriv angl color matching viznachennya z dopomogoyu psihofizichnih vimiryuvan kilkist svitla z fiksovanoyu spektralnoyu skladovoyu t zv osnovnimi kolorami kozhna nezalezhno zminyuvana v intensivnosti yaki neobhidni dlya postavlennya u vidpovidnist bud yake spektralne svitlo Kilkist spektralno vidminnih tipiv fotoreceptoriv nevid yemno pov yazana z rozmirnistyu kolorovogo zoru oskilki ne mozhe buti menshe tipiv fotoreceptoriv anizh isnuye vimiriv kolorovogo zoru Kolorovij zir lyudej yaki v normi mayut tri tipi kolbochok ye trikolirnim Ce oznachaye sho bud yake vidime svitlo mozhe buti pidignane angl matched cherez vidpovidne zmishannya lishe troh nezalezhnih osnovnih koloriv chervonogo zelenogo i sinogo nezalezhnih oznachaye sho zhoden z troh osnovnih koloriv ne mozhe buti otrimanij cherez poyednannya dvoh inshih osnovnih koloriv Taka pidignanist opisuvana funkciyami kolorovoyi vidpovidnosti traplyayetsya todi koli vidguki na svitlo ta osnovni kolori ekvivalentni dlya kozhnogo klasu kolbochok Taki kolori sho ye fizichno riznimi mayut riznij spektralnij sklad ale sprijmayutsya yak odnakovi znani yak metameri napr vidpovidnist mizh spektralnim zhovtim kolorom ta sumishshyu spektralnih chervonogo ta zelenogo koloriv Yaksho aktivnim ye tilki odin tip fotoreceptoriv to v takomu vipadku zir bude odnokolirnim monohromatnim tobto zvedenim do odnogo vimiru dva svitla z bud yakoyu spektralnoyu skladovoyu mozhut buti postavleni u tochnu vidpovidnist odne odnomu cherez proste zistavlennya yih intesivnostej Podibna odnokolirnist harakterna dlya zoru bilshosti sposterigachiv za nichnih umov pri tmyanomu svitla koli aktivnimi ye tilki palichki U ridkisnih vipadkah deyaki lyudi ye odnokolirnimi j za umov yaskravogo dennogo osvitlennya oskilki pozbavleni kolbochok t zv palichkova odnokolirnist abo mayut tilki odin z troh tipiv kolbochok kolbochkova odnokolirnist Zir ye dvokolirnim dihromatnim tobto zvoditsya do dvoh vimiriv koli aktivnimi ye tilki dva tipi kolbochok svitlo z bud yakoyu spektralnoyu skladovoyu mozhna pidignati cherez poyednannya dvoh inshih svitlovih spektriv Lyudej z dvokolirnim zorom zalezhno vid togo yakij z troh tipiv kolbochok u nih vidsutnij prijnyato rozdilyati na tri klasi vidsutni L kolbochki dejteranopi vidsutni M kolbochki i tritanopi vidsutni S kolbochki Bilshist lyudej z normalnim kolorovim zorom mayut tri klasi kolbochok i tomu ye trikolirnimi trihromatami tobto mayut tri vimiri kolorovogo zoru Struktura fotoreceptorivStruktura kolbochki 1 membranni diski zovnishnogo segmenta 2 mitohondriya 3 yadro 4 sinaptichnij terminal 5 z yednuvalna vijka 6 zovnishnij segment 7 vnutrishnij segment Morfologiya ta fiziologiya fotoreceptoriv pidsilyuye yih funkciyu yak svitlochutlivih klitin Palichki i kolbochki ye vidovzhenimi klitinami iz silno virazhenoyu en yaki skladayutsya iz p yati golovnih komponentiv zovnishnij segment ZS vnutrishnij segment VS z yednuvalnogo vijka ZV yadra ta sinaptichnogo terminala ZS lokalizovanij na zovnishnij abo distalnij chastini sitkivci v nomu shoplyuyutsya fotoni ta vidbuvayetsya jogo peretvorennya v elektrichnij signal v procesi fototransdukciyi VS lokalizovanij bilsh proksimalno v sitkivci i znahoditsya pid ZS v nomu mistyatsya organeli vidpovidalni za sintez bilkiv kompleks Goldzhi ta endoplazmatichnij retikulum ta regulyaciyu metabolichnoyi aktivnosti mitohondriya klitini Sinaptichnij terminal utvoryuye kontakt iz cilovim nejronom fotoreceptora Z yednuvalni vijki spoluchayut ZS iz VS zabezpechuyuchi perehid bilkiv iz VS do ZS Svitlo pislya prohodzhennya sharu nejroniv u vnutrishnij sitkivci nadhodit do vnutrishnogo segmenta fotoreceptora zvidki spryamovuyetsya do zovnishnogo segmenta de vzayemodiye z fotopigmentom Reaguyuchi na svitlo fotoreceptor generuye signali yaki pasivno poshiryuyutsya vniz po jogo aksonu 75 mkm v dovzhinu do sinaptichnogo terminala v zovnishnomu pleksiformnomu shari Fotoreceptor maye vidminnu vid inshih nejroniv strukturu sinaptichnogo terminala yakij mistit t zv en yaka spriyaye neperervnomu vivilnennyu zbudzhuvalnogo nejromediatora glutamatu na nizhchestoyachi bipolyarni ta gorizontalni nejroni Zovnishnij segment Struktura palichki 1 Zovnishnij segment 2 Z yednuyuyucha vijka 3 Vnutrishnij segment mitohondriyi 4 Klitinne tilo yadro i sinaptichnij terminal V kozhnomu Fi znahoditsya zorovij pigment rodopsin yakij rozmishenij v stopkah membrannih diskiv v palichko ta kolbochko podibnomu zovnishnomu segmenti ZS pokaznik zalomlennya v palichci 1 41 v kolbochci 1 39 v yakomu prisutni vsi komponenti potribni dlya procesu fototransdukciyi V 1860 h rr M Shulce opisav zagalnu morfologiyu sitkivki zhabi ta pokazav sho pid vplivom svitla ZS palichok rozpadalis na plastinki Vikoristovuyuchi polyarizacijnij mikroskop V Shmidt v 1930 h rr zmig pokazati sho ZS palichok buli dvozalomni vkazuyuchi na te sho voni ye visokovporyadkovanimi sharuvatimi strukturami lamelami yaki skladayutsya z lipidiv ta bilkiv V kinci 40 h pochatku 50 h rr vikoristovuyuchi elektronnij mikroskop vidomij shvedskij fiziolog en pokazav sho ZS palichki morskoyi svinki dijsno buli lamelami chiyi poverhni ye 75 A zavtovshki Podalshi doslidzhennya z dopomogoyu elektronnogo mikroskopa pokazali sho ZS kolbochok i palichok sitkivok vsih hrebetnih skladayutsya z dvomembrannih diskiv lamel priblizno 250A zavtovshki buvshi vidokremleni odna vid odnoyi vodoyu fermentami ta rozchinnimi solyami Tovshina kozhnoyi z dvoh membran disku variyuyetsya vid 50 A do 75 A Budova palichki v sitkivci ssavcivCilindrichni ta konusopodibni zovnishni segmenti Dlya palichok harakterni cilindrichni ZS yaki v ssavciv 1 2 2 mkm v diametri ta 20 40 mkm v dovzhinu sho kolivayetsya zalezhno vid chasu dnya intensivnosti svitla ta rozmishennya v sitkivci Vnutrishnij ob yem ZS palichki vklyuchno z mizhdiskovim ta citoplazmatichnim prostorom skladaye 32 10 12ml todi yak citoplazma zapovnyuye 10 10 12 ml ZS Vidtak citoplazmatichnij prostir potribnij dlya procesu fototransdukciyi zapovnyuye lishe 30 prostoru vseredini ZS palichki sho svidchit pro vazhlivist vnutrishnih membrannih struktur dlya fototransdukciyi Kolbochki v sitkivci ssavciv mayut bilsh cilindrichnij ZS todi yak v ne ssavciv dlya kolbochok harakternij konusopodibnij ZS yakij ye korotshim mayuchi zazvichaj polovinu dovzhini ZS palichki iz bilshim diametrom v osnovi sho postupovo zvuzhuyetsya nabuvayuchi konusopodibnoyi formi blizhche do verhivki Tak ZS kolbochki mishi 1 2 mkm v diametri ta 13 mkm v dovzhini V centralnij yamci sitkivki primativ kolbochki mayut dovshi ZS 45 mkm Strukturni vidminnosti v zovnishnomu segmenti mizh palichkami ta kolbochkami obumovlyuyut i yih funkcionalni vidminnosti Optika oka spryamovuye promeni svitla vzdovzh majzhe pryamoyi liniyi vid VS do ZS i dali vzdovzh ZS U pryamih ZS intensivnist svitla zmenshuyetsya vzdovzh yih dovzhini molekuli zorovih pigmentiv v osnovi ZS poglinayut fotoni tim samim zmenshuyuchi kilkist fotoniv dostupnih dlya zorovih pigmentiv na verhivci ZS t zv efekt samoekranuvannya div nizhche Vnaslidok hvilevidnoyi prirodi fotoreceptora div nizhche Fotoreceptor yak hvilevid konusopodibnij ZS zmenshuye efekt samoekranuvannya zberigayuchi visoku intensivnist svitla azh do miscya znahodzhennya zorovogo pigmentu Tomu konusopodibnij ZS poyednanij zi specifichnoyu geometriyeyu VS pokrashuye optichnu efektivnist kolbochok dozvolyayuchi VS fokusuvati svitlo na ZS de vono efektivno vzayemodiye z fotopigmentom Membranni diski Elektronna mikrofotografiya A zovnishnogo segmenta palichki ta B membrannih diskiv u zovnishnomu segmenti Palichki ta kolbochki po riznomu sintezuyut membranni diski ZS Diski v ZS kolbochok ne vidokremleni vid plazmatichnoyi membrani formuyuchi v nij skladki vidkriti do pozaklitinnogo prostoru todi yak diski v palichkah vidokremleni vid plazmatichnoyi membrani i zakriti vid pozaklitinnogo prostoru buvshi vidkritimi tilki pri vijchastij osnovi ZS ZS palichki ssavciv maye skladnu membrannu strukturu sho rozdilyaye citoplazmatichnij prostir majzhe na tisyachu rivnomirno vidokremlenih funkcionalnih vidsikiv diskiv nakladenih odin na odin z vidstannyu mizh nimi v 30 nm Kozhen disk ye zakritoyu strukturoyu sho skladayetsya iz dvoh splyusnutih membran Taki diski organizovuyut fototransdukciyu v okremi regioni v yakih poglinannya odinichnih fotoniv peretvoryuyetsya na elektrichnij signal Vidokremleni membranni diski roblyat fototransdukciyu efektivnishoyu oskilki bilki zalucheni v pochatkovij kaskad transdukciyi svitlovogo signalu ye membranozv yazanimi rodopsin ye integralnim membrannim bilkom a en ta en prikripleni do membrannih diskiv cherez en Priyednannya bilkiv do membrani pidsilyuye ta zbilshuye shvidkist fototransdukciyi pozayak zamist troh vimiriv difuziya bilkiv obmezhuyetsya dvoma Nayavnist velikoyi kilkosti vnutrishnih diskiv umozhlivlyuye visoku koncentraciyu membrano zv yazanih bilkiv v ZS palichki Do prikladu ZS palichki mishi mistit 800 membrannih diskiv sho zapovnyuyut 50 ob yemu ZS sho istotno zbilshuye jmovirnist poglinannya fotoniv Skladeni v stopku membranni diski zbilshuyut zagalnu membrannu poverhnyu v 1500 raziv u porivnyanni iz samoyu poverhneyu plazmatichnoyi membrani sho umozhlivlyuye rozmishennya velicheznoyi kilkosti zorovih pigmentiv v ZS Molekuli rodopsinu yakih v ZS 140 mln i skladayut 80 90 vsih bilkiv v membrannomu disku organizovani u formi oligomeriv vishogo poryadku i nadzvichajno shilno rozmisheni v diskovih lamelah vid 30 do 55 tis molekul mkm2 abo 108 molekul palichku Popri taku shilnist rodopsin vilno peremishayetsya v diskovij membrani zavdyaki chomu vin zustrichaye i aktivuye molekuli transducinu dlya pidsilennya svitlovogo signalu V ZS palichki mishi sho maye 24 mkm v dovzhinu i 1 4 mkm v diametri efektivna koncentraciya rodopsinu v 3 mmol zbilshuye jmovirnist poglinannya fotona sho prohodit cherez ZS do 60 Inshimi integralnimi membrannimi bilkami fototransdukciyi yaki roztashovani v diskah ZS ye dvi en guanilatciklazi RetGC1 ta RetGC2 yaki ye transmembrannimi bilkami sho peretinayut membranu odnokratno Inshi bilki sho berut uchast u fototransdukciyi transducin fosfodiesterazi 6A 6B 6C 6D