Фоторецепторная клетка — это специализированный тип нейроэпителиальных клеток сетчатки , который способен осуществлять зрительную фототрансдукцию . Большое биологическое значение фоторецепторов заключается в том, что они преобразуют свет (видимое электромагнитное излучение ) в сигналы, способные стимулировать биологические процессы. Если быть более конкретным, белки-фоторецепторы в клетке поглощают фотоны , вызывая изменение мембранного потенциала клетки .
В настоящее время в глазах млекопитающих известно три типа фоторецепторных клеток: палочки , колбочки и внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки . Двумя классическими фоторецепторными клетками являются палочки и колбочки, каждая из которых вносит информацию, используемую зрительной системой для формирования изображения окружающей среды, зрения . Палочки в первую очередь обеспечивают скотопическое зрение (тусклые условия), тогда как колбочки в первую очередь обеспечивают фотопическое зрение (яркие условия), но процессы в каждом из них, поддерживающие фототрансдукцию, аналогичны. [1] Третий класс фоторецепторных клеток млекопитающих был открыт в 1990-х годах: [2] внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки . Считается, что эти клетки не способствуют зрению напрямую, но играют роль в поддержании циркадного ритма и зрачкового рефлекса .
Каждый фоторецептор поглощает свет в соответствии со своей спектральной чувствительностью (поглощением), которая определяется белками фоторецептора, экспрессируемыми в этой клетке. У людей есть три класса колбочек (L, M, S), каждый из которых отличается спектральной чувствительностью и «предпочитает» фотоны с разными длинами волн (см. график). Например, пиковая длина волны спектральной чувствительности S-конуса составляет примерно 420 нм (нанометры, мера длины волны), поэтому вероятность поглощения фотона при длине волны 420 нм выше, чем при любой другой длине волны. Свет с большей длиной волны также может дать такой же отклик от S-конуса, но для этого он должен быть ярче.
В соответствии с принципом унивариантности выходной сигнал фоторецептора пропорционален только количеству поглощенных фотонов. Фоторецепторы не могут измерить длину волны света, который они поглощают, и поэтому не определяют цвет самостоятельно. Скорее, это соотношение реакций трех типов колбочек, которые могут оценить длину волны и, следовательно, обеспечить цветовое зрение .
Фоторецепторы палочек и колбочек расположены на внешнем слое сетчатки ; они оба имеют одинаковую базовую структуру. Ближе всего к полю зрения (и дальше всего от мозга) находится окончание аксона , которое высвобождает нейротрансмиттер , называемый глутаматом, в биполярные клетки . Еще дальше находится тело клетки , содержащее органеллы клетки . Еще дальше находится внутренний сегмент, специализированная часть клетки , полная митохондрий . Основная функция внутреннего сегмента — обеспечение АТФ (энергии) для натриево-калиевого насоса . Наконец, ближе всего к мозгу (и дальше всего от поля зрения) находится внешний сегмент — часть фоторецептора, поглощающая свет . Внешние сегменты на самом деле представляют собой модифицированные реснички [5] [6] , которые содержат диски, заполненные опсином , молекулой, которая поглощает фотоны, а также потенциалзависимые натриевые каналы .
Мембранный фоторецепторный белок опсин содержит молекулу пигмента , называемую ретиналем . В палочках они вместе называются родопсином . В колбочках присутствуют различные типы опсинов, которые в сочетании с ретиналем образуют пигменты, называемые фотопсинами . Три разных класса фотопсинов в колбочках реагируют на разные диапазоны частоты света, и эта дифференциация позволяет зрительной системе рассчитывать цвет . Функция фоторецепторной клетки заключается в преобразовании световой информации фотона в форму информации, передаваемую нервной системе и легко используемую организмом: это преобразование называется трансдукцией сигнала .
Опсин, обнаруженный в светочувствительных ганглиозных клетках сетчатки, называется меланопсином . Эти клетки участвуют в различных рефлекторных реакциях мозга и тела на присутствие (дневного) света, таких как регуляция циркадных ритмов , зрачковый рефлекс и другие невизуальные реакции на свет. Меланопсин функционально напоминает опсины беспозвоночных.
