Каскад усиления в сетчатке. Фотохимия цветового зрения

Обновлено: 27.04.2024

Глаза человека способны различать около десяти миллионов цветов и оттенков. Эта функция работает благодаря наличию фоторецепторов. В сетчатке размещаются специальные колбочки, которые и отвечают за цветовосприятие. Они проявляют чувствительность к световым лучам трех спектров - красный, синий и зеленый. Особенности цветового зрения человека рассмотрим в статье ниже.

Цветовое восприятие

Среди млекающих человек обладает самой сложной и совершенной зрительной системой. Основной особенностью цветового зрения является способность различить огромное количество цветов и их оттенков. Цветовосприятие осуществляется благодаря наличию фоторецепторов. В них содержится йодопсин, который отвечает за цветовосприимчивость глаза к различным тонам.

Если у человека не диагностировано зрительных патологий, в его глазном яблоке насчитывается около 7 млн колбочек. Если их количество значительно меньше или изменился состав, офтальмологи говорят о дисфункции цветового зрения человека.

Согласно офтальмологическим исследованиям, мужчины и женщины видят окружающий мир по-разному. Например, представительницы слабого пола различают большее количество цветов. Мужчины, лучше и быстрее фокусируют взгляд на передвигающемся объекте.

Как мы видим цвет

На поверхности сетчатки глаза располагаются светочувствительные фоторецепторы (палочки и колбочки). С их помощью человек способен воспринимать цвета. Активизация палочек происходит в темноте. Они чувствительны к яркому свету и несут ответственность за ночное зрение. Именно поэтому глаза при плохом освещении не способны различать цвета и оттенки. Все предметы кажутся серо-черными.

Отвечают за цветовое зрение человека колбочки. Нормально функционировать и различать тона фоторецепторы способны при ярком освещении. Всего различают три вида колбочек:

• Волны синего цвета - воспринимают короткие световые излучения;
• Зеленые - восприимчивы к волнам средней длины;
• Красные - дают возможность распознать длинные волны.

Восприятие других цветов осуществляется за счет раздражения одновременно двух фоторецепторов. При активизации трех видов колбочек мы способны увидеть белый цвет. Предметы серого цвета получается распознать, также благодаря активизации трех рецепторов. Но при этом уровень их возбудимости намного ниже, чем в ситуации с белым тоном. Если три типа фоторецептора находятся в состоянии покоя, значит перед глазами черный цвет.

При ярком освещении глаза лучше всего воспринимают зеленые оттенки. А вот короткие волны, отвечающие за восприятие синего цвета, наименее активны. С наступлением темноты глаз начинает лучше видеть предметы синего оттенка, а вот красный цвет, наоборот, становится трудно различимым.

Почему мы воспринимаем один и тот же цвет по-разному

Насколько правильно человек способен распознавать оттенки зависит следующих факторов:

• Дальтонизм - врожденная или приобретенная патология, из-за которой глаза не способны различать некоторые оттенки. Развивается она из-за отсутствия некоторых видов колбочек в сетчатке. Чаще всего люди с дальтонизмом не различают красный и зеленый цвет. Также бывают случаи полной цветовой слепоты;
• Возрастные изменения - чувствительность фоторецепторов у людей после 60 лет значительно снижается. В этом возрасте люди не способны различить некоторые оттенки, например, голубой и синий, оранжевый и красный. Также нарушение цветовосприятия происходит вследствие офтальмологических заболеваний (катаракта);
• Настроение - под воздействием негативных эмоций человек видит окружающий мир в более тусклых тонах;
• Уровень освещенности - восприятие цветов также зависит от источника света. Один и тот же оттенок может восприниматься по-разному при искусственном или естественном освещении;
• Оптические иллюзии - перед тем, как определить правильный оттенок цвета, мозг анализирует источник света. От принятого решения зависит, какой именно цвет будет исключен при определении тона.

Диагностика нарушений

Нарушения цветовосприятия бывают врожденными и приобретенными. Чаще всего врожденная патология наблюдается у мужчин. Приобретенные сбои в восприятии некоторых оттенков случаются из-за:

• Проблем с сетчаткой (дистрофия, отслоение, ожог);
• Заболеваний центральной нервной системы;
• Дисфункции зрительного нерва.

Также к факторам, которые могут спровоцировать нарушение цветового зрения у человека, относятся:

• Травмы глазного яблока;
• Катаракта;
• Онкологические заболевания зрительной системы;
• Синдром Паркинсона;
• Болезни сердечно-сосудистой системы;
• Сахарный диабет.

