Много лет назад американский биохимик У. Раштон писал: "Молекулы реагируют на свет так же, как люди на музыку. Некоторые не воспринимают ничего. Другие начинают слегка постукивать ногой или пальцем. Есть и такие, кто поднимается, танцует и меняет партнеров". В те времена Раштон мог дать лишь такое поэтическое описание: не было известно, какие конкретно молекулы участвуют в ответе фоторецепторных клеток сетчатки на свет и как они взаимодействуют .

Однако в последнее десятилетие во многих лабораториях получены экспериментальные данные, раскрывающие молекулярные основы зрительного возбуждения. Идентифицированы молекулы, принимающие участие в реакции на свет, составлена в основном схема их взаимодействия. Биохимические исследования показали, что молекулы, обеспечивающие ответ на свет, действительно "поднимаются, танцуют и меняют партнеров" в каскаде реакций, лежащем в основе механизма зрения.

Этот молекулярный каскад имеет определенную локализацию в фоторецепторных клетках сетчатки. Фоторецепторные клетки бывают двух типов, которые за их характерную форму называются палочками и колбочками. Палочки позволяют видеть черно-белые изображения при тусклом свете; колбочки осуществляют цветовое зрение при ярком свете. Сетчатка человека содержит 3 млн. колбочек и 100 млн. палочек. Электрические сигналы, генерируемые колбочками и палочками, обрабатываются другими клетками сетчатки, прежде чем передаются в мозг по зрительному нерву.

Надо сказать, что как рецепторы палочки достигли предельной чувствительности. Палочка может быть возбуждена одним фотоном - наименьшим возможным количеством света. Каскад молекулярных взаимодействий усиливает этот крошечный "квант" информации в сигнал, который воспринимается нервной системой. Кроме того, степень усиления изменяется в зависимости от фонового освещения: палочки более чувствительнее при тусклом свете, чем при ярком. В результате они эффективно функционируют в широком диапазоне фонового освещения. При этом сенсорная система палочек упакована в хорошо различимые клеточные субструктуры, которые можно легко выделить и исследовать.

Палочка представляет собой длинную тонкую клетку, разграниченную на две части. Наружный сегмент клетки содержит большую часть молекулярного механизма, детектирующего свет и инициирующего нервный импульс. Внутренний сегмент специализируется на генерации энергии и обновлении молекул, необходимых в наружном сегменте. Помимо этого, внутренний сегмент формирует синаптическое окончание, которое служит для связи с другими клетками. Если изолированную сетчатку слегка потрясти, наружные сегменты палочек отпадают и весь аппарат возбуждения можно исследовать в высокоочищенном виде. Это свойство палочек делает их настоящим подарком для биохимиков. Наружный сегмент палочки - это узкая трубка, заполненная стопкой тонких дисков; в одной.клетке их примерно 2 тысячи. И трубка, и диски образованы двухслойной мембраной одного и того же типа.

Но наружная (плазматическая) мембрана палочки и мембрана дисков имеют различные функции в рецепции света и генерации нервного импульса. Диски содержат большинство белковых молекул, участвующих в поглощении света и инициации возбуждающего ответа. Наружная мембрана служит для преобразования химического сигнала в электрический.

К числу наиболее важных молекул, связанных с мембраной дисков, относится родопсин. Это фоторецепторный белок палочек, который поглощает фотон и дает ответ, составляющий первый шаг в цепи событий, обеспечивающих зрение. Родопсин состоит из двух компонентов - органического соединения, называемого 1l-цис-ретиналем, и белка опсина. 11-цис-ретиналь - производное витамина А. Опсин способен функционировать как фермент. Поглощение фотона 11-цис-оретиналем "включает" ферментативную активность опсина и приводит в действие биохимический каскад.

Молекула опсина представляет собой единую полипептидную цепь из 348 остатков аминокислот. Аминокислотная последовательность опсина определена нашими отечественными учёными в лабораториях Ю.А. Овчинникова в Институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина в Москве.