Большинство фоторецепторов позвоночных расположены в сетчатке. Распределение палочек и колбочек (и их классов) в сетчатке называется мозаикой сетчатки . Каждая сетчатка человека содержит около 6 миллионов колбочек и 120 миллионов палочек. [8] В «центре» сетчатки (точка непосредственно за хрусталиком) находится ямка ( или центральная ямка), которая содержит только колбочки; и является ли областью, способной обеспечить самую высокую остроту зрения или самое высокое разрешение . В остальной части сетчатки палочки и колбочки переплетены. В слепом пятне (области, где волокна ганглиозных клеток собираются в зрительный нерв и выходят из глаза) фоторецепторов не обнаружено . [9] Распределение классов колбочек (L, M, S) также неоднородно, без S-конусов в ямке, а соотношение L-конусов и M-конусов различается у разных людей.
Количество и соотношение палочек и колбочек варьируется у разных видов в зависимости от того, ведет ли животное преимущественно дневной или ночной образ жизни . У некоторых сов, таких как ночная неясыть , [10] в сетчатке имеется огромное количество палочек. У других позвоночных также будет разное количество классов колбочек: от монохроматов до пентахроматов .
Путь зрительного сигнала описывается каскадом фототрансдукции — механизмом, посредством которого энергия фотона сигнализирует механизму в клетке, который приводит к ее электрической поляризации. Эта поляризация в конечном итоге приводит либо к пропусканию, либо к подавлению нервного сигнала, который будет поступать в мозг через зрительный нерв . Шаги, которые применимы к пути фототрансдукции от фоторецепторов палочек/колбочек позвоночных:
В отличие от большинства сенсорных рецепторных клеток, фоторецепторы при стимуляции фактически становятся гиперполяризованными ; и наоборот, деполяризуются , когда их не стимулируют. Это означает, что глутамат высвобождается непрерывно, когда клетка не стимулируется, а стимул останавливает высвобождение. В темноте клетки имеют относительно высокую концентрацию циклического гуанозин-3'-5'-монофосфата (цГМФ), который открывает цГМФ-управляемые ионные каналы . Эти каналы неспецифичны и в открытом состоянии позволяют перемещать ионы натрия и кальция. Движение этих положительно заряженных ионов в клетку (движимое соответствующим электрохимическим градиентом ) деполяризует мембрану и приводит к высвобождению нейромедиатора глутамата .
Нестимулированные (в темноте) каналы, управляемые циклическими нуклеотидами во внешнем сегменте, открыты, поскольку с ними связан циклический ГМФ (цГМФ). Следовательно, положительно заряженные ионы (а именно ионы натрия ) попадают в фоторецептор, деполяризуя его примерно до -40 мВ ( потенциал покоя в других нервных клетках обычно составляет -65 мВ). Этот ток деполяризации часто называют темновым током.
Фоторецепторы ( палочки и колбочки ) передают сигнал биполярным клеткам, которые затем передают сигнал ганглиозным клеткам сетчатки. Аксоны ганглиозных клеток сетчатки вместе образуют зрительный нерв , через который они проецируются в мозг. [8]
Фоторецепторы палочек и колбочек сигнализируют о поглощении фотонов посредством уменьшения высвобождения нейромедиатора глутамата в биполярные клетки на окончаниях их аксонов. Поскольку фоторецептор деполяризуется в темноте, в биполярных клетках в темноте выделяется большое количество глутамата. Поглощение фотона гиперполяризует фоторецептор и, следовательно, приводит к высвобождению меньшего количества глутамата на пресинаптическом терминале биполярной клетки.
Каждый фоторецептор палочки или колбочки высвобождает один и тот же нейромедиатор — глутамат. Однако эффект глутамата различается в биполярных клетках в зависимости от типа рецептора , встроенного в мембрану этой клетки . Когда глутамат связывается с ионотропным рецептором , биполярная клетка деполяризуется (и, следовательно, гиперполяризуется светом, поскольку выделяется меньше глутамата). С другой стороны, связывание глутамата с метаботропным рецептором приводит к гиперполяризации, поэтому эта биполярная клетка будет деполяризоваться к свету, поскольку выделяется меньше глутамата.
По сути, это свойство позволяет одной популяции биполярных клеток возбуждаться светом, а другой популяции — тормозиться им, хотя все фоторецепторы демонстрируют одинаковую реакцию на свет. Эта сложность становится одновременно важной и необходимой для определения цвета , контраста , краев и т. д.