rekoverin ta bilki aktivatori guanilatciklazi BAGC ye en membrannimi bilkami Okrim bilkiv yaki berut uchast u fototransdukciyi v ZS nayavni takozh specializovani bilki yaki regulyuyut ruh ioniv iz ta v ZS Odnim iz takih bilkiv ye dobre vivcheni cGMF regulovani CNR kationni kanali v plazmatichnij membrani ZS Cherez ci kanali do ZS prohodyat ioni Na ta Ca2 v adaptovanih do temryavi palichok i kolbochok U palichok kalcij skladaye 10 temryavnogo strumu sho perenositsya CNR kanalami a v K 20 i bilshe V palichkah i kolbochkah Na vikachuyetsya iz VS cherez natrij kaliyevij nasos Takij potik ioniv formuye osnovu cirkulivnogo temnogo strumu bilsha chastina yakogo perenositsya natriyem Jmovirnist vidkrittya CNR kanalu sho svoyeyu chergoyu viznachaye rozmir cirkulyuchogo strumu zalezhit vid kilkosti vilnih cGMF V temryavi koncentraciya vilnih cGMF stanovit 3 4 mkmol pri yakij kanal vidkrivayetsya lishe z jmovirnistyu 0 1 0 2 V plazmatichnij membrani palichki vtikannya Ca2 cherez CNR kanal balansuyetsya vivedennyam Ca2 z dopomogoyu Na Ca2 K bilka obminnika NCKX zavdyaki chomu vnutrishnoklitinnij riven Ca2 zberigayetsya na vidnosno stalomu rivni Vidnovlennya zovnishnih segmentiv Dlya pidtrimki maksimalnoyi chutlivosti fotoreceptoriv do svitla ZS vidnosno shvidko vidnovlyuyutsya Do prikladu v fotoreceptorah mishej shuriv ta shporkovoyi zhabi gladenkoyi dlya vidnovlennya ZS potribno do 10 dniv Odnak vidnovlennya ZS u zhabi leopardovoyi trivaye ponad 6 tizhniv Sintez novih diskiv vidbuvayetsya v osnovi ZS palichok a stari diski peremishayutsya do verhivki ZS z poverhni yakogo voni skidayutsya pachkami vid 8 do 30 diskiv i vreshti fagocituyutsya pigmentnim epiteliyem sitkivki Oskilki ZS palichki mistit 140 mln molekul rodopsinu to kozhna palichka povinna sintezuvati 10 mln novih molekul rodopsinu na ZS shodnya abo pivmiljona molekul na palichku shogodini U kolbochkah vidbuvayetsya podibnij do palichok proces vidnovlennya ZS ale oskilki diski kolbochok ne vidokremleni vid plazmatichnoyi membrani vidbuvayetsya zmishannya novih ta starih komponentiv membrannih diskiv Vidnovlennya diskiv v kolbochkah takozh vidbuvayetsya cherez vklyuchennya novih komponentiv ta skidannya i fagocitoz chastini membrani ZS Vidnovlennya diskiv ZS vidbuvayetsya v cirkadnij sposib v palichkah sintez novih diskiv vidbuvayetsya pered svitankom a skidannya vranci koli zir peremikayetsya iz palichok na kolbochki u kolbochok navpaki skidannya diskiv pered sutinkami a sintez vranci Krim togo na vidminu vid palichok kolbochki zberigayut yih formu cherez dodatkovi utvorennya skladok v napryamku dovzhini ZS sho dozvolyaye yim zbilshiti dovzhinu za rahunok shirini Vtrata zovnishnih segmentiv v hovrahiv Chastkova chi povna vtrata zovnishnih segmentiv kolbochok bula viyavlena u hovrahiv sho vpadayut v zimovu splyachku chiya sitkivka mistit 85 kolbochok V odnih z pershih doslidzhen vplivu splyachki na sitkivku hovrahiv bulo pokazano sho pislya vhodzhennya v zimovu splyachku zovnishni segmenti kolbochok hovraha trinadcyatismugovogo stavali korotshimi chi vzagali znikali a diametr diskiv zmenshuvavsya odnak bez yakogo nebud zbilshennya kilkosti fagosomiv pigmentnogo epiteliyu sitkivki U porivnyanni ZS kolbochok ZS palichok hovraha ne zminyuvalis protyagom splyachki Razom iz zminami ZS zminyuvalis takozh inshi skladovi kolbochki hovraha sho perebuvav u splyachci zmenshennya kilkosti ta dovzhini mitohondriyi u vnutrishnomu segmenti znizhennya kilkosti sinaptichnih vezikul ta sinaptichnih nizhok Chastkove povernennya do normalnoyi dovzhini ZS u hovraha vidbuvalos cherez odin tizhden pislya probudzhennya iz splyachki i zakinchuvalos povnistyu she cherez tizhden Vidnovlennya sinaptichnoyi morfologiyi ta mitohondrij vidbuvalosya shvidshe priblizno za 3 dni Vnutrishnij segment Palichki i kolbochki v sitkivci lyudini Todi yak struktura kolbochok zminyuyetsya struktura palichok majzhe nezminna Zliva napravo zmina strukturi kolbochok vid centralnoyi yamki do periferiyi sitkivki ta odna palichka Todi yak dlya palichki ta kolbochki v centralnij yamci zovnishnij segment dovgij ta kolonopodibnij shob zbilshiti poglinannya fotonu to dlya periferijnoyi kolbochki zovnishnij segment korotkij ta konusopodibnij sho dozvolyaye nepoglinenim fotonam poshiritis do susidnih palichok Vnutrishnij segment palichki ta kolbochki v centralnij yamci ye dovgim ta kolonopodibnim dozvolyayuchi yih shilne pakuvannya v sitkivci Vnutrishnij segment periferijnih kolbochok ye znachno zbilshenim sho pidsilyuye yih shoplennya fotoniv ta chutlivist do ruhu Aksoni ye tovstishimi u kolbochok ta tonshimi u palichok Na periferiyi sinaptichnij terminal kolbochok ye zbilshenim todi yak u kolbochok vin malij Bazalni vidrostki na kolbochkovomu sinaptichnomu terminali dosyagayut do inshih kolbochok ta susidnih palichok umozhlivlyuyuchi elektrichni z yednannya Vnutrishnij segment VS fotoreceptora ce tilo klitini v yakomu mistyatsya yadro mitohondriya ta in klitinni organeli Jogo anatomiya specializovana dlya zabezpechennya visokogo rivnya energiyi ta sintezu bilkiv neobhidnih dlya pidtrimki funkciyuvannya fotoreceptora U kolbochok VS zazvichaj bilsh ob yemisti iz shilno upakovanimi v elipsoyidnomu regioni okruglenimi mitohondriyami todi yak u palichok VS mistyat menshe mitohondrij yaki ye dovshimi ta tonshimi vid kolbochkovih Te sho kolbochki mayut bilshij VS nizh palichki pov yazane skorish za vse z yih bilshimi metabolichnimi potrebami u porivnyanni iz palichkami Na vidminu vid ZS VS palichok i kolbochok ne ye sharuvatimi ale v nih shilno upakovani mitohondriyi VS zavedeno diliti na dvi chastini elipsoyid ta mioyid Elipsoyid Elipsoyid ce viddalena chastina VS blizhcha do ZS sho mistit shilno rozmisheni vidovzheni mitohondriyi yaki virivnyani po kolu vzdovzh osi fotoreceptora Diametr mitohondrialnogo elipsoyida kolbochok lyudini stanovit 2 5 5 mkm todi yak do prikladu v cherepah 7 12 mkm a v kurej 2 3 mkm V makak kolbochki mistyat v 9 10 raziv bilshe mitohondrij nizh palichki U nih mitohondriyi skladayut 74 85 elipsoyidiv kolbochok ta 54 66 elipsoyidiv palichok Ob yem yih elipsoyida z vidstannyu vid centralnoyi yamki zbilshuyetsya v 2 4 raza dlya palichok ta bilshe nizh vshestero dlya kolbochok na vidstani do 13 mm v toj chas yak ob yem ZS ye stalim dlya oboh fotoreceptoriv Bilsha kilkist mitohondrij v kolbochci nizh v palichci ye divnim z oglyadu na te sho mehanizm fototransdukciyi v nih majzhe odnakovij Metabolichni funkciyi mitohondrij Mitohondriyi u fotoreceptorah vikonuyut podvijnu funkciyu Yak i v inshih klitinah u fotoreceptorah voni vikonuyut metabolichni funkciyi buvshi generatorami adenozintrifosfatu ATF Fotoreceptori zokrema yih VS harakterizuyutsya visokim spozhivannyam kisnyu VS kolbochok mayut intensivne gistohimichne farbuvannya citohrom s oksidazi ta vidnosno visoke spozhivannya kisnyu Bilshist z energiyi yaka generuyetsya u VS kolbochok pidtrimuye perekachuvannya ioniv natriyu ta obmin cGMF V temryavi za vidsutnosti svitlovogo stimulyuvannya natrij kaliyevij nasos v plazmatichnij membrani VS harakterizuyetsya nadzvichajno shvidkoyu aktivnistyu potribnoyu dlya balansuvannya velikogo potoku natriyu cherez bagato vidkritih cGMF regulovanih kanaliv v ZS Krim togo mitohondriyi elipsoyida zabezpechuyut visoku chastotu sintezu bilkiv v mioyidi VS dlya zabezpechennya visokogo rivnya fototransdukciyi bilkiv v ZS Tak ZS palichki mistit do 5 107 molekul rodopsinu iz yakih 10 fagocituyutsya pigmentnim epiteliyem sitkivki z nastannyam svitla kozhnogo dnya tomu dlya postijnoyi pidtrimki kilkosti rodopsinu v ZS v elipsoyidi shodnya sintezuyetsya do 5 106 molekul rodopsinu i peremishayetsya do osnovi ZS Optichni funkciyi mitohondrij Krim metabolichnih funkcij fotoreceptorni mitohondriyi u VS mayut takozh i optichni funkciyi Pokaznik zalomlennya VS ta ZS ye vishim vid pokaznika zalomlennya promizhnogo seredovisha zavdyaki chomu u fotoreceptori ye mozhlivim povne vnutrishnye vidbittya sho obmezhuye svitlo v granicyah receptora i vin diye yak hvilevid Elipsoyid maye vishij pokaznik zalomlennya u porivnyanni z inshimi chastinami fotoreceptora sho zumovleno shilnistyu mitohondrij yaki tomu povinni vikonuvati takozh optichni funkciyi Zavdyaki vishomu pokazniku zalomlennya poperechna plosha VS a ne ZS viznachaye ploshu shoplennya fotoniv fotoreceptora i dozvolyaye elipsoyidu spryamovuvati svitlo do ZS Vimiryuvannya podvijnih kolbochok zelenih sonyachnih okuniv Lepomis cyanellus viyavili sistematichni gradiyenti pokaznika zalomlennya u VS kolbochok yakij zbilshuyetsya vid 1 38 do 1 42 uzdovzh pozdovzhnoyi osi VS Misce vzdovzh VS de poyednannya konichnoyi formi ta zbilshenogo pokaznika zalomlennya u porivnyanni z pozareceptornim prostorom iniciyuye hvilevidnist v napryamku ZS i viznachayetsya yak optichna vhidna apertura fotoreceptora V kolbochkah centralnoyi yamki lyudini apertura dobre korelyuye z roztashuvannyam mitohondrij za vinyatkom kolbochok v seredini centralnoyi yamki v yakih apertura ye blizhchoyu do zovnishnoyi pogranichnoyi membrani Optichni bilsh nizh metabolichni funkciyi fotoreceptornih mitohondrij dozvolyayut poyasniti vidminnist mizh kilkistyu mitohondrij u VS palichok ta kolbochok osoblivo periferijnih sitkivok lyudej ta mavp Yih shiroki ta konichni VS u porivnyanni z vuzkimi ta shiroko rozstavlenimi ZS mozhut spriyati u shoplenni ta spryamuvanni svitla do fotopigmentu v ZS Na vidminu vid mavp ta lyudini riznicya mizh diametrami ZS ta VS palichok i kolbochok sitkivok mishej ta kishok ne taka znachna tomu mizh nimi i mensha riznicya v kilkosti mitohondrij ta metabolichnij aktivnosti sho vkazuye na menshu vazhlivist elipsoyidnih mitohondrij kolbochok dlya hvilevidnih vlastivostej Najbilsh ochevidnimi optichni vlastivosti mitohondrij fotoreceptoriv ye v tupayepodibnih ta zemlerijok chiyi kolbochki mistyat poryad z menshimi mitohondriyami kilka velikih mitohondrij megamitohondrij sho mayut neregulyarni kristi i diyut yak mikrolinzi pidsilyuyuchi optichni funkciyi kolbochok Taki veliki mitohondriyi mogli z yavitis yak zamishennya en yaki buli v prashuriv tupayepodibnih Serednij pokaznik zalomlennya izolovanogo VS kolbochki