В этих исследованиях получена существенная информация о трехмерной структуре этого важного белка, пронизывающего мембрану диска. Оказалось, что полипептидная цепь опсина образует семь участков так называемой альфа-спирали, которые расположены поперек мембраны; альфа-спиральные сегменты соединены короткими неспиральными участками. С одной из альфа-спиралей связана молекула 11-цис-ретиналя, расположенная вблизи от середины мембраны так, что ее длинная ось параллельна поверхности мембраны. Таким образом ретиналь вмонтирован в центр сложного, высокоорганизованного белкового окружения. Это окружение обеспечивает "подстройку" ретиналя, влияя на спектр его поглощения. Сам по себе свободный ретиналь в растворенном виде имеет максимум поглощения в ультрафиолетовой области спектра - на длине волны 380 нм, в то время как родопсин поглощает зеленый свет на 500 нм. Этот сдвиг замечателен с функциональной точки зрения: благодаря ему спектр поглощения родопсина приводится в соответствие со спектром света, попадающего в глаз.

Что же происходит, когда 11-цис-ретиналь поглощает фотон? В общем виде ответ состоит в том, что молекула изомеризуется. Изомерами называются соединения, одинаковые по составу, но различающиеся по форме. Приставка "11 -цис" обозначает определенный изомер ретиналя. "Скелет" молекулы ретиналя образован цепочкой атомов углерода; "11-цис" означает, что атомы водорода, соединенные с 11-м и 12-м атомами углерода, расположены с одной и той же стороны от этой цепочки. При такой конфигурации в этом месте углеродной цепи имеется изгиб. В другом изомере, называемом ол-транс (т. е. полностью транс, атомы водорода при 11-ми 12-м атомах углерода лежат друг против друга, и углеродный скелет распрямлен.

ЦИКЛИЧЕСКИЙ 3'-5'-гуанозинмонофосфат (cGMP) в палочках сетчатки служит внутриклеточным медиатором, обеспечивая генерацию нервного импульса. В состав cGMP входят атомы азота (темно-синие), углерода (голубые), кислорода (красные), водорода (белые) и фосфора (желтые). Атом фосфора является частью кольцевой структуры, из-за которой соединение и называется циклическим. Пока это кольцо цело, cGMP поддерживает открытое состояние натриевых каналов в наружной мембране палочки. Когда же оно размыкается (под действием специального фермента), натриевые каналы закрываются, в результате чего электрические свойства мембраны изменяются и возникает нервный импульс.

Еще в 1957 году Дж. Уолд и Р. Хаббард из Гарвардского университета установили, в чем заключается первичное молекулярное событие в процессе зрительного восприятия. Они показали, что при поглощении фотона 11 -цис-ретиналь переходит в форму ол-транс. Энергия света распрямляет изгиб цепи между 11-м и 12-м атомами углерода. Родопсин очень чувствителен к такому воздействию: поглощение фотона в половине случаев вызывает изомеризацию. Спонтанная же изомеризация молекулы ретиналя в темноте происходит приблизительно раз в 1000 лет. Такое различие имеет важное следствие для зрения. Когда фотон попадает на сетчатку, поглотившая его молекула родопсина "сообщает" об этом с высокой эффективностью, в то время как миллионы других молекул родопсина в клетке остаются "безмолвными".

Десятилетие спустя был достигнут определенный прогресс в понимании того, что происходит на последнем этапе каскада возбуждения - на наружной мембране. Дело в том, что плазматическая мембрана клетки избирательно проницаема для электрически заряженных частиц, вследствие чего существует разность электрических потенциалов между внутренней и наружной стороной клетки. В состоянии покоя внутренняя часть клетки несет отрицательный заряд около 40 мВ по отношению к наружной. В 1970 годах учёными было показано, что после освещения разность потенциалов на мембране палочки увеличивается. Это увеличение зависит от интенсивности стимула и фонового освещения; максимальная разность потенциалов составляет -80 мВ.

Увеличение разности потенциалов, называемое гиперполяризацией, происходит вследствие уменьшения проницаемости мембраны для ионов натрия (которые несут положительный заряд). После того как в общих чертах была установлена природа гиперполяризации, было показано что поглощение одного фотона приводит к тому, что в плазматической мембране палочки закрываются сотни натриевых каналов, блокируя вход миллионов ионов натрия. Возникнув под действием света, гиперполяризация затем распространяется по наружной мембране палочки на другой конец клетки к синаптическому окончанию, где возникает нервный импульс.