Приобретенные нарушения восприятия цветов являются следствием первопричинного заболевания. Следовательно, нормализовать работу зрительного аппарата можно после устранения основной проблемы.

Если глаза воспринимают одинаково три базовых тона, человека называют трихромат. Дихроматом называют пациента, фоторецепторы которого восприимчивы лишь к двум основным цветам, а монохроматом - к одному.

Диагностика расстройств цветового зрения проводится с помощью:

• Полихроматических специальных таблиц;
• Офтальмологических приборов - аномалоскопов.

Чтобы своевременно выявить нарушение цветовосприятия и другие офтальмологические проблемы необходимо регулярно посещать окулиста. В клинике ЭЛИТ ПЛЮС, которая специализируется на восстановлении зрительной функции с помощью ортокератологических линз, можно пройти полное обследование зрительного аппарата, получить рекомендации по устранению проблем, пройти курс терапии.

Лечение аномалий цветовосприятия

Чтобы нормализовать работу фоторецепторов и вернуть глазам способность правильно различать все цвета, необходимо лечить заболевание, которое спровоцировало дисфункцию цветового зрения. Для этого офтальмологу необходимо определить причину появления симптома.

Если пациент перестал различать некоторые оттенки из-за катаракты, необходимо произвести хирургическое вмешательство и заменить помутневший хрусталик на имплант. Если же патология развивается на фоне сахарного диабета, пациенту необходимо принимать лекарственные препараты, которые не допустят развития ретинопатии и макулодистрофии.

Методики лечения врожденных нарушений цветовосприятия не существует. Офтальмологи могут корректировать цветовое зрение с помощью специальных линз или очков с тонированными фильтрами. Использование таких средств помогает снизить степень проявления патологии.

Полезное видео: Как работает цветное зрение

Часто задаваемые вопросы

❓ Как человек видит цвет?

✅ Глаза воспринимают цвета и оттенки с помощью специальных фоторецепторов, которые расположены на поверхности сетчатой оболочки. Они называются палочки и колбочки.

❓ Как выявляются нарушения цветового зрения?

✅ Диагностировать патологию можно с помощью специальных полихроматических таблиц (например, таблицы Рыбкина). также выявить заболевание помогают специальные офтальмологические приборы - аномалоскопы.

❓ Как лечатся цветовые патологии?

✅ Врожденную форму заболевания вылечить невозможно. Если нарушения цветовосприятия носит приобретенный характер, необходимо проводить терапию первопричины - болезни, вследствие которой возникла дисфункция. Также окулисты применяют коррекционную оптику с тонированными фильтрами.

Каскад усиления в сетчатке. Фотохимия цветового зрения

Световая и темновая адаптация. Механизмы световой и темновой адаптации

а) Автоматическая регуляция чувствительности сетчатки. Световая и темновая адаптации. Если человек находится на ярком свете в течение нескольких часов, и в палочках, и в колбочках происходит разрушение фоточувствительных веществ до ретиналя и опсинов. Кроме того, большое количество ретиналя в обоих типах рецепторов превращается в витамин А. В результате концентрация фоточувствительных веществ в рецепторах сетчатки значительно уменьшается, и чувствительность глаз к свету снижается. Этот процесс называют световой адаптацией.

Наоборот, если человек длительно находится в темноте, ретиналь и опсины в палочках и колбочках снова превращаются в светочувствительные пигменты. Кроме того, витамин А переходит в ретиналь, пополняя запасы светочувствительного пигмента, предельная концентрация которого определяется количеством опсинов в палочках и колбочках, способных соединяться с ретиналем. Этот процесс называют темповой адаптацией.

Темновая адаптация, демонстрирующая взаимосвязь между адаптацией колбочек и палочек

На рисунке выше показан ход темновой адаптации у человека, находящегося в полной темноте после нескольких часов пребывания на ярком свете. Видно, что сразу после попадания человека в темноту чувствительность его сетчатки очень низкая, но в течение 1 мин она увеличивается уже в 10 раз, т.е. сетчатка может реагировать на свет, интенсивность которого составляет 1/10 часть от предварительно требуемой интенсивности. Через 20 мин чувствительность возрастает в 6000 раз, а через 40 мин — примерно в 25000 раз.