malajskoyi tupayi Tupaia belangeri vishij 1 405 nizh bud yakogo inshogo vivchenogo ssavcya Vivchennya mitohondrialnih elipsoyidiv VS odinichnih kolbochok kurki Gallus gallus domesticus pokazalo sho u fotoreceptoriv ptahiv elipsoyidi sluguyut ne dlya pokrashennya shoplennya svitla a skorish dlya zmenshennya pogirshennya optichnih funkcij fotoreceptora cherez rozsiyannya svitla po nomu U kolbochok ptahiv elipsoyid maye tu samu shirinu sho j olijna kolorova kraplina i zminyuye en fotoreceptora tomu neznachnim chinom pokrashuye peredachu svitla vid VS do ZS V deyakih yashirok ta minogovih najblizhchi oblasti elipsoyidiv kolbochok mistyat skupchennya zbilshenogo endoplazmatichnogo retikulumu znani yak zalomlyuyuchi tila yaki vikonuyut funkciyu zbirannya ta spryamuvannya svitla Mioyid Chastina VS fotoreceptora blizhcha do tila klitini nazivayetsya mioyid i mistit vilni ribosomi shorstkij endoplazmatichnij retikulum ShER ta kompleks Goldzhi yaki vidpovidayut za sintez bilkiv u fotoreceptori Termin mioyid buv zapozichenij iz shozhoyi oblasti fotoreceptoriv zemnovodnih yaka mistit skorochuvalnu strukturu sho vidpovidaye za ruh ZS kolbochok dlya yih oriyentuvannya Na vidminu vid zemnovodnih mioyid VS lyudini ne mozhe skorochuvatis hocha vis VS ta ZS zoriyentovana na vihidnu zinicyu oka v takij sposib zbilshuyuchi jmovirnist shoplennya svitla fotoreceptorom Iz fotoreceptornogo yadra v ShER transportuyutsya matrichni RNK de translyuyutsya na ribosomah v bilki opsiniv yaki kompleksom Goldzhi pakuyutsya v malenki vezikuli Ci vezikuli transportuyutsya do z yednuvalnogo vijka i potraplyayut do ZS de vklyuchayutsya v mishki ta plazmatichni membrani U deyakih vidiv minogovih geotriya Geotria australis yashirok Ctenophorus ornatus ta rogozuba mioyid kolbochok ta kolbochkopodibnih fotoreceptoriv cilkom mistit zhovtij pomaranchevij pigment yakij podibno do olijnih kraplin diye yak spektralnij filtr poglinayuchi dovzhini hvil svitla nizhche 500 nm U prashuriv geotriyi ci zhovti mioyidni pigmenti skorish za vse vinikli yak adaptaciya do harchuvannya na poverhni morskih vod de na yih ochi postijno vplivayut shkidlive z visokoyu energiyeyu korotkohvilove svitlo Krim togo filtr yakij poglinaye korotki hvili mozhe takozh zapobigti fotostimulyaciyi b diapazonu fotopigmentiv ta zvuziti spektralnu chutlivist riznih tipiv kolbochok zmishuyuchi pik yih chutlivosti i tim samim pokrashuyuchi rozriznennya koloriv Z yednuvalna vijka source source source source source source Struktura z yednuvalnogo vijka Vnutrishnij segment fotoreceptora poyednanij iz zovnishnim segmentom cherez tonki neruhomi z yednuvalni vijki 0 3 mkm v diametri sho ye yedinim fizichnim z yednannyam mizh ZS ta VS Na vidminu vid ruhomogo vijka aksonema z yednuvalnogo vijka ne maye dvoh mikrotrubochok v centri i tomu blizhche do osnovi maye struktura mikrotrubochok 9 2 0 Dali vid osnovi vijka i cherez bilshu chastinu ZS dubleti mikrotrubochok perehodyat v strukturu 9 1 0 singletiv mikrotrubochok Cherez z yednuvalni vijki vidbuvayetsya potik velicheznoyi kilkosti lipidiv ta bilkiv iz VS de voni sintezuyutsya do ZS de berut uchast u fototransdukciyi chi pidtrimci funkciyuvannya ZS Shohvilini do 2 tis molekul transportuyetsya iz VS do ZS Yadro Struktura yadra v palichkah riznih tvarin u podanni nimeckogo anatoma Alfreda Shapera 1899 zgori vniz lyudina kishka svinya i akula U yadri palichki kishki chitko pomitni rizni shari hromatinu yaki Shaper vvazhav artefaktom Yadra palichok ta kolbochok formuyut zovnishnij yadernij shar sitkivki hrebetnih U kolbochci yadro mistitsya u vnutrishnomu segmenti todi yak v palichci yadro znahoditsya v klitinnomu tili vidokremlenomu vid vnutrishnogo segmenta zovnishnim voloknom Yadro palichok ta kolbochok harakterizuyetsya visokim rivnem transkripciyi oskilki membranni diski zovnishnih segmentiv neperervno onovlyuyutsya tomu fotoreceptori funkciyuyut yak svogo rodu Apokrinni zalozi z visokoyu aktivnistyu Klitinni yadra vidminni v palichok ta kolbochok Yadro palichki okruglishe vidnosno male i harakterizuyetsya rozmishennyam geterohromatinu v odne shilne skupchennya hromocentr yake viglyadaye temnishim koli zabarvlene nukleofilnim farbuvannyam Yadro kolbochki ye vidnosno velikim ta ovalnim chasto formuyuchi yedinij shar sho pronikaye do zovnishnoyi pogranichnoyi membrani Kolbochkovi yadra harakterizuyutsya velikoyu kilkistyu euhromatinu i menshe geterohromatinu yakij organizovanij v kilka nevelikih skupchen i tomu ci yadra mayut mensh intensivne kontrastne farbuvannya Perevernute yadro palichki V bilshosti evkariotnih klitin pakuvannya hromatinovih nitok maye dvi formi 1 euhromatin neshilna vidkrita forma z aktivnimi genami sho znahoditsya blizhche do yadra de prohodit bilsha chastina transkripciyi ta 2 geterohromatin ushilnena forma sho chasto skupchenij dovkola yaderec ta na periferiyi yadra i mistit transkripcijno neaktivni dilyanki genomu Na vidminu vid ciyeyi ustalenoyi arhitekturi yadra v palichkah mishej bula viyavlena nezvichna perevernuta arhitektura yadra geterohromatin tut zoseredzhenij v centri yadra todi yak euhromatin i faktori transkripciyi znahodyatsya na periferiyi de v inshih yader geni ne predstavleni Taka arhitektura yader palichok maye vazhlivi funkcionalni naslidki dlya nichnogo zoru ssavciv nadilyayuchi yih optichnimi vlastivostyami Yadra A kolbochok mishi ta V palichok krolika Kolbochki mishi mayut zvichnu arhitekturu yadra euhromatin rozmishenij blizhche do centru todi yak geterohromatin na periferiyi Todi yak palichki v comu vipadku v sitkivci krolika mayut vidovzhene yadro z perevernutoyu arhitekturoyu tut geterohromatinna masa v centri chiya forma vkazuye na nezakinchene zlittya dvoh chi navit troh klasteriv geterohromatinu rozmishenogo v vzdovzh vidovzhenoyi osi yadra sho oriyentovana v napryamku fiziologichnogo poshirennya svitla spriyayuchi jogo fokusuvannyu Pri narodzhenni pislyapologovij den P0 palichki mishi mayut zvichnu dlya inshih eukariotnih klitin arhitekturu yadra ale pislya zakinchennya proliferaciyi klitin P5 ta vidkrittya ochej P13 yih yadra nabuvayut perevernutu arhitekturu yaka ostatochno oformlyuyetsya cherez misyac opislya narodzhennya Analiz yadra palichok sitkivok inshih nichnih ssavciv takozh viyaviv perevernutu yadernu arhitekturu ta yiyi stijku korelyaciyu z koncentraciyeyu palichok i spivvidnoshennyam palichok do kolbochok U bilshosti ssavciv sho vedut dennij sposib zhittya perevernutoyi organizaciyi yadra palichki ne bulo viyavleno Vinyatkom ye denni lemuri sifaka Propithecus ta lemur zvichajnij en palichki yakih mayut perevernutu arhitekturu yadra Cej vinyatok mozhe buti poyasnenij z urahuvannyam ostannih povedinkovih doslidzhen yaki pokazali sho denni lemuri naspravdi vedut en buvshi aktivnimi vden i vnochi Z inshogo boku yadro palichki korovi maye promizhnu arhitekturu geterohromatin znahoditsya v centri i poshiryuyetsya na periferiyu sho mozhe svidchiti pro perehid vid perevernutoyi yadernoyi arhitekturi do tradicijnoyi obumovlenij skorish za vse adaptaciyeyu koriv vid nichnogo do dennogo sposobu zhittya pislya odomashnennya I navpaki palichkovi yadra nichnoyi mavpi harakterizuyutsya perehodom vid ustalenoyi arhitekturi hromatinu do perevernutoyi oskilki mayut hromatin yak na periferiyi ustalena arhitektura tak i v centri yadra perevernuta arhitektura de vin ye hromocentrom Podibna perehidna forma svidchit pro povernennya nichnih mavp vid dennoyi aktivnosti do nichnoyi yaku veli prashuri primativ Unikalnoyu ye sitkivka aktivnih vnochi dovgop yatovih v yakij podibno do inshih nichnih ssavciv mensha zagalna shilnist kolbochok odnak prisutnya harakterna dlya dennih primativ centralna yamka ta yih palichkovi yadra mayut ustalenu arhitekturu sho riznit yih z pomizh vsih inshih nichnih ssavciv Chomu dovgop yatovi zberegli ustalenu arhitekturu yadra popri te sho znachno davnishe adaptuvalis do nichnogo zhittya 40 45 mln rokiv tomu anizh nichni mavpi 5 19 mln rokiv tomu stanom na 2018 rik zalishayetsya nezrozumilim Optichni vlastivosti perevernutogo yadra FDTD model rozsiyannya svitla yadrami z riznoyu arhitekturoyu Euhromatin vnizu na malyunku maye svitlishij zelenij kolir nizh geterohromatin Livoruch ustalena arhitektura yadra bez geterohromatinu v centri difrakciya ploskoyi hvili shilinoyu pravoruch perevernute yadro geterohromatin v centri euhromatin zzovni Tilki ostannye proyavlyaye fokusuvalnu povedinku div zonu visokoyi intensivnosti pozadu perevernutogo yadra Linijna kolorova shkala pokazuye kolirnij kod dlya intensivnosti svitlovogo polya normalizovanij do spadnoyi intensivnosti svitla Perevernuti yadra vplivayut na optichni vlastivosti palichok oskilki ci yadra mayut nizhchij pokaznik zalomlennya na periferiyi i vishij hoch i odnoridnij pokaznik zalomlennya v centri de skupchenij geterohromatin Podibna riznicya pokaznikiv zalomlennya znachno zmenshuye rozsiyannya yadrom ridkisnogo v nochi svitla ta pokrashuye jogo fokusuvannya dlya prohodzhennya do zorovogo pigmentu v zovnishnomu segmenti fotoreceptora polipshuyuchi nichnij zir Formuvannya perevernutogo yadra v palichci mishi v pershij misyac pislya narodzhennya vidpovidaye znachnomu skorochennyu efektivnoyi fokusnoyi vidstani yadra iz 27 mkm novonarodzhenoyi mishi do 12 mkm v dorosloyi mishi Perevernuta organizaciya palichkovogo yadra svidchit pro te sho vono podibno do inshih segmentiv fotoreceptora evolyucionuvalo dlya optimizaciyi prohodzhennya svitla cherez perevernutu sitkivku do zorovogo pigmentu fotoreceptora Na korist cogo svidchat chislovi modelyuvannya poshirennya svitla cherez perevernuti yadra palichok z dopomogoyu skinchenno riznicevogo metodu v chasovij oblasti FDTD v dvoh ta troh vimirah FDTD modelyuvannya vkazuye na te sho perevernuti yadra funkcionuyut podibno do zbiralnih linz dlya prohodyachogo svitla todi yak yadra z ustalenoyu organizaciyeyu postayut yak difrakcijno podibni pereshkodi poshirennyu svitla do zovnishnogo segmenta palichki Zavdyaki okruglij formi ta obernenij organizaciyi hromatinu perevernute yadro palichki volodiye centralnoyu simetriyeyu i optichni vlastivosti palichkovogo yadra vidokremleni vid jogo prostorovoyi oriyentaciyi