Эти фундаментальные исследования позволили создать представление о том, что происходит в начале и конце биохимического каскада, но оставили нерешенным вопрос: а что же происходит посередине? Каким образом изомеризация ретиналя в мембране диска приводит к закрыванию натриевых каналов в наружной клеточной мембране? В палочках плазматическая мембрана не соприкасается с мембраной дисков. Значит, передача сигнала от дисков к наружной мембране должна осуществляться с помощью какого-то посредника. Притом, поскольку один фотон может вызывать закрывание сотен натриевых каналов, каждый акт поглощения фотона должен сопровождаться образованием множества молекул посредника.

Что же является внутриклеточным медиатором возбуждающего сигнала? В 1973 году учёные предположили, что в темноте в диске запасаются ионы кальция, а при освещении они высвобождаются и, достигая путем диффузии плазматической мембраны, закрывают натриевые каналы. Эта привлекательная гипотеза вызвала большой интерес и породила множество экспериментов. Однако последующие работы учёных показали, что, хотя ионы кальция и играют большую роль в зрении, они не являются возбуждающим медиатором. Роль медиатора, как выяснилось, играет соединение, называемое 3', 5'-циклическим гуанозинмонофосфатом, или сокращенно cGMP.

Способность cGMP функционировать в качестве медиатора тесно связана с его химической структурой. GMP - это нуклеотид того типа, который представлен в РНК. Как и другие нуклеотиды, он состоит из двух компонентов: азотистого основания, в данном случае гуанина, и остатка пятиуглеродного сахара рибозы. (Нуклеотиды, содержащие гуанин, называют в целом гуаниловыми нуклеотидами.) Слово "циклический" означает, что атомы углерода в остатке рибозы, обозначаемые 3' и 5', соединены через фосфатную группу. Связь между этими двумя атомами, называемая фосфодиэфирной связью, замыкает молекулу в кольцо. Когда это кольцо целое, cGMP способен поддерживать натриевые каналы мембраны в открытом состоянии, а когда фосфодиэфирная связь расщепляется ферментом фосфодиэстеразой, натриевые каналы спонтанно закрываются.

МОЛЕКУЛА РОДОПСИНА, встроенная в мембрану диска, воспринимает свет и инициирует каскад возбуждения. Мембрана диска, как и плазматическая мембрана клетки, из которой она происходит, образована двойным слоем молекул липидов. Родопсин состоит из двух компонентов: низкомолекулярного соединения, называемого 11-цис-ретиналем, и белка опсина. Полипептидная цепь опсина уложена в семь альфа-спиралей, соединенных короткими неспирапьными участками; "-спиральные сегменты пересекают мембрану. 11-цис-ретиналь (красный) присоединен к одной из спиралей вблизи середины мембраны. Поглощение кванта света ретиналем приводит к изменению его формы и активации родопсина. Эта модель структуры родопсина предложена американскими учёными Э. Драцем и П. Харгрэйвом.

Между возбуждением родопсина и ферментативным расщеплением cGMP есть несколько промежуточных стадий. Когда ретиналь поглощает фотон и активируется опсин, родопсин в свою очередь активирует фермент, называемый трансдуцином. Трансдуцин является ключевым интермедиатом в каскаде возбуждения. Этот белок активирует специфическую фосфодиэстеразу, которая раскрывает кольцо cGMP, присоединяя к нему молекулу воды (т. е. осуществляя гидролиз). Хотя схему этого пути описать несложно, выяснение и понимание его физиологической роли потребовали множества разнообразных экспериментов.

В 1971 году учёные обнаружили, что на свету значительно уменьшается концентрация cGMP в наружных сегментах палочек. Последующие эксперименты показали, что это уменьшение - следствие гидролиза cGMP под действием фосфодиэстеразы, специфичной к данному нуклеотиду. В то время кальциевая гипотеза была еще очень популярна, однако уже не вызывало сомнений и то, что cGMP обладает значительным прямым влиянием на возбуждающий ответ.

На конференции, проходившей в 1978 г., П. Либман из Пенсильванского университета сообщил, что в суспензии наружных сегментов палочек один фотон может инициировать активацию сотен молекул фосфодиэстеразы в секунду. В более ранних работах в присутствии другого нуклеотида - аденозинтрифосфата (АТР) наблюдалось гораздо меньшее усиление. По данным учёных, значительное усиление достигается в присутствии гуанозинтрифосфата (GTP).