Кривую, представленную на рисунке выше, называют кривой темповой адаптации. Обратите внимание на ее изгиб. Начальная часть кривой связана с адаптацией колбочек, поскольку все химические события зрения в колбочках происходят примерно в 4 раза быстрее, чем в палочках. С другой стороны, изменения чувствительности колбочек в темноте никогда не достигают такой степени, как у палочек. Следовательно, несмотря на быструю адаптацию, колбочки всего через несколько минут прекращают адаптироваться, а чувствительность медленно адаптирующихся палочек продолжает возрастать в течение многих минут и даже часов, достигая чрезвычайной степени.

Кроме того, большая чувствительность палочек связана с конвергенцией 100 или более палочек на одиночную ганглиозную клетку в сетчатке; реакции этих палочек суммируются, увеличивая их чувствительность, что изложено далее в этой главе.

б) Другие механизмы световой и темновой адаптации. Кроме адаптации, связанной с изменениями концентрации родопсина или цветных фоточувствительных веществ, глаза имеют два других механизма световой и темновой адаптации. Первый из них — изменение размера зрачка (просим вас пользоваться формой поиска выше). Это может вызвать примерно 30-кратную адаптацию в течение долей секунды путем изменения количества света, попадающего на сетчатку через отверстие зрачка.

Другим механизмом является нервная адаптация, происходящая в последовательной цепочке нейронов самой сетчатки и зрительного пути в головном мозге. Это значит, что при увеличении освещенности сигналы, передаваемые биполярными, горизонтальными, амакриновыми и ганглиозными клетками, сначала интенсивны. Однако на разных этапах передачи по нервному контуру интенсивность большинства сигналов быстро снижается. В этом случае чувствительность изменяется лишь в несколько раз, а не в тысячи, как при фотохимической адаптации.

Нервная адаптация, как и зрачковая, происходит за доли секунды, для полной адаптации посредством фоточувствительной химической системы требуются многие минуты и даже часы.

Учебное видео определения темновой адаптации по методу Кравкова-Пуркинье

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Роль световой и темновой адаптации. Цветовое зрение

а) Значение световой и темновой адаптаций для зрения. В пределах от максимальной темновой до максимальной световой адаптации чувствительность глаза к свету может изменяться в 500000-1000000 раз, при этом чувствительность автоматически приспосабливается к изменениям освещенности.

Для регистрации изображений на сетчатке необходимо определение темных и светлых пятен в изображении. Для этого чувствительность сетчатки всегда отрегулирована таким образом, чтобы рецепторы реагировали на более светлые области, не реагируя на более темные. Недостаточность адаптации сетчатки проявляется, когда, например, человек выходит из кинотеатра на яркий солнечный свет. Тогда даже темные пятна в изображении кажутся чрезмерно яркими, и вследствие этого все изображение блекнет из-за низкого контраста между его различными частями. Острота зрения в этом случае очень низкая и остается низкой до тех пор, пока сетчатка не адаптируется настолько, чтобы темные области изображения больше не стимулировали рецепторы.

Наоборот, когда человек попадает со света в темноту, чувствительность сетчатки обычно столь низка, что даже светлые пятна изображения не могут возбудить рецепторы. После тем новой адаптации светлые пятна начинают восприниматься глазом. Примером высочайшей степени световой и темновои адаптации является способность глаза видеть и при ярком солнечном свете после световой адаптации, и при свете звезд после темновои адаптации, несмотря на то, что интенсивности солнечного света и света звезд различаются примерно в 10 млрд раз.

Цветовое зрение

Из предыдущих статей по физиологии на сайте мы узнали, что разные колбочки чувствительны к свету разного цвета. В этом разделе обсуждается механизм, с помощью которого сетчатка различает разные градации цвета в зрительном диапазоне светового спектра.

а) Трехцветный механизм определения цвета. Все теории цветового зрения основаны на хорошо известном факте, что человеческий глаз может различать почти все цветовые оттенки при соответствующем смешивании в разных комбинациях лишь трех монохроматических светов: красного, зеленого и синего.

Поглощение света пигментом палочек и пигментами трех цветочувствительных колбочек сетчатки человека Демонстрация степени стимуляции разных цветочувствительных колбочек монохроматическим светом четырех цветов: синего, зеленого, желтого и оранжевого

б) Спектральная чувствительность трех типов колбочек. На основании тестирования цветового зрения доказано, что спектральная чувствительность трех типов колбочек у человека практически совпадает с кривыми поглощения света для обнаруженных в колбочках трех типов пигментов. Эти кривые показаны на рисунках выше (с небольшими отличиями). Они могут объяснить большинство феноменов цветового зрения.