Tomu perevernute yadro ne tilki bilsh efektivno fokusuye svitlo u palichci anizh ustalene yadro ale j zberigaye svoyi fokusuyuchi vlastivosti nezalezhno vid jogo oriyentaciyi Ci harakteristiki perevernutogo palichkovogo yadra mayut vazhlivi naslidki dlya zovnishnogo yadernogo sharu v yakomu znahodyatsya klitinni tila palichok i yakij v nichnih ssavciv znachno tovstishij nizh v dennih V zovnishnomu yadernomu shari palichkovi yadra rozmisheni v 6 8 shariv i zgrupovani u vertikalni kolonki virivnyani takim chinom sho znahodyatsya priblizno na odnij liniyi z prohodyachim svitlom Modelyuvannya z vikoristannyam FDTD metodu pokazalo sho organizaciya perevernutih yader palichok v kolonki zmenshuye rozsiyannya svitla i zabezpechuye podibno do centralnoyi yamki efektivnij optichnij shlyah cherez vsyu sitkivku nichnoyi tvarini Krim togo zmenshennya rozsiyannya v kolonkah perevernutih yader palichok stijke do neregulyarnostej kolonok Vidnosna tovshina zovnishnogo yadernogo sharu mozhe buti prichinoyu perevernutoyi arhitekturi palichkovogo yadra nichnih ssavciv yaka dozvolyaye v takomu potovshenomu shari zmenshiti rozsiyannya fotoniv i zbilshiti jmovirnist yih shoplennya fotopigmentom v zovnishnomu segmenti palichki Krim togo okrugla forma perevernutih palichkovih yader z yih centralnoyu simetriyeyu umozhlivlyuye fokusuvannya svitla bez neobhidnosti yih vporyadkovanogo rozmishennya v zovnishnomu yadernomu shari Obernenist sitkivki i neobhidnist prohodzhennya svitla cherez yiyi klitinni shari persh nizh vono dosyagne zorovogo pigmentu vkazuye na te sho optichni vlastivosti fotoreceptoriv ta yih skladovih ne mensh vazhlivi nizh yih fiziologichni funkciyi Aksonna terminal V rezultati poglinannya fotonu fotoreceptorom u jogo zovnishnomu segmenti zapuskayetsya kaskad fototransdukciyi sho prizvodit do gradujovanih zmin transmembrannogo potencialu zovnishnogo segmenta yakij en poshiryuyetsya do aksonnogo terminala zvidki peredayetsya inshim nejronam dvoma sposobami Odin sposib cherez elektrichni sinapsi pasivne perenesennya elektrichnogo potencialu do prileglih fotoreceptoriv cherez vnutrishnoklitinni z yednannya shilinni kontakti z nizkim oporom Drugij sposib cherez himichni sinapsi zmini membrannogo potencialu na aksonnij terminali minyayut vnutrishnoklitinnu koncentraciyu ioniv kalciyu Sa2 ta regulyuyut chastotu zlittya sinaptichnih vezikul iz plazmatichnoyu membranoyu i vivilnennya nejromediatora glutamatu na postsinaptichni nejroni sitkivki drugogo poryadku Nizhki i sferuli Aksonna terminal fotoreceptoriv rozgaluzhuyetsya v zovnishnomu sitchastomu shari sitkivki Aksonna terminal palichok nazivayetsya sferuloyu lat spherule mala sfera kolbochok nizhkoyu lat pedicle mala noga U sitkivci ssavciv periferijni kolbochki mayut znachno bilshi nizhki mozhut mati ponad 50 sinaptichnih shilin anizh kolbochki v centralnij yamci j zalezhno vid roztashuvannya v sitkivci mozhut mati diametr vid 5 do 8 mkm U sitkivci primativ poblizu centralnoyi yamki aksoni bagatoh kolbochok grupuyutsya radialno takim chinom sho nizhki formuyut kilcevij masiv dovkola centru Sinaptichna strichka Bilshist nejroniv CNS koduyut informaciyu cherez zminu v chastoti potencialu diyi Odnak fotoreceptor povinen peredavati sensornu informaciyu pro shirokij dinamichnij diapazon intensivnostej svitla koli najmenshi zmini v intensivnosti stimulu povinni prizvoditi do yavnih zmin u vivilnenni nejromediatora Tomu fotoreceptori koduyut informaciyu ne cherez potenciali diyi a shlyahom postijnogo tonichnogo vivilnennya nejromediatora glutamatu Ce dozvolyaye yim neperervno zminyuvati sinaptichni vihidni signali zalezhno vid gradujovanih zmin v intensivnosti svitla vivilnyayuchi vid odniyeyi do soten vezikul za sekundu Visokij riven vivilnennya glutamatu fotoreceptorami obumovlenij prisutnistyu v yih aksonnij terminali specializovanoyi sinaptichnoyi strukturi en sho ye miscem vivilnennya glutamatu j skladayetsya z bilka RIBEYE Strichka zv yazuye vezikuli z glutamatom i diye podibno do konveyernoyi strichki shob pidnesti vezikuli do sinaptichnoyi aktivnoyi zoni de voni zlivayutsya z plazmatichnoyu membranoyu dlya vivilnennya glutamatu v sinaptichnu shilinu Strichka ne pryamo priyednana do plazmatichnoyi membrani a cherez dugopodibnu shilnist elektron shilnu merezhu bilkiv prikriplenu do plazmatichnoyi membrani V ssavciv sferuli palichok mistyat tilki odnu strichku 30 35 nm v tovshinu todi yak nizhki kolbochok mistyat dekilka strichok chiya kilkist variyuye mizh vidami Tak nizhki kolbochok mishi mistyat 10 strichok a nizhki hovrahiv mozhut mistiti navit 15 i bilshe strichok Nizhki kolbochok primativ mozhut mistiti 20 strichok v centralnij yamci sitkivki ta 42 na periferiyi Taka mnozhina strichok v kozhnij nizhci kolbochki dozvolyaye peredavati vihidnij kolbochkovij signal bagatom klasam kolbochkovih bipolyarnih nejroniv Invaginuyuchi ta bazalni sinaptichni z yednannya mizh kolbochkami ta bipolyarnimi nejronami Kolbochki formuyut iz postsinaptichnimi nejronami dva specializovani kontakti strichkovi invaginuyuchi ta ploski bazalni Iz depolyarizuyuchimi ON bipolyarnimi ta gorizontalnimi nejronami kolbochki formuyut strichkovi sinapsi koli dendriti zagliblyuyutsya u nizhku kolbochki Iz giperpolyarizuyuchimi OFF bipolyarnimi nejronami kolbochki formuyut plaski kontakti koli dendriti bipolyariv torkayutsya osnovi nizhki kolbochki Odna kolbochka mozhe formuvati kontakti iz dendritami 10 12 bipolyarnih nejroniv ta bagatoh gorizontalnih klitin tomu v zagliblenni nizhki kolbochki mozhe buti vmisheno do 200 vidrostkiv postsinaptichnih nejroniv sho robit nizhku chi ne najskladnishoyu sinaptichnoyu strukturoyu CNS Odnak ye i vidhilennya vid visheopisanogo pravila sinaptichnih zv yazkiv mizh kolbochkami ta bipolyarnimi nejronami Neshodavno vidkritij novij tip kolbochkovih bipolyarnih nejroniv XBC yaki skorish za vse ye ON bipolyarami maye nechiselni i perevazhno netipovi bazalni kontakti z kolbochkami Krim XBC bulo viyavleno sho j inshi tipi kolbochkovih bipolyarnih nejroniv 5T 5O ta 8 yaki mayut menshe kontaktiv iz kolbochkami anizh povinni vihodyachi z rozmiru yih dendritnogo polya U serednomu voni mayut kontakt z mensh nizh odniyeyu kolbochkoyu hoch na vidminu vid XBC i formuyut tipovi invaginuyuchi sinapsi Aksoni palichok takozh formuyut sinapsi yak iz odnim tipom depolyarizuyuchih bipolyarnih nejroniv tak i z gorizontalnimi nejronami Odnak na vidminu vid kolbochok sferuli yaki mayut tilki odnu strichku kontaktuyut lishe z dvoma dendritami bipolyarnogo ta dvoma dendritami gorizontalnogo nejrona Oskilki fotoreceptori za vidsutnosti svitlovogo stimulu bezperervno vivilnyayut glutamat to specializovani sinaptichni strichki priznacheni dlya pidtrimki visokoyi chastoti nadhodzhennya Sa2 i vidtak visokogo rivnya vivilnennya Do prikladu palichki povinni vidokremiti iz fonovogo teplovogo shumu vinikaye cherez spontannij rozpad molekul fotopigmentu ta stohastichnogo vivilnennya nejromediatora korotku i slabku giperpolyarizaciyu membrani sho signalizuye poglinannya odinichnogo fotona Dlya cogo potribno minimizuvati fonovi kolivannya shlyahom utrimannya visokoyi chastoti stijkogo vivilnennya glutamatu u temryavi Vvazhayetsya sho sferula palichki yaka maye diametr 2 mkm ta mistit duzhe veliku sinaptichnu strichku ye specializovanoyu dlya pidtrimki takoyi visokoyi chastoti vivilnennya nejromediatora Sferula maye yedine zagliblennya sho vmishuye chotiri vidrostki dva vid gorizontalnih nejroniv i dva vid dendritiv palichkovih bipolyariv zavdyaki chomu postsinaptichni vidrostki znahodyatsya blizko do miscya vivilnennya glutamatu unemozhlivlyuyuchi jogo perelivannya na susidni palichki Ci anatomichni osoblivosti palichkovih sferul istotno zmenshuyut kolivannya signaliv palichok umozhlivlyuyuchi nadijne viyavlennya reakcij na odinichni fotoni Fotoreceptorni sinapsi takozh mayut ryad molekulyarnih vidminnostej vid inshih sinapsiv v nervovij sistemi Sinaptichni strichki ne mistyat en bilkiv sho regulyuyut vivilnennya nejromediatoriv v sinapsah inshih nejroniv Na vidminu vid bilshosti nejroniv ekzocitoz ta vivilnennya nejromediatora u palichkah ta kolbochkah regulyuyut potencialzalezhni kalciyevi kanali L tipu Cav1 4 skladeni iz a1F ta a1D subodinic vidpovidno ta cGMF regulovani kanali v kolbochkah Krim togo zamist sintaksinu 1 sho zdijsnyuye zlittya vezikul iz citoplazmatichnoyu membranoyu v sinaptichnih strichkah prisutnij sintaksin 3 Regulyuvannya vivilnennya glutamatu en depolyarizaciya fotoreceptoriv za vidsutnosti stimulu mozhe prizvoditi do znizhennya chutlivosti desensibilizaciyi bagatoh tipiv ionnih kanaliv viklikati v membrannomu potenciali oscilyaciyi z chastotoyu 3 4 Gc ta perepovniti VS ionami kalciyu Stijke regulyuvannya vivilnennya glutamatu zalezhno vid zmin membrannogo potencialu zdijsnyuyetsya cherez rozmishenij blizko do aktivnoyi zoni v sferuli ta nizhci potencial zalezhnij kalciyevij kanal L tipu Cav1 4 Cherez cej kanal vidbuvayetsya vhodzhennya Ca2 a vidtak i regulyuvannya nejromediatornogo vivilnennya Na ci Ca2 L tipu kanali ne diye potencial chi S2 zalezhna desensibilizaciya tomu voni mozhut pidtrimuvati neperervne vivilnennya glutamatu za vidsutnosti stimulu V sferulah palichok Cav1 4 kanali pov yazani iz kalcij zv yazuvalnim bilkom 4 angl CAlcium Binding Protein 4 CABP4 modulyaciya yakim zmishuye potencial zalezhnu chutlivist Cav1 4 kanalu do bilsh giperpolyarizovanih membrannih potencialiv Zavdyaki comu Cav1 4 kanali modulyuyutsya po vsomu fiziologichnomu diapazonu potencialu palichki Klasifikaciya fotoreceptoriv source source source source 3D model palichki Sitkivka lyudini maye chotiri tipi fotoreceptoriv 1 tip palichok i 3 tipi kolbochok kozhen z yakih ye najbilsh chutlivim do konkretnogo diapazonu elektromagnitnogo viprominyuvannya Kolbochki najimovirnishe buli pershimi fotoreceptorami v evolyucijnij istoriyi a palichki rozvinulis piznishe yak rezultat transmutaciyi kolbochok V cij samij poslidovnosti spochatku kolbochki potim palichki formuyutsya fotoreceptori pid chas embriologichnogo rozvitku oka ssavciv Palichki sho vidpovidayut za zir v temryavi ta pri zoryanomu svitli skladayut 95 