РЕТИНАЛЬ ИЗМЕНЯЕТ ФОРМУ в результате поглощения фотона. В 11-цис-ретинале вверху атомы водорода при 11-м и 12-м атомах углерода расположены с одной и той же стороны от углеродного скелета, так что в этом месте имеется изгиб. В форме цис-ретиналь существует в темноте. Поглощение фотона вызывает вращение вокруг связи между 11-м и 12-м атомами углерода и образуется изомерная форма - ол-транс-ретинапь (внизу) без изгиба.

КОЛЬЦО циклического гуанозинмонофосфата (cGMP), которое образовано фосфатной группой, связанной с З'-и5'-углеродными атомами рибозы, размыкается под действием специфичной фосфодиэстеразы. Этот фермент присоединяет к cGMP молекулу воды так, что фосфодиэфирная связь рвется и остается просто 5'-гуанозинмонофосфат (5'-GMP).

Гуанозинтрифосфат имеет такую же структуру, как нециклическая форма GMP, но в GTP с 5' -углеродным атомом связана не одна фосфатная группа, а цепочка из трех фосфатов, соединенных друг с другом фосфодиэфирными связями. Энергия, запасенная в этих связях, используется во многих клеточных функциях. Например, при отщеплении от GTP одной фосфатной группы (при этом образуется гуанозиндифосфат, GDP) выделяется значительное количество энергии. Таким путем клетка получает энергию, позволяющую осуществлять химические реакции, которые иначе энергетически невыгодны. Также важно то, что этот процесс, по-видимому, имеет место при активации фосфодиэстеразы, где GTP служит необходимым кофактором.

Другим американским учёным Миллеру и Г. Николу удалось инъецировать cGMP в наружный сегмент интактной палочки, и результаты этого оказались поистине впечатляющими. Как только циклический гуанозинмонофосфат попадал внутрь клетки, быстро уменьшалась разность потенциалов на плазматической мембране и резко увеличивалась задержка между подачей светового стимула и гиперполяризацией мембраны. Проще всего эти факты объяснить тем, что cGMP открывает натриевые каналы и они остаются открытыми до тех пор, пока cGMP не распадется под действием активированной светом фосфодиэстеразы. В то время эта гипотеза казалась весьма привлекательной, но прямых ее доказательств не было.

В теоретических выкладках существенное значение имел тот факт, что для ее активации необходим GTP. Это позволяло предполагать, что важным интермедиатом активации может быть какой-то белок, связывающий GTP. Следовало тщательно рассмотреть, что же происходит с GTP в палочках. Целью первых экспериментов учёных было обнаружить связывание GTP и его производных в наружных сегментах палочек. Меченный радиоактивным изотопом GTP инкубировали с фрагментами наружных сегментов палочек. После нескольких часов препарат промывали на фильтре, задерживающем фрагменты мембран и крупные молекулы, такие, как белки, и пропускающем мелкие молекулы, в том числе GTP и родственные ему соединения. Оказалось, что значительная часть радиоактивности остается связанной с мембранной фракцией. В дальнейшем выяснилось, однако, что в мембране остается не GTP, a GDP.

Эти данные убедительно свидетельствовали, что в мембранах палочек содержится белок, способный связывать GTP и отщеплять от него одну фосфатную группу с образованием GDP. Казалось все более вероятным, что такой белок - ключевой интермедиат и что превращение GTP в GDP может приводить в действие процесс активации.

Одним из поразительных фактов было то, что мембраны палочек не только связывают гуаниловые нуклеотиды, но при освещении из них высвобождается GDP, причем этот процесс значительно усиливается в присутствии GTP в окружающем растворе. Начала вырисовываться гипотеза, организующая этот, казалось бы, беспорядочный набор сведений. По-видимому, какой-то этап процесса активации включает в себя обмен GTP на GDP в мембране. Поэтому высвобождение GDP так сильно и увеличивается при добавлении GTP: GDP должен замещаться GTP. В дальнейшем GTP, возможно, превращается в GDP.

