Слайд 1 - Кафедра Высшей нервной деятельности МГУ

ЗРЕНИЕ:
от кванта света до зрения
(Часть 1)
академик М. А. Островский
Кафедра молекулярной физиологии
Биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова
Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля
Российской Академии Наук
МФК - 2014 (осенний семестр)
СОВРЕМЕННАЯ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ:
ОТ МОЛЕКУЛ К СОЗНАНИЮ
Нет ничего проще,
чем взглянуть и увидеть!
И нет ничего сложнее,
чем взглянуть, увидеть и
осознать!
Свет и Зрение
Вопрос от древних греков до наших дней:
«Как свет превращается в зрение?»
Глаз и Солнце
«Светоносные глаза»
\диалог «Тимей», Платон, 427-347 гг. до н.э.\
Глаз и Солнце в мифологиях
«Лучи твои
создают глаза всех тварей твоих»
«Всевидящее око»
на фронтоне церкви в Царском Селе
В образе «Всевидящего ока» слиты
Глаз и Солнце, Свет и Зрение.
Поклонения Солнцу
эпохи Аменофиса IV (1370 г до н. э)
Солнце породило глаз !
Электромагнитный спектр
солнечного излучения

r
a
y
s
X
r
a
y
s
U
V
I
R
m
i
c
r
o
w
a
v
e
sr
a
d
i
o
3
3
6
9
1
2
1
0
11
0
1
0
1
0
1
0
p
m
n
m
µ
m
m
m
m
k
m
Видимый свет
U
V
C
U
V
A
V
I
B
G
Y
O
R
e
d
I
R
A
3
0
0 5
0
0 7
0
0 9
0
0 1
1
0
0
W
a
v
e
l
e
n
g
t
h
,
n
m
Для зрения
используется
видимая область
спектра
Зрительную
информацию несут:
- интенсивность
- длина волны
- поляризация
света
Ультрафиолет
опасен,
а инфракрасный
свет невозможен
Учёные –
физики, химики, биологи
Физики и зрение
• Оптика глаза
Иоган Кеплер (1611)
«Хрусталик – фокусирующая линза»
• Цветовое зрение
Томас Юнг (1802), Дж. Максвелл (1861), Герман Гельмгольц (1856)
«Три основных цвета – синий, зелёный и красный»
• Абсолютная чувствительность глаза
С. Лэнгли (1889), Ю.Б. Харитон (1929), С.И. Вавилов (1933), С. Хехт (1942)
«Один квант света для одной зрительной клетки
сетчатки глаза – палочки»
Один квант света для одной палочки
Академик Юлий Борисович Харитон, физик, «отец» атомной бомбы
Академик, Лауреат Нобелевской премии
Н. Н. Семёнов и его ученики
академики Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон
Один квант света для одной палочки
Академик Сергей Иванович ВАВИЛОВ, физик, Президент АН СССР
ВАВИЛОВ Сергей Иванович
Обложка первого издания книги
«Глаз и Солнце», 1927 г.
Российская научная школа физиологии зрения
Академик Леон Абгарович Орбели,
физиолог, генерал-полковник, вице-президент АН СССР
Научная школа Л. А. Орбели
(проф. В. Г. Самсонова и её ученики)
Здание Института высшей
нервной деятельности и
нейрофизиологии,
Москва, Пятницкая ул., 48
В. Г. Самсонова и молодые сотрудники лаборатории (
начало 60-х годов)
«Сетчатка – это часть
мозга, помещенная в глаз»
/ Рамон-и-Кахал, 1901 г/
Зрительные клетки палочки и колбочки
Нервные клетки
сетчатки
Santiago Ramón y Cajal (1852-1934)
Нобелевская премия 1906 г.
Оптика глаза
Хрусталик создаёт на сетчатке глаза перевернутое и уменьшенное изображение.
Благодаря работе сетчатки и мозга мы воспринимаем это изображение нормально.
Оптика глаза
Хрусталик создаёт на сетчатке глаза перевернутое и уменьшенное изображение.