vsih fotoreceptoriv ssavciv mayut tonki dovgi zovnishni segmenti skladeni z okremih diskiv vidokremlenih vid plazmatichnoyi membrani i ye v 1000 raziv bilsh chutlivimi do svitla nizh kolbochki Lyudska sitkivka mistit blizko 100 mln palichok Tri tipi kolbochok sho vidpovidayut za gostrij zir pri dennomu svitli skladayut lishe 5 fotoreceptoriv ye bilshimi za rozmirom mayut korotshi konusopodibni zovnishni segmenti diski yakih neperervno z yednani z membranoyu Sitkivka lyudini mistit 5 mln kolbochok Dlya porivnyannya sitkivka mishi mistit 190 tis kolbochok de voni skladayut 2 8 vid vsih fotoreceptoriv Tradicijno tri tipi kolbochok yaki vidpovidayut za trikolirnij zir u lyudini ta deyakih mavpovih nazivalis sini zeleni ta chervoni pripuskayuchi sho zbudzhennya takogo tipu kolbochki viznachalo vidpovidne kolorove sprijnyattya Odnak taka terminologiya narazi vvazhayetsya ne korektnoyu oskilki kolorovi nazvi ne vidpovidayut ni dovzhinam hvil maksimalnoyi chutlivosti kolbochok ni kolorovim sprijnyattyam yaki postayut pislya zbudzhennya odinichnih kolbochok Natomist sogodni zagalnoprijnyatim ye poznachennya kolbochok yak S M ta L kolbochki zalezhno vid tiyeyi chastini vidimogo spektra do yakoyi kozhna ye najbilsh chutlivoyu vid angl Short angl Middle ta angl Long wave sensitive vidpovidno korotko seredno i dovgohvilovi kolbochki Hocha spektri poglinannya fotopigmentiv S M ta L kolbochok znachno perekrivayutsya yih dovzhini hvil maksimalnogo poglinannya lmax znahodyatsya v riznih chastinah vidimogo spektra 420 530 ta 558 nm vidpovidno Hocha fotoreceptori mozhut poglinati svitlo i na 50 nm bilshe chi menshe vid yih maksimalnih dovzhin hvil voni taki fotoni poglinayut slabshe i tomu yih reakciya na svitlo spadaye chim dali jogo dovzhina hvili vid optimalnoyi dlya pevnogo fotoreceptora dovzhini hvili Z tochki zoru vlastivostej zorovih pigmentiv v lyudini ta in trikolirnih tvarin dorechno vidilyati tri a ne dva tipi fotoreceptoriv oskilki kolbochkovij SMS1 pigment nastilki zh viddaleno pov yazanij iz kolbochkovimi M LWS pigmentami yak voni iz RH1 palichkovim pigmentom Tipi palichok V bilshosti sitkivok tvarin nayavnij lishe odin tip palichok i tilki zemnovodni mayut dva tipi palichok Zeleni ta chervoni palichki zemnovodnih a Chervoni ta b zeleni palichki zhabi na malyunku G Shvalbe 1874 Podibno do inshih hrebetnih u zemnovodnih nayavni palichki z rodopsinom Rh1 sho maye maksimum poglinannya z dovzhinoyu hvili 500 nm t zv chervoni palichki yaki buli opisani she Maksom Shulce 1867 r v sitkivci zhab Odnak 1874 r nimeckij anatom en viyaviv sho dorosli zhabi mayut osoblivij z pomizh inshih tip palichok t zv zeleni palichki abo palichki Shvalbe v yakih korotshij cilindrichnij zovnishnij segment 5 8 mkm v diametri ta 60 mkm v dovzhinu ta dovshij tonkij mioyid vnutrishnogo segmenta v porivnyanni z chervonimi palichkami Maksimum poglinannya zorovogo pigmentu zelenih palichok 432 nm Nazvi cih palichok ne pov yazani z yih spektralnoyu chutlivistyu a z pritamannim yim kolorom u preparovanij tkanini sitkivki koli yih rozglyadati pid mikroskopom u bilshosti zemnovodnih zeleni palichki mayut kolir travi hocha u vognyanoyi salamandri yim pritamannij blidij siro zelenij kolir Adaptovani do temryavi chervoni palichki podibno do inshih hrebetnih najbilsh chutlivi do zhovto zelenogo svitla todi yak zeleni palichki do fioletovogo sinogo podibno do S kolbochok inshih hrebetnih propuskayuchi zelenij kolir zvidsi yih nazva Hocha kolir fotopigmentu zelenih palichok vihodyachi z jogo spektra poglinannya povinen buti zhovtim pid mikroskopom ci fotoreceptori viglyadayut zelenimi mozhlivo cherez poyednannya optichnih vlastivostej zelenih palichok duzhe tonkij mioyid vnutrishnogo segmenta neefektivnij dlya peredachi zhovtogo svitla ta lyudskogo kolorovogo zoru cherez kontrast pigmentu zelenih palichok z bagryanisto chervonim fonom rodopsinovih chervonih palichok U zhabi leopardovoyi zeleni palichki skladayut 8 vsih fotoreceptoriv a chervoni palichki 50 todi yak u tigrovoyi salamandri chervoni palichki skladayut 98 6 vsih palichok a zeleni 1 4 Podibno do mioyidiv kolbochok zhab mioyid zelenih ta chervonih palichok zhab vityaguyetsya u vidpovid na adaptaciyu do svitla shob krashe shoplyuvati padayuchi fotoni Kolbochkovij fotopigment zelenih palichok Zeleni palichki zemnovodnih mayut odnakovij z S kolbochkami opsin tomu sformovanij cim opsinom pigment SWS2 P432 angl Short wavelength sensitive opsin of class 2 zelenih palichok maye tu samu spektralnu chutlivist sho j SWS1 pigment S kolbochki Podibno do kolbochkovih pigmentiv fotopigment zelenoyi palichki takozh rujnuyetsya znebarvlyuyetsya za prisutnosti gidroksilaminu Hocha zeleni palichki ta S kolbochki mistyat odin i toj samij zorovij pigment u tigrovoyi salamandri bula viyavlena unikalna z pomizh usih hrebetnih osoblivist zeleni palichki ta S kolbochki mayut vidminni molekuli transducinu palichkovu a subodinicyu transducinu v zelenij palichci ta kolbochkovu a subodinicyu v S kolbochci yaki aktivuyutsya odnim i tim zhe pigmentom odnak ce ne vplivaye na svitlovu chutlivist chi kinetiku reakcij cih dvoh fotoreceptoriv Tozh hocha morfologichno zeleni palichki ye palichkami yih opsini ye kolbochkovimi porushuyuchi ustalenij podil fotoreceptoriv vidpovidno do yih morfologiyi i priv yazku funkciyi receptora do jogo morfologiyi Oskilki vvazhayetsya sho palichki evolyucionuvali iz kolbochko podibnih fotoreceptoriv i rodopsin evolyucionuvav iz kolbochkovih pigmentiv SWS2 to harakterni risi zelenih palichok mozhut svidchiti pro te sho ci fotoreceptori ye promizhnoyu lankoyu v evolyucijnij transformaciyi kolbochok v palichki Inshoyu unikalnoyu risoyu zelenih palichok zemnovodnih ye te sho yih podibnij do S kolbochok opsin ye nadzvichajno stabilnim zeleni palichki mayut duzhe malij riven spontannoyi teplovoyi izomerizaciyi lt 10 14 teplovih izomerizacij s pri 23 S Z cogo viplivaye sho SWS2 kolbochkovij pigment zelenoyi palichki zemnovodnih spontanno aktivuyetsya v serednomu odin raz kozhni 1014 s tobto 4000 rokiv sho robit jogo najstabilnishim iz vsih vidomih opsiniv vklyuchno z rodopsinami yaki z pomizh vsih inshih zorovih opsiniv mayut najmenshij riven spontannoyi teplovoyi izomerizaciyi 0 01 s 1 Zeleni palichki nayavni tilki v zemnovodnih i hocha mayut shozhu z palichkami morfologiyu dlya nih harakterna povedinka S kolbochok tomu ci palichki rozshiryuyut diapazon chutlivosti S kolbochok i mozhut buti zalucheni v trikolorovij zir zokrema v rozriznennya koloriv na mezopichnomu rivni osvitlennya ta vidpovidati za instinktivnu pozitivnu fototaksichnu reakciyu na sinye svitlo harakternu dlya bagatoh bezhvostih Tipi kolbochok Sered bilshosti vidiv tvarin palichki mayut vidnosno odnakovu strukturu vidriznyayuchis lishe dovzhinoyu ta diametrom zovnishnih segmentiv Todi yak kolbochki harakterizuyutsya bilshimi vidminnostyami pomizh riznih vidiv Podvijni kolbochki Yaksho odinichni kolbochki ye harakternimi dlya bilshosti hrebetnih to deyaki z nih mayut okrim odinichnih takozh en yak to ptahi plazuni zemnovodni kistkovi ganoyidi ta kostisti ribi A v deyakih grup kostistih rib navit buli viyavleni potrijni kolbochki Podvijni kolbochki zazvichaj skladayutsya iz dvoh vidminnih kolbochok zlitih razom v yih mioyidah vnutrishnih segmentiv ta znachno riznyatsya rozmirami Bilsha osnovna kolbochka iz podvijnih kolbochok chasto maye olijni kraplini todi yak mensha dodatkova mistit velikij paraboloyid hocha v riznih vidiv prisutni rizni kombinaciyi rozmiriv ta struktur podvijnih kolbochok Podvijni kolbochki skorish za vse evolyucionuvali blizko 350 400 mln rokiv tomu i hocha voni nayavni v sitkivkah majzhe bilshosti nazemnih hrebetnih vklyuchayuchi odnoprohidnih ta sumchastih cilkom vidsutni v sitkivkah dvodishnih ta placentarnih ssavciv u tim chisli v lyudini Kvadratna mozayika podvijnih kolbochok V sitkivci kostistih rib podvijni kolbochki organizovani u harakternu vporyadkovanu mozayiku u formi kvadratu chi v ryad Yak pravilo v kvadratnij mozayici podvijni kolbochki najchastishe dovgohvilovi L kolbochki formuyut storoni kvadratu a v centri znahoditsya odinichna kolbochka korotkohvilova S kolbochka i odinichni kolbochki deyaki chutlivi do ultrafioletu po kutah kvadratu Hocha takij poryadok kolbochok variyuyetsya i v odnih kostistih rib mozhut buti vidsutni centralni a v inshih kutovi odinichni kolbochki Dlya poyasnennya perevag kvadratnoyi mozayiki bulo zaproponovano kilka gipotez Odni pripuskayut sho taka vporyadkovanist podvijnih kolbochok umozhlivlyuye krashe viyavlennya ruhu shvidkoyi zhertvi todi yak vidpovidno do inshih kvadratna mozayika takozh pokrashuye kolorovij zir Odnak narazi vidsutni eksperimentalni dani kotri b pidtverdzhuvali perevagi vporyadkovanoyi mozayiki u porivnyanni iz nevporyadkovanoyu dlya viyavlennya zhertvi kostistimi ribami Inshi gipotezi pripuskayut sho kvadratna mozayika mozhe buti zaluchena dlya viyavlennya polyarizovanogo svitla shlyahom poyednannya ortogonalno rozmishenih podvijnih ta ultrafioletovih odinichnih kolbochok zokrema dlya oriyentaciyi v pidvodnih svitlovih polyah lososevimi ribami Hocha yakij same mehanizm vidpovidaye za chutlivist kolbochok do polyarizovanogo svitla i v yakih vidiv kostistih rib zalishayetsya predmetom diskusij Klasichna model pripuskaye sho gradiyenti pokaznikiv zalomlennya u vnutrishnih segmentah podvijnih kolbochok mozhut funkciyuvati yak anizotropni polyarizacijni hvilevodi tomu ci kolbochki diyut yak analizator polyarizaciyi Odnak neshodavni elektrofiziologichni doslidzhennya podvijnih kolbochok en ne pidtverdili podibne pripushennya dlya cogo vidu a v inshomu doslidzhenni serednohvilovoyi kolbochki iz podvijnih kolbochok sitkivki zolotoyi ribki bulo viyavlene izotropne poshirennya polyarizovanogo svitla cherez vnutrishni segmenti osovij linijnij dihroyizm kolbochok Morfologiya ta fotopigmenti podvijnih kolbochok Podvijni kolbochki harakterizuyutsya riznomanittyam morfologiyi ta zorovih pigmentiv Dvi polovinki podvijnih kolbochok mozhut mati rizni rozmiri ta mistiti odnakovi chi spektralno vidminni fotopigmenti Najbilshe riznomanittya podvijnih kolbochok viyavlene v kostistih rib