Біофізичні основи зору

Світло, що потрапило в око, фокусується за допомогою хрусталика на шар світлочутливих кліток сітківки — паличках і колбочках. Палички розташовуються по всій поверхні напівсферичної сітківки і відповідають за чорно-білий чи сутінковий зір, їх приблизно 125 млн. Колбочок значно менше (близько 6,5 млн.), вони в основному сконцентровані в центральній частині сітківки і відповідають при досить яскравому висвітленні за сприйняття кольору.

Будівля сітківки людини і хребетних тварин може показатися парадоксальним, тому що світлочутливі клітки знаходяться в задньому шарі сітківки. Перш ніж світло потрапить на них, воно повинно пройти через кілька шарів нервових кліток. Мало того, самі палички і колбочки орієнтовані до світла своїм внутрішнім сегментом, що не містить зорового пігменту. Однак така організація не знижує істотно чутливості ока до світла, тому що нервові клітки і внутрішні сегменти самих світлочутливих кліток прозорі для видимого світла.

Абсолютний поріг чутливості зору людини (тобто мінімальна величина яскравості світлової плями, що виявляється ще, при відсутності світлового тла й в умовах повної темнової адаптації) дорівнює 2,1 — 5,7 10 ^-17 Дж на поверхні роговиці ока, що відповідає 58−148 квантам синьо-зеленого світла. З них тільки 5−15 квантів поглинаються молекулами зорового пігменту в паличках сітківки, а інші «губляться».

Близько 4% світла відбивається від роговиці, близько 50% поглинається оптичними середовищами ока. 80−85% світла, що дійшло до сітківки, проходить крізь неї і поглинається в клітках пігментного епітелію. Завдяки пігментному епітелію, що підстилає сітківку, різко зменшується кількість відбитого і розсіяного від задньої стінки ока світла і тим самим поліпшується гострота зору. Якщо пляма що спостерігається тим, що підлягає обстеженню знаходиться на освітленому тлі, то мінімальну різницю, що ще виявляється, інтенсивності плями і тла називають різницевим порогом. Відношення різницевого порога до яскравості тла називають диференціальним порогом. Диференціальний поріг, відповідно до закону Вебера — Фехнера, при зміні яскравості тла залишається постійним. Це означає, що величина різницевого порога росте прямо пропорційно яскравості світлового тла.

Розглянемо будівлю і функції паличок (див. рис. 1). Зоровий пігмент паличок родопсин зосереджений у зовнішніх сегментах паличок, де він убудований у зорові диски. Диски являють собою замкнуті бімолекулярні ліпідні мембрани, що нагадують собою розплющені повітряні кулі, покладені в стопку. Зовнішній сегмент з'єднаний із внутрішнім сегментом тонкою сполучною ніжкою. В внутрішньому сегменті поруч з ніжкою зосереджена велика кількість мітохондрій, у ньому ж розташовується ядро клітки. Наприкінці внутрішнього сегмента, зверненого до світла, знаходиться синаптичний контакт із нервовим волокном.

Молекули родопсину пронизують ліпідний шар мембран зорових дисків. Через дуже низьку в’язкість ліпідного біслоя молекули пігменту можуть робити швидку латеральну дифузію, а після поглинання кванта світла перетерплювати значні конформаційні перебудови. Низька в’язкість ліпідного шару обумовлена високим змістом поліненасичених жирних кислот.

Зоровий пігмент родопсин — складний білок. Він складається з білка опсина і хромофорної групи — чи альдегіду просто ретиналя. У принципі ретиналь може мати кілька просторових ізомерів, але з опсином зв’язується тільки 11-цис-ретиналь.

Цис-транс-фотоізомеризація ретиналя. Обидві найбільш важливі конформації хромофора (11 — цисі цілком — транс-ретиналь). Молекула ретиналя містить 6 подвійних сполучених зв’язків, а тому що обертання навколо подвійного зв’язку неможливо, то молекула хромофора плоска. Поглинання світла ретиналем приводить до * - електронному переходу. В органічних молекулах орбіталі (незбуджений стан) єднальні, тобто утворення подвійного зв’язку супроводжується виділенням енергії. Навпроти* - орбіталі (електронно-збуджений стан) є що розпушують, тобто їхнє перекривання вимагає витрати енергії. В основному стані - орбитали перекриваються і молекула ретиналя плоска.