Фототрансдукция в палочках и колбочках несколько необычна тем, что стимул (в данном случае свет) снижает реакцию клетки или скорость срабатывания, в отличие от большинства других сенсорных систем, в которых стимул увеличивает реакцию клетки или скорость срабатывания. Это различие имеет важные функциональные последствия:
Сравнение человеческих палочек и колбочек от Эрика Канделя и др. в принципах нейронауки . [11]
Ключевые события, опосредующие дифференцировку палочек, S-конусов и M-конусов, индуцируются несколькими факторами транскрипции, включая RORbeta, OTX2, NRL, CRX, NR2E3 и TRbeta2. Судьба S-конуса представляет собой программу фоторецепторов по умолчанию; однако дифференциальная транскрипционная активность может приводить к образованию палочек или М-конусов. L-конусы присутствуют у приматов, однако об их программе развития мало что известно, поскольку в исследованиях использовались грызуны. Существует пять этапов разработки фоторецепторов: пролиферация мультипотентных клеток-предшественников сетчатки (RPC); ограничение компетенции ПКР; спецификация судьбы клеток; экспрессия генов фоторецепторов; и, наконец, рост аксонов, образование синапсов и рост внешнего сегмента.
Ранняя передача сигналов Notch поддерживает цикличность предшественников. Предшественники фоторецепторов возникают за счет ингибирования передачи сигналов Notch и повышения активности различных факторов, включая гомолог 1 ахета-щитка. Активность OTX2 передает клеткам судьбу фоторецептора. CRX дополнительно определяет специфичную для фоторецепторов панель экспрессируемых генов. Экспрессия NRL приводит к судьбе палочки. NR2E3 дополнительно ограничивает клетки судьбой палочки путем репрессии генов колбочек. RORbeta необходим как для развития стержней, так и для развития колбочек. TRbeta2 опосредует судьбу М-конуса. Если функции какого-либо из ранее упомянутых факторов удалены, фоторецептором по умолчанию является S-конус. Эти события происходят в разные периоды времени для разных видов и включают в себя сложную картину действий, вызывающую целый спектр фенотипов. Если эти регуляторные сети нарушаются, это может привести к пигментному ретиниту , дегенерации желтого пятна или другим нарушениям зрения. [12]
Внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки (ipRGC) представляют собой подмножество (≈1–3%) ганглиозных клеток сетчатки , в отличие от других ганглиозных клеток сетчатки, по своей природе светочувствительны из-за присутствия меланопсина , светочувствительного белка. Следовательно, они составляют третий класс фоторецепторов, помимо палочек и колбочек . [13]
У людей ipRGC участвуют в функциях, не формирующих изображение, таких как циркадные ритмы, поведение и зрачковый световой рефлекс . [14] Пиковая спектральная чувствительность рецептора находится между 460 и 482 нм. [14] Однако они также могут способствовать развитию рудиментарного зрительного пути, обеспечивающего сознательное зрение и определение яркости. [14] Классические фоторецепторы (палочки и колбочки) также участвуют в работе новой зрительной системы, что может способствовать постоянству цвета. ipRGC могут сыграть важную роль в понимании многих заболеваний, включая основные причины слепоты во всем мире, такие как глаукома, заболевание, поражающее ганглиозные клетки, а изучение рецептора открывает потенциал в качестве нового направления для поиска методов лечения слепоты.
ipRGC были окончательно обнаружены у людей только во время знаковых экспериментов в 2007 году на людях без стержней и шишек. [15] [16] Как было обнаружено у других млекопитающих, у людей непалочковидный и неколбочковый фоторецептор представляет собой ганглиозную клетку во внутренней сетчатке. Исследователи выследили пациентов с редкими заболеваниями, которые уничтожили функцию классических фоторецепторов палочек и колбочек, но сохранили функцию ганглиозных клеток. [15] [16] Несмотря на отсутствие палочек или колбочек, у пациентов продолжали наблюдаться циркадные фотоэнцефалиты, циркадные поведенческие модели, подавление меланопсина и реакции зрачков, при этом пиковая спектральная чувствительность к окружающему и экспериментальному свету соответствовала таковой для фотопигмента меланопсина. Их мозг также мог ассоциировать зрение со светом этой частоты.
Палочки и колбочки фоторецепторы являются общими почти для всех позвоночных. Шишковидная и парапинеальная железы светочувствительны у позвоночных, не относящихся к млекопитающим, но не у млекопитающих. У птиц есть фотоактивные нейроны, контактирующие со спинномозговой жидкостью (СМЖ) в паравентрикулярном органе, которые реагируют на свет в отсутствие сигнала от глаз или нейротрансмиттеров. [17] Фоторецепторы беспозвоночных в таких организмах, как насекомые и моллюски , различаются как по своей морфологической организации, так и по лежащим в их основе биохимическим путям. В этой статье описаны фоторецепторы человека .
СМИ, связанные с фоторецепторными клетками, на Викискладе?