v yakih dvi polovinki mozhut buti morfologichno identichnimi ta mistiti odnakovij fotopigment identichni kolbochki bliznyuki morfologichno identichni ale spektralno vidminnimi pigmentami neidentichni kolbochki bliznyuki morfologichno vidminni z identichnimi pigmentami identichni podvijni kolbochki morfologichno vidminni z riznimi pigmentami ne identichni podvijni kolbochki V deyakih vidiv rib mizh dvoma polovinkami podvijnih kolbochok isnuyut elektrichni z yednannya cherez shilinni kontakti i voni diyut yak odin fotoreceptor Identichni kolbochki bliznyata v yakih obidvi polovinki mistyat odnakovij pigment cherez elektrichne z yednannya prosto diyatimut yak vidnosno velikij fotoreceptor sho shoplyuye ridkisni fotoni pri nizkomu osvitlenni i tomu zustrichayutsya u vidiv rib sho zhivut v glibokih kalamutnih chi zabrudnenih vodah Na vidminu vid primativ ptahi mayut okremi grupi fotoreceptoriv dlya sprijnyattya koloru chotiri odinichni kolbochki dlya chotirikolirnosti ta yaskravosti svitla formi i ruhu podvijni kolbochki V ptahiv podvijni kolbochki skladayutsya iz odniyeyi velikoyi ta odniyeyi maloyi kolbochki yaki nazivayutsya golovnimi ta dodatkovimi vidpovidno i vikoristovuyutsya nimi dlya viyavlennya ruhu konturiv teksturi ta yaskravosti svitla Dvi polovinki podvijnih kolbochok u ptahiv ne ye morfologichno identichnimi Takozh na vidminu vid primativ ptahi zberegli vsi chotiri klasi kolbochkovih zorovih pigmentiv v podvijnih ta odinichnih kolbochkah voni mayut LWS pigment a Rh2 SWS1 ta SWS2 v inshih odinichnih kolbochkah U ptahiv sho aktivni vden 50 vsih kolbochok stanovlyat podvijni kolbochki 20 LWS ta 20 Rh2 odinichni kolbochki i 10 SWS1 ta SWS2 kolbochki FototransdukciyaFotoreceptori signalizuyut nizhchestoyachim nejronam poglinannya svitla cherez peretvorennya poglinenogo fotona v elektrichnij signal Cej proces znanij yak fototransdukciya realizuyetsya cherez skladnij kaskad vzayemodiyi molekul sho zreshtoyu prizvodit do giperpolyarizaciyi fotoreceptora u hrebetnih todi yak u bezhrebetnih do depolyarizaciyi tobto do znachnoyi zmini jogo elektrichnogo potencialu Temryavnij strum Fotoreceptori yak i inshi nejroni signalizuyut informaciyu shlyahom zmini transmembranogo potencialu Odnak na vidminu yak vid inshih nejroniv CNS tak i vid fotoreceptoriv bezhrebetnih fotoreceptori hrebetnih nezvichni oskilki temryava diye na nih yak stimul U temryavi do poyavi svitla i pochatku fototransdukciyi membrannij potencial fotoreceptora ye vidnosno depolyarizovanim i tomu vin neperervno vivilnyaye nejromediatori glutamat todi yak stimulyaciya svitlom giperpolyarizuye membrannij potencial Na korist cogo paradoksalnogo fenomenu svidchat ne tilki chiselni dani vnutrishnoklitinnih reyestracij a j viyavlena visoka chastota zmini fotoreceptornih sinaptichnih vezikul v temryavi Za vidsutnosti svitlovogo stimulu zbalansovanij postijnij potik kationiv iz vnutrishnogo segmenta fotoreceptoru do zovnishnogo segmenta vidomij yak temryavnij strum angl dark current pidtrimuye depolyarizaciyu transmembrannogo potencialu na rivni blizko 40 mV nabagato bilshe anizh inshi nejroni chij membrannij potencial spokoyu blizko 65 mV Velichina temryavnogo strumu v palichkah 34 pikoamper pA ta kolbochkah 30 pA ye majzhe odnakovoyu v makak Podibno do deyakih inshih sensornih receptoriv palichki ta kolbochki ne generuyut potencialiv diyi ale reaguyut na stimul svitlo cherez gradujovani zmini membrannogo potencialu V temryavi palichki spozhivayut bilshe energiyi anizh pid chas stimulyaciyi svitlom sho obchislyuyetsya cherez chastotu gidrolizu adenozintrifosfatu ATF za sekundu Ce pov yazano z tim sho pidtrimka cirkulyacijnogo temryavnogo strumu potrebuye postijnoyi aktivnosti zalezhnih vid ATF Na K nasosiv Oskilki poglinannya svitla cilkom pridushuye temryavnij strum v palichkah to v temryavi voni spozhivayut bilshe energiyi anizh pri svitli Todi yak v kolbochkah spozhivannya energiyi v temryavi take zh yak i v palichok ale zalishayetsya visokim navit pri svitli oskilki v kolbochkah cirkulyacijnij strum nikoli ne zmenshuyetsya navit koli svitlo znebarvlyuye ponad 90 zorovih pigmentiv Take visoke spozhivannya energiyi fotoreceptorami poyasnyuye visoku koncentraciyu mitohondrij u yih vnutrishnomu segmenti Same tomu sitkivka ye tkaninoyu tila z odnim iz najvishih spozhivan kisnyu navit bilshe anizh mozok cGMF regulovani kanali Struktura ciklichnogo guanozinmonofosfatu cGMF Fotoreceptornij vhidnij strum yakij perenositsya kationami natriyu Na protikaye cherez rozmisheni v zovnishnomu segmenti fotoreceptora regulovani en cGMF neselektivni kationni kanali Todi yak vihidnij K kation kaliyu strum protikaye cherez neregulovani selektivni do K potencialzalezhni kanali yaki znahodyatsya u vnutrishnomu segmenti fotoreceptoru V toj chas yak vihidnij strum K maye tendenciyu do giperpolyarizaciyi fotoreceptora do rivnovazhnogo potencialu dlya K 70 mV to vhidnij strum Na maye tendenciyu do depolyarizaciyi fotoreceptora Zavdyaki prisutnim u vnutrishnomu segmenti fotoreceptoru v znachnij kilkosti Na K nasosiv yaki vikachuyut Na i vkachuyut K fotoreceptor zdaten utrimuvati stalu vnutrishnoklitinnu koncentraciyu kationiv pidtrimuyuchi postijnij temryavnij strum Kolbochki i palichki mayut molekulyarno vidminni cGMF regulovani kanali hocha v cilomu yim pritamanni shozhi funkcionalni vlastivosti Ci kanali nalezhat do rodini tak zvanih en CNR kanaliv kudi takozh nalezhatcAMF aktivovani kanali sho vidpovidalni za nyuhovu transdukciyu receptoriv nyuhu v nosi Rodina CNR kanaliv skladayetsya iz A A1 A4 ta V V1 i V2 subodinic z yakih A subidinici ye osnovnimi a V dopovnyuvalnimi i modulyuvalnimi cGMF regulovanij kanal palichki skladayetsya iz troh subodinic CNGA1 ta odniyeyi CNGB1 a kolbochkovij cGMF regulovanij kanal skladayetsya z dvoh molekul CNGA3 ta dvoh CNGB3 Funkcionalnij kompleks CNR kanalu zv yazuye chotiri molekuli ciklichnogo nukleotidu tomu cej kanal maye duzhe nizku jmovirnist vidkrittya za nizkoyi koncentraciyi ciklichnogo nukleotidu prote cya jmovirnist istotno zrostaye koli vsi chotiri miscya zv yazuvannya dlya ligandu rozmisheni v citoplazmatichnomu C kinci bilka zapovneni U temryavi koncentraciya cGMF u citoplazmi ye visokoyu zavdyaki chomu cGMF regulovani kanali v zovnishnomu segmenti utrimuyutsya postijno vidchinenimi j umozhlivlyuyut stalij temryavnij strum Koli fotoreceptor poglinaye foton koncentraciya cGMF zmenshuyetsya prizvodyachi do zakrittya cGMF regulovanih kanaliv i yak naslidok do zmenshennya temryavnogo strumu ta giperpolyarizaciyi membrannogo potencialu v takij sposib iniciyuyuchi proces zoru Imovirnist vidkrittya cGMF regulovanogo kanalu sho svoyeyu chergoyu viznachaye rozmir cirkulyuchogo strumu zalezhit vid koncentraciyi cGMF Taka zalezhnist vidkrittya kanalu vid koncentraciyi zv yazuvalnih molekul ye kooperativnoyu iz koeficiyentom Gilla nkanal 2 3 ta konstantoyu disociaciyi Kkanal 20 mkmol l cGMF V cilomu vidsotok vidkritih kanaliv v adaptovanih do temryavi fotoreceptorah ye dosit malim dlya koncentraciyi cGMF v 4 mkmol l Kkanal mkmol l i nkanal 3 v temryavi vidkritimi ye lishe 1 CNR kanaliv yak v palichkah tak i kolbochkah Takij nevelikij vidsotok poyasnyuyetsya tim sho yakbi v zovnishnomu segmenti bulo lishe stilki cGMF regulovanih kanaliv skilki potribno dlya pidtrimki takogo temryavnogo strumu to dlya togo shob vsi ci kanali buli vidkritimi neobhidna velika koncentraciya vilnih cGMF i vidpovidno shvidke ta istotne zmenshennya takoyi koncentraciyi u vidpovid na stimul cGMF regulovanij kanal ye neselektivnim kationnim kanalom oskilki propuskaye ne tilki Na i K ale takozh Ca2 i ochevidno Mg2 Dlya palichkovogo cGMF regulovanogo kanalu 75 80 vhidnogo temryavnogo strumu v ZS perenositsya Na i 15 Ca2 Dlya kolbochkovogo cGMF regulovanogo kanalu ponad 30 temryavnogo strumu perenositsya Ca2 Harakternoyu risoyu palichkovih i kolbochkovih cGMF regulovanih kanaliv ye te sho okrim propuskannya divalentnih kationiv Ca2 ta Mg2 voni takozh nimi chastkovo blokuyutsya Odnim iz naslidkiv takoyi blokadi ye te sho CNR kanali fotoreceptoriv mayut duzhe malij efektivnij serednokvadratichnij strum odinichnogo kanalu v diapazoni femtoamper 10 15A Takij malij efektivnij odnokanalovij strum oznachaye sho dlya takogo temryavnogo strumu 20 40 pA zalucheno nabagato bilshe vidkritih kanaliv 104 kanaliv iz zagalnoyi populyaciyi kanaliv 106 v zovnishnomu segmenti Zaluchennya velikoyi kilkosti vidkritih malih kanaliv zamist maloyi kilkosti velikih kanaliv istotno zmenshuye diskretnij shum pov yazanij iz vipadkovim vidkrittyam zakrittyam kanaliv v temryavi tim samim zbilshuyuchi spivvidnoshennya signal shum S N svitlovogo signalu v 100 raziv Na vidminu vid inshih ligand regulovanih kanaliv dlya cGMF regulovanogo kanalu fotoreceptoriv ne harakterna desensibilizaciya padinnya chutlivosti do jogo ligandu cGMF Cya unikalna vlastivist dozvolyaye cGMF regulovanim kanalam palichok i kolbochok a zalishatis vidkritimi ta pidtrimuvati postijnij temryavnij strum koli v zovnishnomu segmenti nayavna stala koncentraciya vilnogo cGMF ta b zakrivatis tilki u vidpovid na zmenshennya koncentraciyi vilnih cGMF vnaslidok poyavi svitlovogo stimulu Peretvorennya svitla v nejronnij signal Shema procesu fototransdukciyi u fotoreceptori palichki Poglinannya zorovim pigmentom fotonu zbudzhuye p elektron sistemi kon yugovanogo podvijnogo zv yazku 11 cis retinalyu do jogo stanu Franka Kondona Z perehodom pi elektronu vid zbudzhenogo stanu do osnovnogo stanu vidbuvayetsya cis do trans izomerizaciya dovkola podvijnogo zv yazku mizh atomami vuglecyu S11 S12 retinalyu Fotoizomerizaciya retinalyu ye odniyeyu z najshvidshih himichnih reakcij trans retinal formuyetsya protyagom 200 femtosekund i z kvantovim vihodom 0 65 Odnak neshodavni doslidzhennya z vikoristannyam nadshvidkoyi geterodinnoyi spektroskopiyi nestacionarnih gratok angl heterodyne detected transient grating spectroscopy viyavili sho pershij krok v procesi zoru ye she shvidshim A same fotoizomerizaciya 11 cis retinalyu bichachogo rodopsinu vidbuvayetsya u kolivalno kogerentnij sposib protyagom 30 femtosekund sho zbigayetsya z pivperiodom torsijnogo diedralnogo