Після поглинання фотоназв’язок розривається і дві частини молекули ретиналя повертаються навколо — зв’язка (рис. 2 і 3). Повернення молекули в основний стан відбувається в одній із двох крапок виродження, коли енергії основного і збудженого станів рівні (см. рис. 2), після чого молекула знову стає плоскою. Очевидно, що з такого стану можливий перехід збудженої молекули як у цис-, так і в трансформу. При тривалому опроміненні кожної з форм у системі установлюються визначені концентрації обох ізомерів. Іншими словами, фотореакція цис-транс-ізомеризації ретиналя фотооборотня, що має два важливих наслідки. По-перше, під дією світла не відбувається повного переходу 11-цису трансформу, а по-друге, реакції транс-цис-ізомеризації відіграють важливу роль не тільки в сприйнятті світла, але й у регенерації зорового пігменту (див. нижче).

Фотоперетворення родопсину. 11-Цис-ретиналь точно вписується в центр зв’язування молекули опсина. Після фотохімічного утворення трансу-форми стерична відповідність порушується, що приводить до цілої серії конформаційних перебудов у молекулі білка, що супроводжуються змінами в спектрі поглинання зорового пігменту. Такі перебудови родопсину вперше досліджені Уолдом, що получили Нобелівську премію в 1966 р. У досвідах Уолда родопсин виділяли в темряві, заморожували в рідкому азоті при -196° і опромінювали світлом. При наступному нагріванні зразка до визначених температур спостерігалися зміни спектрів поглинання через послідовні переходи родопсину в його похідні. Останні одержали спеціальні назви (рис. 4). На цьому ж рисунку приведені обмірювані методом імпульсного фотолізу часи конформаційних перетворень різних форм пігменту при кімнатній температурі. При цьому тільки перехід родопсин — батородопсин відбувається під дією світла, а інші стадії - у темряві.

Кожен конформер містить ретиналь у трансі-формі і під дією квантів світла може регенерувати безпосередньо в родопсин. Імовірність такої регенерації зростає зі збільшенням часу життя конформера, тому що збільшується імовірність зіткнення з ним кванта світла. Якщо родопсин освітити коротким спалахом світла і далі помістити в темряву, то можливість світлової регенерації родопсину усувається. У цьому випадку приблизно через 100 с відбувається розпад родопсину на опсин і транс-ретиналь. У такій ситуації регенерація родопсину теж відбудеться, але вже при участі ферментів.

Фермент ретинальізомераза переводить транс-ретиналь у 11-цис-ретиналь, після чого відбувається його приєднання до опсину з утворенням родопсину.

Рецепторні потенціали. Яким образом фотоперетворення родопсину приводять до електричної відповіді рецепторної клітки? Відповідь на це питання дозволяють дати дані, отримані методами відведення потенціалів, і зведення по конформаційним перетвореннях родопсину, представлені вище. Реєстрація електроретинограм (екстраклітинне відведення потенціалів від сітківки) дозволила одержати рецепторні потенціали, зображені на рис. 5. Пізніше аналогічні потенціали безпосередньо на цитоплазматичній мембрані паличок і колбочек були отримані мікроелектродними методами. Відразу після висвітлення палички коротким спалахом світла спостерігається триваючий приблизно 1 мс ранній рецепторний потенціал (РРП), амплітуда якого росте зі збільшенням інтенсивності спалаху, але не перевищує 5 мВ. Потім, приблизно через 1 мс, розвивається пізній рецепторний потенціал (ПРП). На відміну від всіх інших відомих кліток на цитоплазматичній мембрані зовнішніх сегментів паличок потенціал має знак «плюс» усередині і знак «мінус» зовні.