Вероятно, обмен GTP на GDP имеет отношение к центральному событию процесса активации. Прежде всего, этот обмен происходит с большим усилием. Учёные исследовали действие света на поглощение GTP мембранами палочек и обнаружили, что фотовозбуждение одной молекулы родопсина приводит к связыванию около 500 молекул аналога GTP. Открытие этого усиления стало важным шагом на пути к объяснению усиления, присущего каскаду возбуждения в целом.

Этот фундаментальный результат привел учёных к предположению, что в каскаде возбуждения участвует белковый интермедиат, существующий в двух состояниях. В одном состоянии он связывает GDP, в другом - GTP. Обмен GDP на GTP, служащий сигналом к активации белка, инициируется родопсином и в свою очередь активирует специфическую фосфодиэстеразу. Фосфодиэстераза расщепляет циклический GMP, вследствие чего закрываются натриевые каналы в плазматической мембране. Вскоре этот предполагаемый белок был выделен. Он получил название трансдуцин, так как опосредует трансдукцию - преобразование света в электрический сигнал. Впоследствии было установлено, что трансдуцин состоит из трех белковых субъединиц; их обозначают альфа, бета , и гамма.

Сигнал передается от активированного родопсина к трансдуцину и от его GTP-формы к фосфо-диэстеразе. Если такая картина верна, следует ожидать, во первых, что трансдуцин может переходить в GTP-форму в отсутствие фосфодиэстера-зы, и, во-вторых, что фосфодиэстераза способна активироваться без возбужденного светом родопсина.

Для проверки первого предположения учёные использовали синтетическую мембранную систему, не содержащую фосфодиэстеразы. На искусственную мембрану наносили очищенный трансдуцин в GDP-форме, а затем добавляли активированный родопсин. В этих опытах было установлено, что каждая молекула родопсина катализирует захват мембраной 71 молекулы аналога GTP. Значит, активируя трансдуцин, каждая молекула родопсина катализирует обмен GDP на GTP во множестве молекул трансдуцина. Таким образом, впервые удалось обнаружить усилительный эффект родопсина, для проявления которого чтобы проверить второе предположение, была выделена очищенная активная форма трансдуцина - комплекс его с GTP. Здесь нас ожидал сюрприз. В неактивной GDP-форме молекула трансдуцина цельна - все три ее субъединицы находятся вместе. Оказалось, что при переходе в GTP-форму трансдуцин диссоциирует: альфа-субъединица отделяется от бета и гамма. А GTP связывается со свободной альфа-субъединицей.

Теперь можно было поставить вопрос более точно, чем прежде: выяснить, какая субъединица трансдуцина - альфа (с присоединенным GTP) или бета, -гамма стимулирует действие фосфодиэстеразы. Учёным удалось получить однозначный ответ. Фосфодиэстеразу активирует альфа-субъединица (в комплексе с GTP); остающиеся вместе бета и гамма не влияют на фермент. Более того, альфа-субъединица вызывала активацию и без родопсина; это оправдывало предположение о том, что трансдуцин может активировать фосфодиэстеразу без присутствия родопсина.

альфа-СУБЪЕДИНИЦА ТРАНСДУЦИНА служит переносчиком информации при активации фосфодиэстеразы.Молекула трансдуцина состоит из трех субъединиц, обозначаемых альфа, бета и гамма. Здесь показаны результаты гель-фильтрации трансдуцина. Раствор белка пропускал и через колонку, заполненную гелем, собирали равные порции (фракции) вытекающей жидкости и определяли в каждой фракции содержание белка (вверху), связывание аналога GTPGppNHp (в середине) и способность активировать фосфодиэстеразу (внизу). Видно, что трансдуцин в растворе существует в виде двух компонентов различного размера: более мелкий компонент - это альфа-субъединица, крупный - объединенные бета и гамма. Связывание GppNHp и активация фосфодиэстеразы сопутствуют альфа-субъединице.

Каков механизм активации специфической фосфодиэстеразы трансдуцином? В темноте фосфодиэстераза мало активна, так как является объектом тормозного влияния. Добавление небольшого количества трипсина (фермента, расщепляющего белки) снимает тормозное влияние и фосфодиэстераза активируется. Было известно, что молекула фосфодиэстеразы состоит из трех полипептидных цепей; как и у трансдуцина, они обозначаются альфа, бета и гамма. Трипсин разрушает гамму-субъединицу, но не альфа и бета-субъединицу. Таким образом, ингибитором фосфодиэстеразы является гамма-субъеди-ница.