в) Интерпретация цвета в нервной системе. На втором рисунке выше видно, что оранжевый монохроматический свет с длиной волны 580 нм стимулирует красные колбочки на 99% (от их максимальной стимуляции при оптимальной длине волны), зеленые колбочки — на 42% и совсем не стимулирует синие колбочки (0%). Таким образом, отношение показателей стимуляции трех типов колбочек составляет 99 : 42 : 0. Нервная система интерпретирует такую комбинацию отношений как ощущение оранжевого. Синий монохроматический свет с длиной волны 450 нм совсем не стимулирует красные и зеленые колбочки (показатели стимуляции равны нулю), а синие колбочки стимулируются на 97%. Эта комбинация отношений (0 : 0: 97) интерпретируется нервной системой как синий цвет. Аналогично отношения 83 : 83 : 0 интерпретируются как желтый цвет, а 31 : 67 : 36 — как зеленый.

г) Ощущение белого света. Примерно равная стимуляция всех колбочек (красных, зеленых и синих) дает ощущение белого цвета. Не существует никакой длины волны, соответствующей белому цвету; белое — комбинация всех длин волн спектра. Кроме того, ощущение белого можно получить при стимуляции сетчатки комбинацией лишь трех выбранных цветов, стимулирующих соответствующие типы колбочек примерно в равной степени.

Учебное видео проверки цветоощущения - тест на дальтонизм

а) Механизм, с помощью которого распад родопсина снижает натриевую проводимость мембраны. Каскад усиления. При оптимальных условиях одиночный фотон света (самая малая квантовая единица световой энергии) может вызвать в палочке доступный для измерения рецепторный потенциал, равный примерно 1 мВ. Достаточно всего 30 фотонов света, чтобы вызвать половинное насыщение палочки (рецепторный потенциал, равный половине максимально возможного). Как такое небольшое количество света вызывает такой мощный эффект? Ответ в том, что фоторецепторы имеют чрезвычайно чувствительный каскад, усиливающий эффект стимуляции примерно в миллион раз, а именно:

1. Фотон активирует электрон в 1 цис-ретинале родопсина, что ведет к образованию метародопсина II, т.е. активной формы родопсина (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже).

2. Активированный родопсин функционирует как фермент, активирующий много молекул трансдуцина (белка, присутствующего в неактивной форме в мембранах дисков и клеточной мембране палочек).

3. Активированный трансдуцин активирует гораздо больше молекул фосфодиэстеразы.

4. Активированная фосфодиэстераза сразу гидролизует много молекул циклического гуанозинмонофосфата, таким образом разрушая его. До этого цГМФ был связан с белком натриевого канала наружной мембраны палочки, в известном смысле «фиксируя» этот белок в открытом состоянии. Но на свету, когда фосфодиэстераза гидролизует цГМФ, эта фиксация прекращается, и каналы для натрия закрываются. Несколько сотен каналов закрывается в ответ на каждую изначально активированную молекулу родопсина. Поскольку поток ионов Na+ через каждый из этих каналов в темноте был чрезвычайно быстрым, закрытие каждого канала блокирует вход более миллиона ионов Na+ на все время, пока канал не откроется снова. Именно это уменьшение тока ионов Na+ через мембрану и вызывает возбуждение палочки. 5. В течение примерно секунды другой фермент, всегда присутствующий в палочке, — родопсинкиназа — инактивирует активированный родопсин (метародопсин II), и весь каскад возвращается к нормальному состоянию с открытыми натриевыми каналами. Таким образом, в палочках функционирует важный химический каскад, который усиливает действие одиночного фотона света, вызывая движение миллионов ионов Na . Это объясняет чрезвычайную чувствительность палочек в условиях полной темноты.

Колбочки в 30-300 раз менее чувствительны, чем палочки, но даже в этом случае возможно цветовое зрение при любой интенсивности света (если она больше, чем очень густые сумерки).

Зрительный цикл родопсина и ретиналя в палочке, демонстрирующий распад родопсина под действием света с последующим медленным восстановлением его в процессе химических реакций

Фотохимия цветового зрения, осуществляемого колбочками

Как указывалось, фоточувствительные вещества в колбочках имеют почти такой же химический состав, как и родопсин в палочках. Различаются лишь белковые части — опсиныу а именно: фотопсины в колбочках отличаются от скотопсина палочек. Ретинальная часть всех зрительных пигментов и в колбочках, и в палочках совершенно одинаковая. Следовательно, цветочув-ствительные пигменты колбочек — это комбинация ретиналя и фотопсинов.

