Палочковые клетки сетчатки: структура и функция ночного зрения.

Введение

Фоторецепторные клетки, которые лучше функционируют при слабом освещении, чем колбочки.

Клетки-стержни – это фоторецепторные клетки сетчатки глаза, способные функционировать при более низком уровне освещенности, чем другой тип зрительных фоторецепторов – колбочки. Стержни обычно сосредоточены на периферии сетчатки и используются для периферического зрения. В среднем, в сетчатке человеческого глаза содержится около 92 миллионов стержневых клеток (против примерно 6 миллионов колбочек). Стержни более чувствительны, чем колбочки, и почти полностью обеспечивают ночное зрение. Однако стержни практически не участвуют в цветовом зрении, что является основной причиной того, что цвета в условиях слабого освещения кажутся менее яркими.

Структура

Палочки немного длиннее и тоньше, чем колбочки, но имеют ту же основную структуру. Диски, содержащие опсин, расположены в конце клетки, прилегающем к пигментному эпителию сетчатки, который, в свою очередь, прикреплен к внутренней поверхности глаза. Столбчатая структура дисков в детектирующей части клетки обеспечивает очень высокую эффективность. Палочек гораздо больше, чем колбочек: около 120 миллионов палочковых клеток против 6–7 миллионов колбочковых клеток. Как и колбочки, палочковые клетки имеют синаптический терминал, внутренний сегмент и внешний сегмент. Синаптический терминал формирует синапс с другим нейроном, обычно биполярной или горизонтальной клеткой. Внутренний сегмент содержит органеллы и ядро клетки, а внешний сегмент палочки (сокращенно ROS), направленный к задней части глаза, содержит светопоглощающие вещества. Не все палочки одинаковы по своей морфологии; у мышей палочки, расположенные вблизи наружного плексиформного синаптического слоя, имеют уменьшенную длину из-за укороченного синаптического терминала.

Фоторецепция

У позвоночных активация фоторецепторной клетки является гиперполяризацией (ингибированием) клетки. Когда они не стимулируются, например, в темноте, палочковые клетки и колбочковые клетки деполяризуются и спонтанно высвобождают нейротрансмиттер. Этот нейротрансмиттер гиперполяризует биполярную клетку. Биполярные клетки расположены между фоторецепторами и ганглионарными клетками и служат для передачи сигналов от фоторецепторов к ганглионарным клеткам. В результате гиперполяризации биполярной клетки она не высвобождает свой нейротрансмиттер в биполярно-ганглионарном синапсе, и синапс не возбуждается. Активация фотопигментов светом передает сигнал посредством гиперполяризации палочковой клетки, что приводит к прекращению высвобождения нейротрансмиттера палочковой клеткой, в результате чего биполярная клетка высвобождает свой нейротрансмиттер в биполярно-ганглионарном синапсе и возбуждает его. Деполяризация палочковых клеток (вызывающая высвобождение их нейротрансмиттера) происходит из-за того, что в темноте клетки имеют относительно высокую концентрацию циклического гуанозин-3',5'-монофосфата (cGMP), который открывает ионные каналы (в основном натриевые каналы, хотя кальций также может проникать через эти каналы). Положительный заряд ионов, входящих в клетку по электрохимическому градиенту, изменяет мембранный потенциал клетки, вызывает деполяризацию и приводит к высвобождению нейротрансмиттера глутамата. Глутамат может деполяризовать одни нейроны и гиперполяризовать другие, что позволяет фоторецепторам взаимодействовать антагонистически. Когда свет попадает на фоторецептивные пигменты внутри фоторецепторной клетки, пигмент меняет свою форму. Пигмент, называемый родопсином (конопсин содержится в колбочковых клетках), состоит из крупного белка, называемого опсином (расположенным в плазматической мембране), к которому ковалентно присоединена протетическая группа – органическая молекула, называемая ретиналем (производное витамина А). В темноте ретиналь существует в форме 11-цис-ретиналя, а стимуляция светом вызывает изменение его структуры на все-транс-ретиналь. Это структурное изменение вызывает повышение аффинности к регуляторному белку, называемому трансдуцином (тип G-белка). При связывании с родопсином альфа-субъединица G-белка заменяет молекулу GDP на молекулу GTP и активируется. Эта замена приводит к диссоциации альфа-субъединицы G-белка от бета- и гамма-субъединиц G-белка. В результате альфа-субъединица теперь свободна для связывания с cGMP-фосфодиэстеразой (эффекторным белком). Альфа-субъединица взаимодействует с ингибирующими гамма-субъединицами PDE и предотвращает их блокирование каталитических центров альфа- и бета-субъединиц PDE, что приводит к активации cGMP-фосфодиэстеразы, которая гидролизует cGMP (второй мессенджер), расщепляя его до 5'-GMP. Снижение концентрации cGMP позволяет ионным каналам закрыться, предотвращая приток положительных ионов, гиперполяризуя клетку и прекращая высвобождение нейротрансмиттера глутамата.