Позже учёные выделили гамма-субъединицу в чистом виде, добавили ее к активному комплексу альфа-бета и обнаружили, что гамма-субъединица подавляет каталитическую активность более чем на 99%. Кроме того, скорость разрушения гамма-субъединицы трипсином хорошо соответствует скорости активации фосфодиэстеразы в каскаде возбуждения. Трансдуцин в GTP-форме может связываться с гамма-субъединицей фосфодиэстеразы, образуя комплекс.

Все эти данные складываются в следующую картину. После воздействия света альфа-субъединица трансдуцина с присоединенным GTP связывается с фосфодиэстеразой и ингибируюшая ее -гамма-субъединица отделяется. В результате проявляется каталитическая активность фосфодиэстеразы. Эта активность велика: каждая активированная молекула фермента может осуществить гидролиз 4200 молекул циклического гуанозинмонофосфата за 1 секунду.

Итак, стала ясной большая часть каскада возбуждения. Начальный шаг - это активация трансдуцина родопсином, возбужденным в результате поглощения кванта света. Родопсин вызывает освобождение из трансдуцина GDP. Освободившееся место занимает GTP, альфа-субъединица отделяется от остальной части белка, оставляя на себе GTP. Этот процесс длится всего лишь около миллисекунды

КАСКАД ВОЗБУЖДЕНИЯ начинается с поглощения фотона родопсином (вверху слева). Активированный родопсин (родопсин*) взаимодействует (вверху справа) с трансдуцином (Т), что приводит к обмену GDP на GТР, происходящему на а-субъединице трансдуцина. В результате аkmaf-субъединица отделяется от остальной (бета-гамма) части фермента (внизу справа). Трансдуцин снимает торможение с неактивной фосфодиэстеразы (РDЕ), по-видимому, удаляя ее гамма-субъединицу. Активированная фосфодиэстераза расщепляет множество молекул сGМР(внизу слева). Через некоторое время "встроенный таймер" альфа-субъединицы транс-дуцина расщепляет GTP с образованием GDP и альфа-субъединица воссоединяется с частицей бета-гамма. Фосфодиэстераза также восстанавливается. В то же время родопсин инактивируется и затем переходит в форму, готовую к активации.

В результате действия одной молекулы родопсина образуется несколько сотен активных комплексов альфа-субъединицы трансдуцина GTP, что является первой ступенью усиления. Затем альфа-субъединица трансдуцина, несущая GTP, активирует фосфодиэстеразу. На этой стадии усиления нет; каждая молекула альфасубъединицы трансдуцина связывает и соответственно активирует одну молекулу фосфодиэстеразы. Следующую стадию усиления обеспечивает пара трансдуцин-фосфодиэстераза, действующая как одно целое. альфа-Субъединица трансдуцина остается связанной с фосфоди-эстеразой до тех пор, пока та не расщепит 3'-5'-связь в циклическом гуанозинмонофосфате. Каждая активированная молекула фермента может осуществить превращение нескольких тысяч молекул GMP. Это усиление и усиление, обеспечиваемое родопсином, лежат в основе замечательного по своей эффективности преобразования, благодаря которому один единственный фотон вызывает вполне ощутимый нервный импульс.

Однако организм способен воспринимать свет многократно, значит, этот цикл должен и выключаться. Трансдуцин играет ключевую роль не только в активации, но и в деактивации. Его альфа-субъединица имеет, так сказать, встроенный таймер, который прерывает активированное состояние, превращая связанный GTP в GDP. Механизм действия этого таймера не совсем ясен. Известно, что гидролиз GTP с образованием GDP в фазе деактивации играет важную роль в осуществлении всего цикла. Реакции, ведущие к активации, энергетически выгодны. Напротив, некоторые реакции деактивации невыгодны; без превращения GTP в GDP система не может быть приведена в исходное состояние для новой активации.