ruhu C11 C12 zv yazku i svidchit pro te sho fotoizomerizaciya vidbuvayetsya v mezhah odnogo periodu torsijnogo kolivalnogo ruhu molekuli retinalyu Taka nadshvidka i nadzvichajno efektivna fotoizomerizaciya obumovlena kvantovo himichnimi yavishami pri perehodi iz osnovnogo do zbudzhenogo stanu ye odniyeyu z molekulyarnih osnov visokoyi chutlivosti zoru do svitla Oskilki energiya fotonu sprichinyaye zminu konformacijnogo stanu hromoforu iz vignutogo v pryamij iz 11 cis retinal u vse trans retinal to hromofor viddaye svoyu potencijnu energiyu opsinu sho prizvodit do zmini jogo konformaciyi do napivstabilnoyi metarodposinu II MetaII Novij konformacijnij stan opsinu MetaII aktivuye transducin Gt en fotoreceptora yakij svoyeyu chergoyu aktivuye ferment en FDE odin iz najshvidshih sered fermentiv Aktivovana FDE gidrolizuye ciklichnij guanozinmonofosfat cGMF do GMF yakij na vidminu vid cGMF ne ye signalnoyu molekuloyu Fotoizomerizaciya retinalyu Vnaslidok poglinannya fotonu g z pevnoyu dovzhinoyu hvili vidbuvayetsya izomerizaciya poliyenovoyi chastini retinalyu Tobto odin z podvijnih zv yazkiv retinalyu obertayetsya na 180 obertannya navkolo podvijnogo zv yazku yake zazvichaj nemozhlive tut umozhlivlyuyetsya zavdyaki poslablennyu cogo zv yazku pid vplivom svitla i retinal zminyuye strukturu iz vignutoyi na vipryamlenu 11 cis retinal vgori staye vse trans retinalem Protyagom pershogo nadshvidkogo 50 200 femtosekund procesu fotoizomerizaciyi retinal ukladenij do jogo zv yazuvalnoyi kisheni v seredini opsinu zdijsnyuye obertannya na 180 dovkola odnogo iz podvijnih zv yazkiv Take obertannya harakterizuyetsya minimalnoyu zminoyu jogo zagalnoyi formi sho dosyagayetsya zavdyaki kruchenim zustrichnim obertannyam sho vklyuchayut inshi jogo zv yazki Ce odnak prizvodit do perehodu retinalyu v konformacijnij stan z visokoyu energiyeyu v yakomu torsijni obertannya retinalyu shukayut poslablennya sho vreshti obumovlyuye zagalnu zminu retinalyu yaka dosyagayetsya tilki todi koli otochuyuchij jogo bilok opsin takozh zminyuye svoyu formu Vnaslidok cogo zapuskayetsya proces protyagom yakogo bilok dosyagaye novogo promizhnogo funkcionalnogo stanu v yakomu vin aktivuye kaskad signalnih reakcij sho vklyuchayut ryad inshih bilkiv yaki j peretvoryuyut energiyu fotona v elektrichnij signal V temryavnomu stani do izomerizaciyi retinalyu cGMF regulyuye vidkrittya ionnih kanaliv cherez yaki prohodyat ioni natriyu Na Pislya gidrolizu cGMF fosfodiestarazoyu koncentraciya cGMF v zovnishnomu segmenti zmenshuyetsya odnochasno zmenshuyuchi kilkist vidkritih CNR kanaliv cherez yaki prohodit vhidnij Na strum Vnaslidok zakrittya CNR kanaliv K kationi yaki vihodyat iz vnutrishnogo segmenta bilshe ne zbalansovuyutsya Na sho vhodit u zovnishnij segment Porushenij balans kationnih strumiv sprichinyaye povnij vihidnij elektrichnij strum znanij yak fotostrum yakij zbilshuye trasmembrannu riznicyu potencialiv sho giperpolyarizuye fotoreceptor Giperpolyarizaciya zmenshuye vivilnennya jogo sinapsom nejromediatora glutamatu takim chinom signalizuyuchi nizhchestoyachim nejronam pro shoplennya fotonu Tozh na vidminu vid inshih nejroniv reakciya na svitlo postsinaptichnih do fotoreceptora nejroniv sitkivki pov yazana ne zi zbilshennyam vivilnennya receptorom nejromediatora a zi zmenshennyam Kaskad fototransdukciyi istotno pidsilyuye signal oskilki odin foton i vidpovidno yedina izomerizaciya prizvodit do gidrolizu 105 molekul cGMF Odnak fototransdukciya tak samo efektivno zupinyaye peredachu signalu zadlya shvidkoyi reakciyi fotoreceptora na novij stimul sho potrebuye inaktivaciyi vsih aktivnih skladovih zaluchenih u proces signalizuvannya U palichkah i kolbochkah ssavciv deaktivaciya kaskadu fototransdukciyi pochinayutsya nadzvichajno shvidko pislya aktivaciyi mensh nizh cherez 40 ms i tomu deaktivaciya majzhe konkuruye z aktivaciyeyu Pripinennya signalizuvannya rozpochinayetsya iz fosforilyuvannya aktivovanogo rodopsinu fermentom rodpsinkinazi sho prizvodit do zv yazuvannya fosforilovanogo rodopsinu z bilkom en Vreshti inaktivovanij metarodopsin II III rozpadayetsya do vnutrishno inaktivnoyi formi metarodopsinu III Meta III yakij rozdilyayetsya na opsin ta vilnij vse trans retinal proces znanij yak znebarvlennya oskilki zhoden z cih komponentiv ne poglinaye u vidimomu spektri svitla Potim opsinnij kompleks vtrachaye vse trans retinal z arestinom ta fosforilyuyetsya fermentom fosfatazoyu PP2A Yak naslidok ionni kanali v zovnishnih segmentah vidchinyayutsya i fotoreceptornij membrannij potencial povertayetsya do temryavnogo depolyarizacijnogo rivnya A vse trans retinal peretvoryuyetsya z aldegidnoyi v spirtovu formu vse trans retinol Dali vidbuvayetsya difuziya trans retinolu iz fotoreceptora do klitin pigmentnogo epiteliyu de vin peretvoryuyetsya na vse trans retinilester angl all trans retinylester sho reizomerizuyetsya do 11 cis retinolu ta degidrogenizuyetsya do 11 cis retinalyu yakij povertayetsya do fotoreceptora i znovu zv yazuyetsya z opsinom buvshi gotovim do novogo ciklu fototransdukciyi Regulyuvannya fototransdukciyi Ca2 V temryavnomu stani vtikannya vhidnogo strumu do zovnishnogo segmenta cherez cGMF regulovani kanali perenositsya golovnim chinom ionami Na odnak znachna chastka cogo strumu 15 v palichkah i ponad 30 v kolbochkah takozh perenositsya ionami kalciyu Ca2 Ca2 modulyuye funkciyu kilkoh bilkiv zaluchenih v proces fototransdukciyi Tak vidnovlennya membrannogo potencialu kolbochki ta zmenshennya kolbochkovoyi chutlivosti vnaslidok adaptaciyi do svitla obumovleni povilnim zmenshennyam koncentraciyi Ca2 v zovnishnomu segmenti protyagom trivalogo osvitlennya protilezhni zmini vidbuvayutsya pid chas adaptaciyi do temryavi V temryavi stale vtikannya Ca2 balansuyetsya rivnim ta protilezhnim vitikannyam Ca2 kerovanim Na Ca2 K nasosami v plazmatichnij membrani ZS V adaptovanih do temryavi fotoreceptorah citoplazmatichna koncentraciya vilnih Ca2 kolivayetsya v diapazoni 250 700 nanomol nmol Pid vplivom osvitlennya sho prizvodit do nasichennya fotoreceptora zakrivayutsya vsi cGMF reulovani kanali v ZS Ce prizvodit do blokuvannya vtikannya ioniv Ca2 vnaslidok chogo citoplazmatichna koncentraciya Ca2 zmenshuyetsya do minimalnogo znachennya 10 50 nmol Povilne zmenshennya koncentraciyi Ca2 umozhlivlyuye vidnovlennya membrannogo potencialu kolbochok vid yih giperpolyarizacijnogo vidguku na yaskrave osvitlennya oskilki Ca2 galmuye aktivnist guanilatciklazi GC fermentu sho sintezuye cGMF iz guanozintrifosfatu GTF Tozh v temryavi koli riven Ca2 ye vidnosno visokim GC perebuvaye v chastkovo ingibovanomu stani a z povilnim zmenshennyam koncentraciyi Ca2 pid chas osvitlennya vidbuvayetsya poslablennya galmivnogo vplivu Ca2 na GC Vnaslidok cogo iz GTF sintezuyetsya bilshe cGMF sho prizvodit do povilnogo zbilshennya koncentraciyi cGMF v zovnishnomu segmenti Vreshti cGMF regulovani kanali znov vidkrivayutsya i kolbochka povilno depolyarizuyetsya Zmenshennya koncentraciyi Ca2 zapuskaye mehanizm negativnogo zvorotnogo zv yazku sho regulyuye fototransdukciyu i yak naslidok aktivnu adaptaciyu fotoreceptora do svitla Tak iz povilnim zmenshennyam rivnya Ca2 pov yazane zmenshennya chutlivosti desensibilizaciya kolbochki protyagom adaptuvannya do svitla Oskilki znizhennya koncentraciyi Ca2 prizvodit do inaktivaciyi fotopigmentiv to efektivnist takogo spalahu svitla v aktivaciyi FDE zmenshuyetsya Nizkij riven Ca2 takozh zmenshuye chutlivist cGMF regulovanih kanaliv do zmin v cGMF Vnaslidok takogo zvorotnogo vplivu Ca2 potriben intensivnishij svitlovij stimul dlya zakrittya takoyi zh samoyi kilkosti CNR kanaliv Krim togo diya Ca2 zv yazuvalnogo bilka rekoverinu na rodopsinkinazu priskoryuye fosforilyaciyu rodopsinu tim samim zmenshuyuchi aktivaciyu transducinu Molekulyarni kroki fototransdukciyi v diskovi zovnishnogo segmenta palichki Krok 1 Poglinannya padayuchogo fotona hv aktivuye rodopsin cherez konformacijnu zminu do R aktivna forma Krok 2 R kontaktuye z molekulami transducinu Gt katalizuyuchi yih aktivaciyu do G cherez vivilnennya zv yazanogo GDF v obmin na citoplazmatichnij GTF Krok 3 G zv yazuye ingibuvalni g subodinici fosfodiesterazi FDE aktivuyuchi yiyi a i b subodinici Krok 4 Aktivovana FDE gidrolizuye ciklichnij guanozinmonofosfat cGMF Krok 5 guanilatciklaza GC sintezuye cgMF vtorinnij poserednik v kaskadi fototransdukciyi Zmenshennya rivnya citozolnogo cGMF zakrivaye cGMF regulovani kanali unemolzhlivlyuyuchi podalshe vtikannya Na and Ca2 i yak naslidok do zmenshennya temryavnogo strumu ta giperpolyarizaciyi membrannogo potencialu Fotoreceptornij vidguk na svitloGiperpolyarizacijnij vidguk V temryavi membrannij potencial kolbochok na rivni 35 mV a palichok 30 mV sho ye dostatno depolyarizovanim shob aktivuvati Ca2 kanali L tipu i zapustiti sinaptichne vivilnennya nejromediatoru glutamatu Poyava svitlovogo stimulu prizvodit do giperpolyarizaciyi membrani v zovnishnomu segmenti fotoreceptora sho en poshiryuyetsya do sinaptichnoyi terminali ta zmenshuye vivilnennya glutamatu Cej vidguk zalezhit vid kilkosti svitla chim yaskravishe vono tim bilshoyu ye membranna giperpolyarizaciya i tim menshe vivilnennya glutamatu Vidtak na vidminu vid inshih nejroniv vidguk fotoreceptora na stimul svitlo proyavlyayetsya u giperpolyarizaciyi a ne depolyarizaciyi membrannogo potencialu Ale podibno do inshih sensornih nejroniv fotoreceptornij signal perenositsya ne potencialami diyi a cherez tonichnu graduojovanu zminu potencialu Oskilki fototransdukciya zdijsnyuyetsya sistemoyu vtorinnih poserednikiv to vidguki palichok i kolbochok na svitlo ye vidnosno povilnimi Do prikladu pri kimnatnij temperaturi giperpolyarizaciya palichok zemnovodnih u vidpovid na tmyane svitlo dosyagaye pikovoyi amplitudi za 1 s i potim she 1 3 s spadaye Z inshogo boku vidguk palichok ssavciv pri 37 S v serednomu up yatero shvidshij Tak v makak vidguk na tmyanij spalah svitla dosyagaye piku cherez 200 ms i v serednomu trivaye 300 ms Na vidminu vid palichok vidguk kolbochok na svitlo harakterizuyetsya znachno shvidshoyu kinetikoyu U primativ vidguk kolbochki na tmyane svitlo dosyagaye pikovoyi amplitudi cherez 50 ms Shvidkist