In vertebrates, activation of a photoreceptor cell is a hyperpolarization (inhibition) of the cell. When they are not being stimulated, such as in the dark, rod cells and cone cells depolarize and release a neurotransmitter spontaneously. This neurotransmitter hyperpolarizes the bipolar cell. Bipolar cells exist between photoreceptors and ganglion cells and act to transmit signals from the photoreceptors to the ganglion cells. As a result of the bipolar cell being hyperpolarized, it does not release its transmitter at the bipolar ganglion synapse and the synapse is not excited. Activation of photopigments by light sends a signal by hyperpolarizing the rod cell, leading to the rod cell not sending its neurotransmitter, which leads to the bipolar cell then releasing its transmitter at the bipolar ganglion synapse and exciting the synapse. Depolarization of rod cells (causing release of their neurotransmitter) occurs because in the dark, cells have a relatively high concentration of cyclic guanosine 3' 5' monophosphate (cGMP), which opens ion channels (largely sodium channels, though calcium can enter through these channels as well). The positive charges of the ions that enter the cell down its electrochemical gradient change the cell's membrane potential, cause depolarization, and lead to the release of the neurotransmitter glutamate. Glutamate can depolarize some neurons and hyperpolarize others, allowing photoreceptors to interact in an antagonistic manner. When light hits photoreceptive pigments within the photoreceptor cell, the pigment changes shape. The pigment, called rhodopsin (conopsin is found in cone cells) comprises a large protein called opsin (situated in the plasma membrane), attached to which is a covalently bound prosthetic group: an organic molecule called retinal (a derivative of vitamin A). The retinal exists in the 11 cis retinal form when in the dark, and stimulation by light causes its structure to change to all trans retinal. This structural change causes an increased affinity for the regulatory protein called transducin (a type of G protein). Upon binding to rhodopsin, the alpha subunit of the G protein replaces a molecule of GDP with a molecule of GTP and becomes activated. This replacement causes the alpha subunit of the G protein to dissociate from the beta and gamma subunits of the G protein. As a result, the alpha subunit is now free to bind to the cGMP phosphodiesterase (an effector protein). The alpha subunit interacts with the inhibitory PDE gamma subunits and prevents them from blocking catalytic sites on the alpha and beta subunits of PDE, leading to the activation of cGMP phosphodiesterase, which hydrolyzes cGMP (the second messenger), breaking it down into 5' GMP. Reduction in cGMP allows the ion channels to close, preventing the influx of positive ions, hyperpolarizing the cell, and stopping the release of the neurotransmitter glutamate.

Десенсибилизация

Когда стержни подвергаются воздействию высокой концентрации фотонов в течение длительного периода времени, они становятся десенсибилизированными (адаптируются) к окружающей среде. Поскольку родопсин фосфорилируется родопсинкиназой (членом GPCR-киназ (GRK)), он связывается с высоким аффинностью с аррестином. Связанный аррестин может способствовать процессу десенсибилизации по крайней мере двумя способами. Во-первых, он предотвращает взаимодействие между G-белком и активированным рецептором. Во-вторых, он служит адапторным белком, способствуя включению рецептора в механизм клатрин-зависимого эндоцитоза (для индукции рецепторно-опосредованного эндоцитоза). Стержни примерно в 100 раз чувствительнее к одиночному фотону, чем колбочки. Поскольку для функционирования стержням требуется меньше света, чем колбочкам, они являются основным источником зрительной информации ночью (скотопическое зрение). Колбочки, напротив, требуют от десятков до сотен фотонов для активации. Кроме того, несколько стержневых клеток сходятся на одном интернейроне, собирая и усиливая сигналы. Однако эта конвергенция снижает остроту зрения (или разрешение изображения), поскольку объединенная информация от нескольких клеток менее четкая, чем если бы зрительная система получала информацию от каждой клетки-стержня по отдельности. Стержни также реагируют на свет медленнее, чем колбочки, и получаемые ими стимулы суммируются примерно за 100 миллисекунд. Это делает их более чувствительными к небольшому количеству света, но также означает, что их способность воспринимать временные изменения, такие как быстро меняющиеся изображения, менее точна, чем у колбочек. Эксперименты Джорджа Уолда и других показали, что стержни наиболее чувствительны к длинам волн света около 498 нм (сине-зеленый), и нечувствительны к длинам волн длиннее примерно 640 нм (красный). Это объясняет эффект Пуркинье: по мере снижения интенсивности света в сумерках, стержни берут на себя основную роль, и прежде чем цвет полностью исчезает, пиковая чувствительность зрения смещается в сторону пиковой чувствительности стержней (голубо-зеленый).