Когда GTP расщепляется и образуется GDP, альфа-субъединица трансдуцина освобождает ингибирующую гамма-субъединицу фосфодиэстеразы. Потом гамма-субъединица опять связывается с фосфодиэстеразой, возвращая ее в состояние покоя. Трансдуцин восстанавливает свою доактивационную форму благодаря воссоединению субъединиц альфа и бета-гамма. Родопсин деактивируется с помощью фермента-киназы, распознающей его специфическую структуру. Этот фермент присоединяет фосфатные группы к нескольким аминокислотам на одном конце полипептидной цепи опсина. Родопсин затем образует комплекс с белком, называемым арестином, который блокирует связывание трансдуцина и возврашает систему назад в темновое состояние.

Исследования зрительного каскада в конце 1970-х и в начале 1980-х опирались в значительной мере на предположение о том, что циклический гуанозинмонофосфат открывает натриевые каналы в наружной мембране палочки и что его гидролиз приводит к их закрыванию. Однако о механизмах этих процессов было мало что известно. Действует ли cGMP на каналы прямо или же через какие-то промежуточные стадии? Определенный ответ на этот вопрос был получен в 1985 г. нашим соотечественником Е.Е. Фесенко с коллегами из Института биологической физики в Москве.

В опытах этих исследователей использовалась микропипетка, в которую затягивался маленький участок плазматической мембраны палочки. Он плотно прилипал к кончику пипетки и та сторона, которая в норме была обращена внутрь клетки, оказывалась наружной. Эту сторону мембраны омывали различными растворами и определяли их влияние на натриевую проводимость. Результаты были получены совершенно однозначные: каналы открываются непосредственно cGMP; другие вещества, включая ионы кальция, на них не влияют.

Блестящие эксперименты наших отечественных учёных нанесли последний удар по представлениям об ионах кальция как о медиаторе возбуждения и установили последнее звено в каскаде возбуждения. Окончательно обрисовался общий контур цепи возбуждения. Как и предполагалось, поток информации направлен от родопсина к трансдуцину, затем к фосфодиэстеразе и, наконец, к cGMP.

Хотя выяснение путей и механизмов каскада возбуждения принесло глубокое удовлетворение, ряд важных вопросов все еще остается без ответа. В частности, неясно, каким образом регулируется усилительный ответ каскада. Как говорилось выше, палочки значительно менее чувствительны на ярком свету, чем в темноте. Фоновое освещение должно как-то влиять на общий результат действия системы, т. е. на суммарное усиление, создаваемое на двух стадиях - при передаче сигнала от родопсина к трансдуцину и от фосфодиэстеразы к cGMP. Многое свидетельствует об участии ионов кальция в этом процессе, однако детали пока неизвестны.

Важно было также установить структуру натриевых каналов и механизмы, предотвращающие истощение циклического гуанозинмонофос-фата в клетке. Большой вклад в изучение первой проблемы внесли группы Б. Кауппа из института нейробиоло-гии при Оснабрюкском университете (ФРГ) и Либмана: они выделили управляемые cGMP каналы и реконструировали их функцию на модельных мембранах. Во второй проблеме ключевой элемент - это, вероятно, гуанилатциклаза - фермент, синтезирующий cGMP. Ясно, что должна существовать петля обратной связи, обеспечивающая после ответа на световой стимул восстановление концентрации cGMP до исходного уровня; не будь этого, клетка имела бы возможность сработать лишь несколько раз и тем надолго исчерпала бы способность к ответу. Природа такой петли, однако, остается неизвестной.

Результаты последних исследований, прояснившие вопросы, касающиеся зрительного каскада в палочках, имеют отношение и к иным типам клеток. Система преобразования светового сигнала в других фоторецепторных клетках - колбочках - сходна с таковой палочек. Давно известно, что в колбочках содержатся три аналогичных родопсину зрительных пигмента, отвечающих на свет определенной длины волны - красный, зеленый либо синий. В состав всех трех пигментов входит 11-цис-ретиналь. С применением методов молекулярной генетики было установлено, что структура у колбочковых пигментов такая же, как у родопсина. Трансдуцин, фосфодиэстераза и каналы, контролируемые cGMP, в колбочках и в палочках очень похожи. Вероятно, не за горами то время, когда цикл преобразования и передачи сигнала в колбочках будет разработан столь же детально, как и для палочек.

