40. Фотоизомеризация родопсина в фоторецептурной мембране зрительных клеток позвоночных. Проницаемость мембраны и светоиндуцированный электрический сигнал
Светочувствительные клетки сетчатки – палочки и колбочки генерируют зрительный сигнал в ответ на поглощение квантов света (рис. 8.4). Основной молекулярной фоточувствительной структурой зрительной клетки является фоторецептурная мембрана.
Рис. 8.4. Строение зрительной клетки позвоночных (по L. Stryer, 1987)
В фосфолипидном бислое мембраны встроены молекулы зрительного пигмента родопсина. В темноте ретиналь-хромофор родопсина находится в 11-цис-положении. Поглощение кванта света переводит его в транс-положение
Под действием света резко уменьшается проницаемость мембраны для ионов натрия, один квант закрывает 100-300 каналов. Возникающий светоиндуцированный электрический сигнал гиперполяризации передается к синаптическому окончанию на внутреннем сигменте палочки и приводит к появлению нервного импульса.
Изомеризация ретиналя приводит к закрытию натриевых каналов при участии большого числа молекул медиатора (посредника), находящихся в цитоплазме.
Натриевые каналы способен открывать цГМФ (3, 5 – циклический гуанозин-монофосфат). Между возбуждением родопсина и гидролизом цГМФ фосфодиэстеразой существует сложная многоступенчатая связь.
Фотохимические превращения родопсина. Родопсин – хромопротеин с молекулярной массой порядка 40000. Большой гидрофобный сегмент находится внутри мембраны, гидрофильный сегмент – на поверхности мембраны.
Хромофором является ретиналь, представляющий собой половину молекулы β-каротина. Ковалентная связь ретиналя с опсином осуществляется при образовании альдиминной связи, которая представляет собой протонированное шиффово основание, находящееся в гидрофобном окружении:
В исходном состоянии в родопсине ретиналь находится в 11-цис, 12-в-цис-конфигурации. В результате фотолиза происходит цис-транс-изомеризация хромофора и депротонирование шиффова основания. Эти процессы сопровождаются изменением взаимодействия ретиналя с опсином и конформации последнего. Таким образом, депротонирование шиффова основания служит механизмом его электростатического включения. Основным фактором здесь является нейтрализация заряда боковой цепи Глю 113. Ретиналь, переходя в состояние полностью-транс, запускает этот процесс.
На конечной стадии разрывается альдиминная связь и высвобождается свободный ретиналь в транс-конфигурации. На
Фоторегуляторные и фотодеструкционные процессы Фоторегуляторные реакции
Действие света на растительные и микробные организмы не ограничивается фотосинтезом, существует большое количество других фотобиологических процессов, среди которых в первую очередь следует выделить процессы фоторегуляции. Особенностью фоторегуляторных систем является их высокая квантовая чувствительность, сочетающаяся с большой эффективностью биологического действия. Это обусловлено триггерным принципом действия систем фоторегуляции, здесь свет служит сигналом, запускающим сложную цепь посмледовательных биохимических изменений, приводящих к определенному фотобиологическому эффекту. Триггерный механизм действия света лежит в основе таких известных фоторегуляторных процессов, как фототропизм, фототаксис, фотоиндуцированный биосинтез пигментов и другие.
Фоторегуляторный процесс включает несколько стадий: поглощение кванта света, образование электронно-воздужденного состояния фоторецептора, фотофизическую реализацию энергии возбуждения, сенсибилизацию фотохимической реакции, образование промежуточных продуктов, конечное проявление фотобиологического эффекта.
Фитохром – наиболее изученный пигмент, участвующий в фоторегуляции растительного организма. С физиологически активной формой фитохрома связаны многообразные изменения в метаболизме, активности ферментов, движениях, росте и дифференциации растений. Считают, что возбужденные красным светом фитохромы через медиаторную систему могут вызвать экспрессию генов, что приводит к синтезу РНК и ферментов.
Фитохром - это хромопротеин, имеет хромофор и белковую часть. Оптические свойства и способность выполнять функцию фоторецептора обусловлены хромофором – линейным тетрапирролом (или билитриеном). Первичная фотохимическая реакция заключается в фотоиндуцированной изомеризации хромофора. Последующие темновые перегруппировки занимают миллисекунды и приводят белковую часть молекулы фитохрома в соответствии с новой конформацией хромофора. Некоторые из индуцированных процессов протекают быстро, другие обладают лагфазой. «Быстрые» процессы обусловлены структурными перестройками мембран, происходят изменения проницаемости для ионов, изменения электрического потенциала и адгезивных свойств поверхности растительных клеток.
В основе механизма «медленных» процессов лежит индуцированное пигментом активирование генов. Изменение проницаемости мембран могут облегчить доступ фитогормонов и других важнейших метаболитов к ДНК. Через определенные медиаторы гормональной природы включаются гены, приводящие к синтезу молекул РНК и ферментов, определяющих направленность той или иной морфогенетической реакции.
К настоящему времени выявлено несколько типов фитохромов, различающихся по структуре белковой части молекулы.
Существуют процессы в проявлении которых наибольшей активностью обладает свет синей области спектра. Например, фототропизм, определяемый как индуцированное односторонним освещением искривление верхушки надземных частей растений. Фототропические изгибы обусловлены различиями в скоростях деления клеток на освещенной и затемненной сторонах растений, что в свою очередь связано с фотоиздуцированным созданием градиента роста – ауксина. Основными рецепторами биологически активного света являются флавиновые хромофоры, способные сенсибилизировать фотоокисление ауксина. Продукты фотолиза ауксина изменяют проницаемость мембран.
Синим светом индуцируются также реакции фоторегуляции движения микроорганизмов, называемые фототаксисом. Фоторецептор локализован в плазматической мембране движущихся водорослей, по-видимому, он представляет собой молекулы типа бактериальных родопсинов. Фотореакция контролирует движение жгутиков.