Благодаря работе сетчатки и мозга мы воспринимаем это изображение нормально.
Сетчатка — нейрокомпьютер, перерабатывающий зрительную информацию
Слои
нервных
клеток
Аксоны нервных
клеток, образующие
зрительный нерв
От палочки до зрительного пигмента родопсина
палочки
и колбочки
палочка
диск
сетчатка
палочка
родопсин
Хромофорная группа –
11-цис ретиналь
Полная аминокислотная последовательность (первичная структура)
и топография в мембране первого мембранного белка
животного происхождения – РОДОПСИНА
( Институт биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова
Академик
Ю.А. Овчинников
химик, вице-президент АН СССР
I
II
III IV V VI VII
Овчинников и др., 1982
Хромофорной группой всех зрительного пигментов является
изомер альдегида витамина А – 11-цис ретиналь.
Поглощая свет, 11-цис ретиналь переходит в полностью-транс изомер
George Wald (1906 – 1972)
Нобелевская премия 1967 г
Изогнутый 11-цис ретиналь фотоизомеризуется («выпрямляется»)
в полностью-транс форму всего за 100 фемтосекунд
11-цис ретиналь
Белковая часть
Изомеризация – поворот
вокруг 11-ой —12-ой двойной связи
11-цис ретиналь
Свет в зрении нужен только
для фотоизомеризации
(«выпрямления»)
11-цис ретиналя
Молекулярная физиология
зрения
Основные феномены физиологии зрения
или что надо объяснить?
• Спектральная чувствительность глаза
(цветовое зрение)
• Фототрансдукция – цепочка процессов в
зрительной клетке от поглощения кванта
света до возникновения физиологического
сигнала
• Темновая и световая адаптация
(10-12 логарифмических единиц)
Эволюция
Eye is an “organ of extreme perfection”
/Charles Darwin, The Origin of Species by Means
of Natural Selection, 1859/
Эволюция
зрительных пигментов
Кэмбрийский взрыв
(около 540 млн лет назад)
Билатеральные
(около 600 млн лет назад)
Многоклеточные
(около 1 Млрд. лет назад)
Эукариоты
(около 1.5 Млрд. лет назад)
Прокариоты
(около 3.5 Млрд. лет назад)
Родопсины 2-ого типа
(G-белок-связывающие рецепторы)
Зрительный пигмент — родопсин
Родопсины 2-ого типа
(G-белок-связывающие рецепторы)
Зрительный пигмент — родопсин
Родопсины 2-ого типа
(G-белок-связывающие рецепторы)
Зрительный пигмент — родопсин
Родопсины 1-ого типа
(ионный транспорт)
(Водоросли, грибы)
Родопсины 1-ого типа
(ионный транспорт)
Бактериородопсин – фотосинтез
Образование Земли
(4.567 Млрд. лет назад)
Хаин В.Е., Вестник РАН, 2009, т.79, №1, С.50-56
Бактериальный родопсин архебактерий
«Бактериородопсиновые» пруды
Бактериородопсин - белок фотосинтеза
Трёхмерная структура
бактериородопсина
Halobacterium halobium
Зрительный пигмент родопсин
Родопсин – зрение
Трёхмерная структура родопсина
Родопсин – один из древнейших белков животного царства.
Разнообразие органов зрения
Эволюционное древо животного царства
Зрительная клетка
Рабдом
беспозвоночных
580 - 550 миллионов лет назад
Колбочка
позвоночных
Структура
молекулы родопсина
Двух – и трёхмерная структура зрительного пигмента родопсина
I
II
III IV V
VI VII
Овчинников и др., 1982
Huber et al 2004
Хромофорный центр родопсина и
11-цис ретиналь — его хромофорная группа
11-цис ретиналь
Физиологические функции 11-цис ретиналя
как хромофорной группы родопсина
• Спектральная настройка - от 360 до 620 нм
(цветовой зрение)
• Фотоизомеризация (запуск зрительного акта)
• Мощный лиганд-антагонист родопсина
как G-белок—связывающего рецептора
(борьба с темновым шумом)