Значение каскада с участием циклического гуанозинмонофосфата не ограничивается зрением. Каскад возбуждения в палочках имеет заметное сходство с механизмом действия некоторых гормонов. Например, действие адреналина начинается с того, что он активирует фермент, называемый аденилатциклазой. Аденилатциклаза катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (сАМР), который служит внутриклеточным посредником для многих гормонов. Учёные обнаружили поразительный параллелизм с функционированием каскада возбуждения в палочках. Подобно тому как каскад возбуждения начинается с поглощения фотона родопсином, гормональный каскад начинается со связывания гормона специфическим рецептором, расположенным на поверхности клетки. Комплекс рецептор-гормон взаимодействует с так называемым G-белком, напоминающим трансдуцин. Такой же обмен связанных молекул, какой активирует трансдуцин (GTP на GDP), активирует и G-белок, когда он взаимодействует с комплексом рецептор-гормон. G-белок, как и трансдуцин, состоит из трех субъединиц. Аденилатциклаза активируется его альфа-субъединицей, снимающей тормозное влияние. Стимулирующее действие G-белка тоже прекращается благодаря встроенному таймеру, превращающему GTP в GDP.

Сходство трансдуцина и G-белков касается не только активности, но и структуры. Трансдуцин и G-белки принадлежат к одному семейству - семейству белков, передающих те или иные сигналы. Все идентифицированные к настоящему времени представители этой группы имеют практически одинаковую альфа-субъединицу. Кроме того, альфа-субъединица выполняет одну и ту же функцию, что показано сейчас на молекулярном уровне. Недавно в нескольких лабораториях установили нуклеотидные последовательности ДНК, кодирующих а-субъединицы трансдуцина и трех G-белков. Судя по ДНК, аминокислотные последовательности этих четырех полипептидных цепей примерно на половине своей длины идентичны или почти идентичны.

При сравнительном анализе генетической информации обнаружилось, что в составе альфа-субъединиц трансдуцина и G-белков имеются как участки, оставшиеся неизменными в ходе эволюции, так и сильно дивергировавшие области. В каждом белке имеются три места связывания: одно для гуаниловых нуклеотидов, одно для активированного рецептора (родопсина или комплекса гормон-рецептор) и одно для эффекторного белка (фосфодиэстеразы или аденилатциклазы). Места связывания GTP и GDP, как и следовало ожидать, исходя из их решающей роли в каскаде возбуждения, оказались наиболее консервативными.

Кроме того, оказалось, что GTP-связывающие участки этих белков напоминают одну область функционально совершенно иного белка, а именно так называемого фактора элонгации Tu. Этот белок играет важную роль в синтезе белков: он образует комплекс с GTP и с молекулами аминоацил-тРНК, а затем связывается с рибосомой, т. е. обеспечивает доставку аминокислот к месту удлинения синтезируемой полипептидной цепи. Цикл событий, происходящих с белком Tu в процессе его функционирования подобен трансдуциновому циклу. Цикл начинается расщеплением GTP. На молекуле Тu есть место связывания GTP, причем по аминокислотной последовательности оно очень сходно с участками связывания гуаниловых нуклеотидов в трансду-цине и различных G-белках.

Синтез белков - один из основных аспектов метаболизма клетки, и вероятно, что фактор элонгации Тu, участвующий в этом фундаментальном процессе, в ходе эволюции возник раньше, чем G-белки или родственный им трансдуцин. Тu мог бы быть предком и трансдуцина, и G-белков. Контролируемое высвобождение и связывание белков, сопряженное с обменом GTP на GDP, несомненно, сформировалось на ранних этапах эволюции; фактор элонгации Тu, возможно, представляет один из первых вариантов такого цикла.

Одна из удивительных особенностей эволюции заключается в том, что механизм, возникший применительно к определенной функции, может в дальнейшем изменяться и использоваться для совершенно иных функций. Именно это, и произошло с механизмом действия Тu. Сформировавшись в ходе эволюции для осуществления синтеза белка, он сохранялся на протяжении миллиардов лет и в конце концов вошел в систему передачи гормональных и сенсорных стимулов. В последние несколько лет одна из его функций - трансдуциновыи цикл - выяснена до мельчайших деталей. Результаты этих исследований вызывают глубокое удовлетворение. Впервые удалось на молекулярном уровне понять один из наиболее прецизионных сенсорных механизмов - механизм зрительного возбуждения.