Вести с полей: секреты нашего зрения

«Существует такой термин, как “visual science” – дословно – “зрительные науки”. Он подразумевает, что в исследовании механизмов работы зрительной системы сходятся многие науки – физика, химия, биология и другие», – такими словами начал пленарную лекцию Михаил Островский. Затем докладчик рассказал непосредственно о молекулярных механизмах, позволяющих нам реагировать на свет и различать вокруг себя объекты. Первичный процесс фоторецепции – восприятия света – происходит на сетчатке в зрительных клетках – палочках и колбочках, а именно в их наружном сегменте, содержащем белок родопсин. Этот белок преобразует энергию квантов света в фоторецепторный сигнал, который далее передается по цепочке нейронов в головной мозг.

Родопсин – один из самых древних белков у животных. В центре этой молекулы есть хромофорная группа, которая обеспечивает улавливание квантов света. Ее окружает белковая часть молекулы – опсин. Интересно, что от того, какие аминокислоты входят в белковую часть, колбочки, отвечающие за цветовое зрение, воспринимают различные спектры длин волн (соответственно, разный цвет). То есть во всех светочувствительных клетках хромофорная группа абсолютно одинакова, тогда как ее белковое окружение различается. Нарушение последовательности аминокислот в белковой части родопсина приводит к нарушению цветовосприятия, в частности, дальтонизму.

Затем Михаил Островский подробнее рассказал о том, каким образом родопсин улавливает кванты света и преобразует их в передаваемые нейронам сигналы. Оказывается, при попадании кванта света на родопсин его хромофорная группа меняет конформацию (изомеризуется), приводя к цепочке белок-белковых взаимодействий: между родопсином и сигнальным G-белком, а потом между G-белком и ферментом фосфодиэстеразой. Этот каскад реакций в результате приводит к тому, что в фоторецепторной клетке возникает гиперполяризация, которая распространяется до пресинаптического окончания (места контакта с соседней нервной клеткой). Это, в свою очередь блокирует выделение в синапс нейромедиатора глутамата и служит своеобразным сигналом.

«Многочисленные исследования показали, что сверхбыстрая и эффективная изомеризация хромофорного центра возможна только в белковом окружении. Если поместить хромофорную группу отдельно в раствор, то скорость реакции будет гораздо ниже. Поэтому сейчас многие ученые исследуют особенности взаимодействия хромофорного центра с белковым окружением», – отметил докладчик.

В частности, исследовательская группа под руководством Михаила Аркадьевича Островского изучала прямую и обратную реакцию превращения «родопсин-фотородопсин» под действием света в норме и при патологии. Оказалось, что квантовый выход прямой реакции в разы больше, чем обратной. Это может быть механизмом, повышающим надежность прямой реакции (ответ на действие света) и предотвращающим запуск обратной.

Дефекты как в самом родопсине (мутации в кодирующем этот белок гене), а также нарушения процесса его синтеза являются причинами многих патологий зрительной системы. Кроме того, к заболеваниям могут привести избыточные окислительные процессы в фоторецепторных клетках. Так, например, исследования показали, что с возрастом в зрительных клетках накапливаются гранулы, генерирующие активные формы кислорода. Они, в свою очередь разрушают пигмент меланин, защищающий клетки от вредного действия избыточного света и потенциального поражения. В результате сетчатка становится более чувствительной к повреждению.

В заключительной части лекции Михаил Островский рассказал о применении родопсина в оптогенетике: «Интерес к родопсину сейчас возрос в связи с развитием методов оптогенетики, в которых этот белок служит основным инструментом проведения исследований. Идея заключается в том, чтобы с помощью света через родопсин управлять клетками, например, нейронами, которые изначально не имели чувствительности к свету».

Кроме того, докладчик подчеркнул, что родопсин открывает возможности к фотопротезированию сетчатки. Так, если светочувствительные клетки сетчатки – палочки и колбочки – погибли, но нейроны остались функциональными, можно попробовать сделать последние светочувствительными. Эксперименты показали, что, действительно, если ввести в нейроны ген родопсина с помощью вирусного вектора, они начинают синтезировать соответствующий белок и приобретают чувствительность к свету.

Текст: Виталина Власова

Съезд организован Физиологическим обществом им. И.П. Павлова и Институтом эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН и посвящен 300-летию Российской академии наук и включен в инициативу «Работа с опытом» Десятилетия науки и технологий.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».