Из дальнейшего обсуждения станет ясно, что в каждой колбочке присутствует лишь один из трех типов цветных пигментов, что делает колбочки избирательно чувствительными к различным цветам: синему, зеленому или красному. Эти цветные пигменты называют синечувствителъным, зеленочувствительным и красночувствительным пигментами, соответственно. Их характеристики поглощения имеют максимумы для световых волн разной длины (445, 535 и 570 нм, соответственно). Такие же длины волн характеризуют максимальную светочувствительность колбочек каждого типа, что и объясняет способность сетчатки различать цвета. Примерные кривые поглощения для этих пигментов представлены на рисунке ниже. Показана также кривая поглощения для родопсина палочек с максимумом в области световых волн длиной 505 нм.

Поглощение света пигментом палочек и пигментами трех цветочувствительных колбочек сетчатки человека

Хрусталик: солнечное «затмение»
Фотофизические и фотохимические процессы в глазу

Солнечный свет играет важнейшую роль в жизни всех земных организмов: без реакций фотосинтеза, в результате которых из простых веществ создаются органические соединения, само существование жизни на планете было бы невозможно. Излучение Солнца нагревает атмосферу Земли и дарит нам хорошее настроение в погожий день. Но солнечный свет, в первую очередь его ультрафиолетовая составляющая, может воздействовать на организм человека и пагубным образом, вызывая солнечные ожоги и даже рак кожи. Кроме того, наши органы зрения, в отличие от кожи, которую можно защитить одеждой, неминуемо подвергаются регулярному и продолжительному воздействию солнечного УФ-излучения. Есть ли у наших глаз природная защита от этого злокозненного света, как она устроена и как меняется с возрастом?

Почему ультрафиолетовое излучение представляет опасность для человека? Дело в том, что в результате поглощения света органической молекулой (например, белком) один из ее электронов (отрицательно заряженных элементарных частиц, «заселяющих» атомные орбитали с разной энергией) переходит на более высокий энергетический уровень. Такой процесс называют переходом из основного в возбужденное состояние. Сам по себе он не приносит вреда организму человека, но угрозу может представлять путь, по которому молекула будет возвращаться из такого крайне неустойчивого состояния в основное.

Возбужденная светом молекула, как богатырь в русской сказке, оказывается на распутье: перед ней открываются три пути. Во-первых, она может вернуться к первоначальному состоянию благодаря флуоресценции – ​излучению энергии в виде кванта света. Она также может израсходовать избыточную энергию на разогрев окружающей среды – ​это так называемая внутренняя конверсия. Оба эти процесса для живых существ вполне безопасны, так как не инициируют никаких химических реакций. Но вот третий путь…

Прежде чем говорить о нем, вспомним о квантовом понятии спин, означающем момент импульса, внутренне присущий элементарным частицам, который не связан с их реальным перемещением (вращением) в пространстве и поэтому не имеет аналогии в классической механике. Благодаря своей квантовой природе спин может принимать лишь дискретные, строго определенные значения: к примеру, спин электрона равен 1/2.

С наличием у электрона спина связано явление мультиплетности молекулы, которая рассчитывается на основе суммарного спина всех ее электронов плюс единица. В обычных условиях у абсолютного большинства молекул все электроны имеют пару и, соответственно, нулевой суммарный спин. Соответственно, их мультиплетность равна 1 – ​это так называемое синглетное состояние (S-состояние).

Однако когда один из электронов переходит на более высокий энергетический уровень, т. е. вся молекула оказывается в возбужденном состоянии, то образуется два электрона без пар. В этом случае мультиплетность молекулы зависит от проекции спинов и ее величина может принимать значение как 1, так и 3. Изменение мультиплетности с 1 на 3 означает переход молекулы из синглетного в триплетное состояние (Т-состояние), а сам процесс изменения спинового состояния молекулы называется интеркомбинационной конверсией.

Это и есть тот третий путь, на котором могут запускаться нежелательные реакции. Дело в том, что, согласно постулатам квантовой механики, переход из возбужденного триплетного состояния в основное синглетное запрещен, что позволяет Т-состоянию существовать долгое время. Такая молекула с избытком энергии становится опасной частицей, способной реагировать с большим числом своих соседей. Кстати, в S-состоянии молекула также способна запускать химические реакции, но время жизни такого состояния настолько коротко, что она, как правило, не успевает встретить партнера по реакции.