Природа РРП і ПРП зовсім різна. Очевидно, РРП зв’язаний з переміщенням молекул родопсину під час конфірмаційних перебудов, викликаних висвітленням. На його молекулі є фіксовані заряди, положення яких відносно біслоя ліпідів після поглинання квантів світла міняється, що і є причиною РРП. При цьому за ФРП відповідальні конформаційні перетворення родопсину до стадії метародопсин II, тобто саме вони відбуваються за час, порівнянний із тривалістю РРП (див. рис. 4). З моменту утворення метародопсина II починаються процеси зовсім іншої природи, у яких вирішальну роль грає рух іонів.

Особливістю зовнішніх сегментів паличок сітківки є те, що в спокої (у темряві) потенціал на їх цитоплазматичній мембрані має натрієву природу, на відміну від потенціалів спокою нервових і багатьох інших кліток. Це зв’язано з тим, що в стані спокою коефіцієнт проникності для натрію значно перевищує значення таких коефіцієнтів для інших іонів. Завдяки цьому по електрохімічному градієнті усередину рухається постійний потік іонів натрію. Натрій, накопичується в цитоплазмі зовнішнього сегмента, а потім через ніжку, що з'єднує його з внутрішнім сегментом, пасивно дифундує у внутрішній сегмент. Тут іони натрію попадають у цілу енергетичну фабрику (скупчення мітохондрій зображене на рис. 1.), де, використовуючи АТФ, що поставляється мітохондріями, працює фермент АТФ-аза, який активно викачує натрій у зовнішнє середовище. Коли з родопсину під дією світла утвориться метародопсин II, проникність цитоплазматичної мембрани для натрію різко знижується, а для інших іонів не міняється. У цих умовах на перше місце виходить проникність для калію, потенціал на мембрані стає калієвої природи і полярність його міняється.

По останнім даним, інформація про фотовицвітання родопсину в дисках передається натрієвим каналам у цитоплазматичній мембрані за допомогою медіаторів. Роль таких медіаторів приділяється іонам кальцію і циклічним нуклеотидам (цГМФ і в меншому ступені цАМФ).

Колірний зір. При слабкому світлі максимум чутливості ока людини розташований близько 500 нм, що відповідає максимуму поглинання родопсину, що міститься в паличках. На яскравому світлі максимум чутливості зміщається до 550 нм, що відповідає максимуму спектра поглинання пігменту в найбільш розповсюдженому типі колбочок. Пігмент колбочок містить той же самий 11-цис-ретиналь, як і родопсин, але білкова частина пігменту відрізняється, тому пігменти колбочок звуться йодопсинами.

Спектри поглинання зорових пігментів вимірюють трьома способами: 1) зорові пігменти екстрагують із сітківки м’якими детергентами і потім вимірюють сумарний спектр поглинання всіх пігментів; 2) проводиться мікроспектрофотометрія окремих фоторецепторних кліток in situ; 3) у інтактних тварин можна вимірити спектр відображення світла від задньої стінки ока до і після засвітки могутнім спалахом яскравого монохроматичного світла; остання приводить до переважного вицвітання тієї форми пігменту, що поглинає світло даної довжини хвилі. Дані різних методів доповнюють один одного.

При вимірі спектрів поглинання окремих колбочок виявилося, що кожна колбочка містить тільки один вид йодопсина, а типів колбочок всього три. Йодопсини людини мають максимуми поглинання при 445, 535 і 570 нм. Поглинання світла йодопсинами приводить до появи РРП у колбочках. Для виміру спектрів дії РРП у колбочки сітківки вводять мікроелектроди і реєструють РРП, які викликаються короткими яскравими спалахами монохроматичного світла. У сітківці коропа таким способом виявлено три типи колбочок з максимумами спектрів дії (а отже, і спектрів поглинання пігментів) при 462, 529 і 611 нм.

При деяких генетичних захворюваннях порушується синтез білків-йодопсинів, у результаті чого не утвориться той чи інший пігмент колірного зору. Людина втрачає здатність розрізняти кольори. Ця хвороба називається дальтонізмом.