vidguku na svitlo obumovlyuye te yak shvidko fotoreceptor zdaten viyaviti zmini zobrazhennya na sitkivci chasova rozdilna zdatnist a vidtak viyaviti ruh stimulu utochniti Pozayak kolbochki mayut shvidshu kinetiku vidguku na svitlo voni ye krashe viyavlyayut ta signalizuyut ruh Todi yak povilnisha kinetika vidguku palichok dozvolyaye yim ob yednati rozsiyani v chasi signali chasova integraciya tim samim znachno pidsilyuyuchi chutlivist zoru pri tmyanomu osvitlenni osoblivo dlya statichnih zobrazhen na sitkivci Vidguk na poglinannya odinichnogo fotona Psihofizichni doslidzhennya vstanovili sho palichki ye najbilsh chutlivimi do svitla fotoreceptorami buvshi v zmozi signalizuvati poglinannya odinichnogo fotona Vimiryuvannya z dopomogoyu vnutrishnoklitinnih mikroelektrodiv viyavili sho odnofotonnij vidguk palichok ye dosit velikim prizvodyachi do timchasovogo zmenshennya temryavnogo strumu na 0 5 1 pA yak u ssavciv tak i zemnovodnih V izolovanij palichci amplituda strumu u vidpovid na poglinannya odinichnogo fotona prizvodit do giperpolyarizaciyi membrani v diapazoni 0 64 1 mV Koli viklikana odinichnim fotonom timchasova zmina v strumi stanovit 1 pA abo vishe to vona mozhe buti viyavlena za dopomogoyu vsmoktuvalnoyi pipetki Vrahovuyuchi sho temryavnij strum v palichkah zemnovodnih kolivayetsya v diapazoni 20 40 pA to vidguk na odinichnij foton skladaye 3 vid amplitudi maksimalnogo vidguku na svitlo Tobto lishe 30 poglinenih fotoniv mozhut viklikati vidguk palichki rivnij polovini amplitudi maksimalnogo vidguku Takij velikij signal vidobrazhaye pritamanne lishe palichkam pidsilennya kaskadu fototransdukciyi Vivchayuchi vidguk palichok zhab bulo viyavleno sho vpliv poglinenogo fotona ne poshiryuyetsya dosit daleko u zovnishnomu segmenti palichki lishe 2 mkm vzdovzh ZS yakij u zhab 60 mkm Take obmezhene poshirennya vidguku na odinichnij foton pov yazane iz shilno upakovanimi membrannim diskami sho stvoryuyut bar yer dlya pozdovzhnogo poshirennya molekulyarnogo vidguku v ZS tim samim obmezhuyuchi fototransdukciyu do nevelikoyi dilyanki ZS Z inshogo boku radialne poshirennya fototransdukciyi v ZS u vidpovid na poglinannya fotonu ye vidnosno shvidkim Harakternoyu risoyu vidguku palichok na odinichnij foton ye unikalna postijnist v jogo amplitudi ta kinetici vid spalahu do spalahu zavdyaki chomu same palichki nadijno viyavlyayut ridkisni fotoni pri nizkih intensivnostyah svitla Odnak taka stabilnist vidguku palichki rozhoditsya z nestabilnistyu kaskadu fototransdukciyi Dovgij chas vvazhalos sho yaksho aktivovana poglinannyam fotonu molekula rodopsinu povnistyu inaktivuyetsya v odin molekulyarnij krok to chas isnuvannya aktivnoyi formi povinen buti stohastichnim a vidtak amplituda ta chas odnofotonnogo vidguku povinni istotno kolivatis Tilki neshodavno bulo perekonlivo pokazano sho vidsutnist kolivannya u vidguku palichki na odinichni fotoni pov yazana z tim sho a rodopsin ne ineaktivuyetsya odnim molekulyarnim krokom ta b inaktivaciya rodopsinu ne ye panivnoyu v trivalosti cogo vidguku Doslidzhennya palichok mishi pokazali sho same deaktivaciya molekuli transducinu ye panivnoyu postijnoyi chasu odnofotonnogo vidguku Oskilki kozhna molekula rodopsinu aktivuye 20 molekul transducinu to userednennya po rozpadah bagatoh molekul transducinu mozhe poyasniti stalist rozpadu odnofotonnogo vidguku palichki Z inshogo boku amplituda stalogo vidguku palichki na odinichnij foton pov yazana z rozpadom rodopsinu Userednennya mnozhinnogo fosforilyuvannya aktivnoyi molekuli rodopsinu ye dostatnim dlya poyasnennya staloyi amplitudi odnofotonnogo vidguku Razom z tim na prikladi palichok zemnovodnih u 1990 ti roki bulo pokazano sho odnofotonnij vidguk palichok vse zh ye dosit minlivim z visokim koeficiyentom variaciyi serednye kvadratichne vidhilennya podilene na serednye arifmetichne 0 4 Krim togo neshodavno bulo pokazano na prikladi preparovanih palichok mishi sho voni proyavlyayut znachno bilshij odnofotonnij vidguk anizh bulo viyavleno poperednimi doslidzhennyami 1 mV z serednoyu amplitudoyu 2 3 mV v palichkah z maksimalnim vidgukom 20 mV Takij vidnosno velikij odnofotonnij vidguk robit mensh problematichnim sinaptichnu peredachu cogo vidguku do nizhchestoyachih palichkovih bipolyarnih nejroniv anizh vvazhalos ranishe Na vidminu vid palichok vidguk kolbochok na odinichni fotoni ye dlya riznih vidiv tvarin i tipiv kolbochok v 10 100 raziv menshim i korotshim Podibna vidminnist odnofotonnogo vidguku palichok i kolbochok pov yazana golovnim chinom z yih rizniceyu v pidsilenni kaskadu fototransdukciyi u porivnyanni z palichkami v kolbochkah pidsilennya molekulyarnih reakcij v procesi fototransdukciyi ye znachno menshim pri tomu sho obidva tipi fotoreceptoriv majzhe odnakovoyu miroyu zdatni do poglinannya odinichnih fotoniv Elektroretinograma fotoreceptornogo vidguku Vidguk fotoreceptoriv na svitlo mozhe buti viyavlenij yak z dopomogoyu vnutrishnoklitinnih mikroelektrodiv tak i z vikoristannyam en ERG reyestraciya elektrichnoyi aktivnosti vsiyeyi sitkivki u vidpovid na svitlovij stimul z dopomogoyu zovnishnih elektrodiv odin z yakih stavitsya na rogivku cilisnogo oka a inshij na yaku nebud dovilnu tochku na tili ERG maye kilka komponent sered yakih najrannishij komponent negativna a hvilya virazhaye aktivnist kolbochok i palichok Vikoristovuyuchi korotki yaskravi spalahi svitla bulo viznacheno sho ranni stadiyi elektroretinogram skladayutsya iz dvoh chastin pervinnij rannij receptornij potencial iz duzhe korotkoyu zatrimkoyu pislya yakogo sliduye bilshij piznij receptornij potencial Vishidna faza piznogo receptornogo potencialu vidpovidaye a hvili elektroretinogrami Zgodom bulo pokazano sho rannij receptornij potencial pov yazanij ne iz zminami v membrannij providnosti a z peremishennyam zaryadiv v molekulah fotopigmentu protyagom procesu izomerizaciyi pislya poglinannya fotoniv Tobto rannij receptornij potencial vidobrazhaye rezultat poglinannya svitla a ne sam proces vidguku fotoreceptora na nogo sho prizvodit do sprijnyattya svitla Tilki piznij receptornij potencial a hvili vidobrazhaye protikannya strumiv cherez klitinnu membranu fotoreceptoriv i tomu ye klyuchovim komponentom signalnih procesiv sitkivki Odnak a hvilya ne povnistyu virazhaye ves chas vidguku fotoreceptora na svitlovij stimul oskilki b hvilya ERG yaka vidobrazhaye aktivnist ON bipolyarnih nejroniv dosit shvidko sliduye pislya a hvili i tomu vrizayetsya v neyi ta spotvoryuye fotoreceptornij signal Popri ce ERG ye korisnim v oftalmologichnij praktici dlya viyavlennya porushen u funkciyuvanni palichok i kolbochok Fotoreceptornij shumZdatnist fotoreceptoriv viyavlyati najmenshi svitlovi stimuli absolyutnij porig zoru ta adekvatno koduvati zmini vishih intensivnostej svitla obmezhuyetsya riznogo rodu shumami yak vnutrishnimi dlya fotoreceptora tak i zovnishnimi pov yazanimi z fizichnoyu prirodoyu svitla Vidkrittya zdatnosti adaptovanogo do temryavi lyudskogo zoru viyaviti odinichni fotoni vpershe prodemonstruvalo zalezhnist zorovogo sprijnyattya vid fundamentalnih fizichnih obmezhen pokladayuchi porig vidchuttya chutlivosti zoru do najmenshih stimuliv Cej fiksovanij absolyutnij porig zadayetsya nezalezhnim vid svitlovogo stimulu temryavnim shumom yakij nakladaye nezdolanni fizichni obmezhennya na efektivnist fotoreceptoriv a vidtak obmezhuye yak zdatnist zoru do rozriznennya kontrastnosti tak i yih chutlivist do tmyanogo svitla Shob fotoreceptornij signal mozhna bulo viyaviti amplituda membrannogo strumu fotoreceptoriv sprichinenogo poglinannyam fotoniv maye perevershuvati vnutrishni kolivannya temryavnogo strumu temryavnij shum Do prikladu v kolbochkah makaki pikove znachennya amplitudi fotostrumu odinichnogo fotona stanovit 0 03 pA a v odinichnih kolbochkah okunya smugastogo 0 14 pA Odnak ci signali nevidimi dlya fotoreceptora oskilki voni ne perevershuyut kolivannya shumu temryavnogo strumu 0 12 pA2 v makaki i 0 28 pA2 v okunya Z inshogo boku v palichkah pikova amplituda strumu odinichnogo fotona stanovit 1 pA v zhabi ta 0 7 pA v makaki sho perevershuye palichkovi kolivannya shumu temryavnogo strumu 0 035 pA2 v zhabi i 0 030 pA2 v makaki i dozvolyaye nadijno viyaviti signali viklikani poglinannyam odinichnih fotoniv Dlya riznih rivniv svitla harakterni rizni tipi shumiv membrannogo strumu sho obmezhuyut fotoreceptornu efektivnist pri promizhnih intensivnostyah svitla porig pokladayetsya statistichnimi kolivannyami u shoplenni fotoreceptorom fotonu pri najvishih intensivnostyah svitla golovnim dzherelom shumu ye spontanna izomerizaciya hromoforu fotopigmentu sho generuye diskretni fotoreceptorni vidguki podibni do tih yaki vinikayut vnaslidok poglinannya fotoniv i tomu mozhut generuvati hibne sprijnyattya svitla zvidsi j nazva cogo shumu temryavne svitlo Opsini palichok j S kolbochok ye stabilnimi ta harakterizuyutsya znachno menshoyu chastotoyu temryavnogo svitla anizh opsini L i M kolbochok bezperervnij shum postaye v procesi fototransdukciyi vnaslidok spontannoyi aktivaciyi fosfodiestarazi inshi dzherela fotoreceptornogo shumu pov yazani iz spontannim vivilnennya nejromediatoru i spontannim vidkrittyam zakrittyam membrannih kanaliv sho dodaye neznachni kolivannya fotostrumu Dlya palichok harakternij menshij shum kanaliv anizh dlya kolbochok tomu lishe palichki generuyut fotostrum u vidpovid na poglinannya odinichnogo fotona sho ye vidnosno bezshumnim i nadijno peredaye signal pro odinichni poglinannya Shum temryavnogo svitla Zorova sistema bagatoh hrebetnih ye nadzvichajno chutlivoyu do svitla v umovah adaptaciyi do temryavi Okrim mehanizmu fototransdukciyi zdatnogo do znachnogo pidsilennya signalu podibna visoka chutlivist takozh potrebuye teplovoyi stabilnosti zorovogo pigmentu dlya zmenshennya shumu Neodminnoyu vlastivistyu zorovoyi sistemi hrebetnih ye nayavnist t zv temryavnogo svitla angl dark light sho vinikaye vnaslidok spontannoyi izomerizaciyi hromoforu retinal fotopigmentu v povnij temryavi za vidsutnosti svitlovogo stimulu i mozhe generuvati elektrichnij signal nerozriznyuvanij vid takogo zh signalu viklikanogo poglinannyam spravzhnogo svitla Teplova aktivaciya fotopigmentu