Химические реакции в таких случаях могут быть очень разнообразными и зависят в первую очередь от самих соседей. Как правило, такие реакции необратимы и приводят к повреждению молекул, прежде всего белков и липидов, поскольку они наиболее представлены в живых клетках. Накопление дефектных молекул может со временем инициировать развитие различных патологий, таких как рак кожи и катаракта – ​помутнение хрусталика глаза.

Свет – ​в тепло

Глаз млекопитающих и человека – ​сложный орган, состоящий из нескольких сложноорганизованных частей. Основной оптический элемент – ​хрусталик, который пропускает и фокусирует свет на поверхности сетчатки. Но эта его функция не единственная.

В 1970-е гг. было установлено, что хрусталик одновременно играет и роль светофильтра, поглощая излучение в ближнем ультрафиолетовом диапазоне (УФ-А-излучение, 315—400 нм). Это излучение составляет около 95 % всего УФ-излучения на поверхности Земли и не задерживается облаками и оконным стеклом. Более того, оно способно инициировать фотохимические реакции, приводящие к повреждению в первую очередь фоточувствительных клеток сетчатки.

Это открытие было сделано благодаря голландской исследовательнице Рут ван Хайнинген, которая впервые показала, что хрусталик человека содержит большие количества кинуренина (промежуточного продукта ферментативного распада аминокислоты триптофана) и его производных. Уже первые исследования доказали, что кинуренины способны поглощать излучение в УФ-А-диапазоне, а сами его не излучают, т. е. служат молекулярными УФ-фильтрами. Однако механизм их «работы» оставался неизвестным до недавнего времени.

При изучении фотофизических и фотохимических свойств кинуренина в Международном томографическом центре СО РАН (Новосибирск) выяснилось, что в водных растворах под действием УФ-А-излучения эта молекула светится слабо (Sherin et al., 2009) и производит крайне малое количество реакционно-активных триплетных состояний (Центалович, 2009). Это означает, что кинуренин возвращается из возбужденного состояния в обычное преимущественно путем преобразования энергии света в тепло, т. е. с помощью внутренней конверсии, причем очень быстро и эффективно.

Чтобы понять, как это происходит, поведение кинуренина исследовали в широком наборе растворителей. Оказалось, что скорость перехода этой молекулы из возбужденного состояния в основное напрямую зависит от способности растворителя образовывать межмолекулярные водородные связи, при которых атом водорода связывает между собой два электроотрицательных атома. Так, в водном растворе время перехода было равно 30 пс (1 пикосекунда = 10 –12 секунды), в спиртовых – ​на порядок больше. В тех же растворителях, которые не могут быть донором водородной связи, эта величина возрастала в 100 раз! Иными словами, именно межмолекулярные водородные связи обеспечивают доминирование внутренней конверсии в фотофизике кинуренина.

Установление механизма работы кинуренина в качестве молекулярного УФ-фильтра важно с точки зрения фотобиологии. Стало понятно, что ему требуется среда, насыщенная межмолекулярными водородными связями, например спирты или вода. В отсутствие водородных связей молекулы в синглетном возбужденном состоянии переходят в реакционно-активные триплетные состояния (Sherin, 2009). После этого светофильтр превращается в фотосенсибилизатор, который под действием света может повреждать молекулы из своего ближайшего окружения, в данном случае – ​белки хрусталика глаза.

Как стареет хрусталик

Как показали исследования австралийских ученых, с возрастом содержание кинуренинов в хрусталике человека существенно снижается (Bova et al., 2001), во многом из-за их присоединения к белкам (Korlimbinis et al., 2007). Это естественный процесс, в результате которого в хрусталике идет накопление белков, модифицированных кинуренином. Но чем является такой «присоединенный» кинуренин – ​эффективным УФ-фильтром или фотосенсибилизатором?

Эксперименты с использованием кинуренина, к которому были искусственно присоединены аминокислоты или белки, показали, что скорость «гибели» его возбужденного состояния зависит от объема присоединенной молекулы (Sherin et al., 2010). Чем больший объем будет занимать молекула-заместитель, тем меньше возможностей остается для кинуренина установить межмолекулярные водородные связи. А это, в свою очередь, замедлит процесс внутренней конверсии поглощенной энергии.