Око Людина отримує 0, 9 всієї інформації про оточуючий світ, починаючи з найближчих об'єктів до зірок, які віддалені від нас на сотні світлових років (світловий рік — відстань, яку проходить світло протягом року). Неозброєне людське око може розрізняти структури розміром 0, 07 мм на відстані найкращого зору, що відповідає куту зору .

Розглянемо будову ока (рис. 6.9). Очне яблуко поміщене в густу непрозору оболонку діаметром, що називається склерою. У передній частині склера переходить у прозору рогівку 2, яка більш випукла ніж склера 3 показником заломлення. До склери прилягає судинна оболонка 3, пігментні клітини якої визначають «колір ока» і спереду переходить у райдужну оболонку 4, яка оточує зіницю. Діаметр зіниці за допомогою м’язових волокон змінюється від до. До зіниці прилягає кришталик 5 — прозоре тіло, показник заломлення якого становить 1, 38 на периферії і в центрі. Між рогівкою і кришталиком знаходиться передня камера 6 заповнена водянистою речовиною. У внутрішній частині ока міститься скловидне тіло, що має показник заломлення такий, як і водяниста речовина. Через зіницю і кришталик світло проходить у задню камеру ока і досягає сітківки 8. Невеличка ділянка сітківки називається центральною ямкою (жовтою плямою) і являється її найчутливішою частиною.

Роговиця 2, камера 6, кришталик 5, скловидне тіло 7 — утворюють центральну оптичну систему з головною віссю 00, що проходить через центри роговиці, зіниці та кришталика. Оптична система ока становить 70, 57−58, 64 діоптрій. Діоптрія — оптична сила лінзи з фокусною відстанню 1 м. Зорова вісь ока проходить через центр кристалика і центральної ямки.

Оптична система ока має ряд недоліків: астигматизм, короткозорість, далекозорість.

Астигматизм являється наслідком неоднакового заломлення променів у вертикальній і горизонтальній площинах рогівки і кришталика. Якщо різниця оптичних сил у відповідних площинах перевищує 0, 5 дптр, то астигматизм коректується лінзами. Найпростіша така лінза має одну поверхню циліндричну, другу — сферичну. У нормальному оці при відсутності акомодації зображення предметів формуються на сітківці.

Рис. 6.10. Формування зображення в оці (а) при міопії а та її усунення за допомогою розсіювальних лінз (б)

При короткозорості (міонії) попадаючі в око промені формують зображення перед сітківкою (рис. 6.10 а). Цей недолік зору корегується розсію вальними (вгнутими) лінзами з оптичною силою (рис. 6.10 б).

При далекозорості зображення лежить поза сітківкою (рис. 6.12 а). Для корекції близькозорого ока застосовують лінзи з оптичною силою (рис. 6.11 б).

Рис. 6.11. Формування зображення при гіперметропії а та її усунення за допомогою збиральних лінз.

Може статися так, що в сітківці ока послаблюється чи зовсім випадає сприйняття одного з основних кольорів, тоді у людини порушується відчуття кольорів. Такий недолік ока називається дальтонізмом і тому дальтоніків не допускають до водіння транспортом.

Світло, що попало в око фокусується за кришталиком на шар світлочутливих клітин сітківки-паличок і колбочки. Палички, їх близько 125−130 млн. знаходяться на всій поверхні сітківки і являються рецепторами чорно-білого зору, а колбочки, число яких сягає 6−7 млн., в основному зосереджені у центральній частині сітківки в області центральної ямки і реагують на забарвлення предметів.

Чутливість паличок, довжина і діаметр яких відповідно рівні 2 і 60 нм, значно вища ніж у колбочок, що мають довжину і діаметр відповідно 2 і 10 нм. Палички реагують на світло при освітленості, а колбочки лише при. Тому у сутінках навколишній світ сприймається чорно-білим.

Вважають, що для того щоб спалах точкового червоного джерела світла був сприйнятим оком, молекули сітківки повинні поглинати від 5 до 10 фотонів світла.