В случае белка важную роль играет и само расположение кинуренина внутри крупной и упорядоченной макромолекулы: чем глубже он будет находиться, тем дольше будет «жить» его возбужденное состояние и, соответственно, тем больше шансов для него перейти в реакционно-активное Т-состояние. Таким образом, прочное связывание кинуренина с белками хрусталика усиливает его фотосенсибилизирующие свойства.

Образование триплетных состояний кинуренина является первым шагом на пути модификации белков внутри клеток хрусталика, к слову сказать, очень необычных. Они представляют собой прозрачные волокна длиной до 1 см, тянущиеся от переднего к заднему краю хрусталика и плотно прилегающие друг к другу на манер луковичных чешуй. Их отличительная особенность – ​отсутствие клеточных ядер и органелл, которые могли бы рассеивать свет и ухудшать параметры светопропускания ткани. Соответственно, в клетках хрусталика нет биохимической машины по синтезу, восстановлению и утилизации белков, поэтому его белки – ​кристаллины – ​не обновляются на протяжении всей жизни человека.

Тем самым с возрастом белки хрусталика накапливают многочисленные химические модификации, которые приводят к существенному изменению свойств хрусталика: увеличению его жесткости, появлению желтой окраски и возрастанию светорассеяния. Однако до недавнего времени оставалось неясным, какие именно изменения в структуре белков могут вызывать возбужденные светом молекулы кинуренинов.

Как свет «сшивает» белки

Мощным фотосенсибилизатором является одно из производных кинуренина – ​кинуреновая кислота. Однако эксперименты по длительному облучению белков в присутствии этого вещества дали неожиданные результаты. Несмотря на то что под действием света кинуреновая кислота образует триплетные состояния почти со 100 % эффективностью (1 квант света – ​1 молекула), лишь малая часть дальнейших реакций приводит к модификации белков (Sherin et al., 2016).

Оказалось, что в триплетном состоянии кинуреновая кислота охотно отбирает электрон у белков с образованием свободных радикалов и не менее охотно отдает его обратно при следующей встрече. В итоге в растворе преимущественно идут быстрые обратные реакции с образованием исходных веществ, а не реакции, приводящие к повреждению белков (Sormacheva et al., 2020).

Тем не менее белок в форме радикала «страдает», имея неспаренный электрон, и при встрече с себе подобным «с удовольствием» им делится с формированием полноценной электронной пары. В результате белковые молекулы образуют прочную и крепкую ковалентную связь, сшиваясь друг с другом навечно.

Процесс такого «сшивания» белков небыстрый, ведь им нужно найти на поверхности друг у друга радикальные центры, при том что сами молекулы представляют собой большие глобулы. Зато маленькая и подвижная молекула кинуреновой кислоты делает это гораздо быстрее, нейтрализуя радикальные центры белков. Тем не менее некоторые белки успевают «сшиться», образуя глобулы из двух, трех молекул и более. На каком-то этапе они могут терять водорастворимость и выпадать в осадок. Так в хрусталике глаза появляются светорассеивающие области – ​развивается катаракта.

Другим любопытным результатом этих экспериментов стало выяснение роли молекулярного кислорода в фотохимических реакциях (Sormacheva et al., 2020). Оказалось, что когда радикал кинуреновой кислоты вступает в реакцию с остаточным кислородом, то первый возвращается в исходное состояние, а второй, захватив «лишний» электрон, превращается в супероксид-анион. Несмотря на то что супероксид-анион широко известен как очень опасная реакционная форма кислорода, его образование, напротив, способствует возвращению кинуреновой кислоты и белков в исходные состояния. Так был обнаружен удивительный эффект, когда кислород выполняет защитную функцию, существенно снижая количество необратимых модификаций аминокислот.

Известно, что хрусталик человеческого глаза в больших концентрациях содержит антиоксиданты – ​глутатион и аскорбиновую кислоту. Фотолиз кинуреновой кислоты с белком в присутствии этих соединений показал, что оба антиоксиданта действительно успешно предотвращают модификацию белков и могут защитить хрусталик от фотоиндуцированных повреждений.

При этом механизм действия у них оказался разный. Аскорбиновая кислота является эффективным «тушителем» триплетных состояний, что предотвращает реакции возбужденных молекул кинуренинов с молекулами белков. А вот глутатион – ​это игрок второй линии защиты: он способен перехватывать свободные радикалы, восстанавливая их до исходного состояния и предотвращая связывание молекул белков по радикальным механизмам.

Следует отметить, что эффективность (или на языке фотохимии – ​квантовые выходы) реакций, приводящих к фотоповреждениям белков хрусталика, очень мала: выход триплетных состояний для большинства кинуренинов не превышает 1 %, причем даже в самых «бескислородных» растворах уровень общего распада белка составлял всего 1—2 % от поглощенных квантов света (Sherin et al., 2016; Savina et al., 2020).

Таким образом, общая эффективность фотоиндуцированных радикальных реакций в хрусталике не превышает 0,01 %. А природные антиоксиданты, глутатион и аскорбиновая кислота, многократно снижают эффективность этих реакций, «перехватывая» реакционно-активные частицы, и практически полностью предотвращают фотоиндуцированные модификации белков.

Чтобы сохранить целостность хрусталика глаза, природа использует уникальный каскад процессов трансформации энергии опасного для живых организмов УФ-излучения света в тепло. Как результат, ткани глаза остаются эффективно защищенными от пагубного солнечного излучения в молодом и среднем возрасте. С годами эффективность транспорта малых молекул в хрусталике снижается, что приводит к накоплению продуктов распада и замедлению поступления нужных веществ, включая антиоксиданты. В результате модификация белков ускоряется и накопление таких необратимых изменений может дать начало развитию катаракты.

Тем не менее катаракта не является неизбежным следствием старения: у многих людей хрусталики остаются прозрачными даже в очень преклонном возрасте. Самые частые вопросы, которые задают на эту тему: «Почему у большинства людей до 50 лет хрусталик остается прозрачным, а потом вдруг начинает мутнеть?» и «Можно ли что-нибудь сделать уже сейчас, чтобы замедлить развитие катаракты?».

Мы полагаем, что возникновение катаракты в первую очередь обусловлено не многолетним накоплением модифицированных белков, а ослаблением природной антиоксидантной защиты хрусталика. Отсюда следуют достаточно тривиальные рекомендации: наилучшей профилактикой катаракты является здоровый и активный образ жизни, поддерживающий защитные системы организма в хорошем состоянии.

Заметим, что человеческий организм не способен синтезировать аскорбиновую кислоту, играющую важную роль в защите белков хрусталика. Следовательно, очень важно в течение всего года получать в пищу достаточное количество свежих фруктов и других продуктов, содержащих этот антиоксидант. А так как содержание УФ-фильтров в хрусталиках людей старшего возраста значительно уменьшается, для них намного более актуальным, чем для молодежи, становится использование в повседневной жизни солнцезащитных очков.

Центалович Ю. П., Снытникова О. А., Сагдеев Р. З. Фотохимические и термические реакции кинуренинов // Успехи химии. 2008. Т. 77. № 9. С. 844–853.

Bova L. M. Sweeney M. H., Jamie J. F. and Truscott R. J. Changes in Human Ocular UV Protection with Age // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 2001. V. 42. N. 1. P. 200–205.

Korlimbinis A., Aquilina J. A., Truscott R. J. W. Protein-bound and free UV filters in cataract lenses. The concentration of UV filters is much lower than in normal lenses // Exp. Eye Res. 2007. V. 85. P. 219–225.

Savina E. D. Tsentalovich Yu. P., Sherin P. S. UV-A induced damage to lysozyme via Type I photochemical reactions sensitized by kynurenic acid // Free Rad. Biol. Med. 2020. V. 152. P. 482–493.

Sherin P. S., Grilj J., Tsentalovich Yu. P. and Vauthey E. Ultrafast excited-state dynamics of kynurenine – a UV filter of the human eye // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. P. 4953–4962.

Sherin P. S., Grilj J., Kopylova L. V. et al. Photophysics and photochemistry of UV filter kynurenine covalently attached to amino acids and to a model protein // J. Phys. Chem. B. 2010. V. 114. P. 11909–11919.

Sherin P. S., Zelentsova E. A., Sormacheva E. D. et al. Aggregation of -crystallins in kynurenic acid-sensitized UVA photolysis under anaerobic conditions // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18. P. 8827–8839.

R. van Heyningen. Fluorescent Glucoside in the Human Lens // Nature. 1971. N. 230. P. 393–394.

Читайте также:

  
• Противошоковые жидкости в ветеринарии. Профилактика шока
  
• Медиастинальная лимфома Ходжкина на рентгенограмме, КТ
  
• Показания для стереотаксической операции при менингиоме и ее эффективность
  
• Репликация вируса в клетке. Сборка вирусов. Высвобождение дочерних вирионов из клетки.
  
• КТ, МРТ при параличе Белла