Основная информация, получаемая организмами об окружающей среде, воспринимается органами зрения и обоняния. В первом случае носителем информации об окружающей среде является электромагнитное поле (свет), а во втором случае – молекулы летучих веществ.

В электромагнитом поле информация об окружающей среде закодирована изменением амплитуды, частоты или поляризации отраженного от окружающих предметов солнечного света; летучие вещества, регистрируемые системой обоняния, чаще всего входят в состав предметов окружающей среды и характеризуют химический состав этих предметов.

Основным элементом органов зрения и обоняния организмов, воспринимающих информацию об окружающей среде, являются сенсорные рецепторные клетки (фоторецепторные клетки и обонятельные нейроны). Функция рецепторной клетки – взаимодействовать с электромагнитным полем или веществом (молекулой вещества) и преобразовывать это взаимодействие в изменение потенциала клетки. Это изменение потенциала клетки передается в мозг, где обрабатывается и «интерпретируется».

Процессы, протекающие в клетке после взаимодействия с сигналом из окружающей среды, представляют собой цепь сложных последовательных реакций.

Первый этап зрительной рецепции – акт взаимодействия фотона с фоторецепторным центром клетки – молекулой 11-цис ретиналя и ее цис-транс-изомеризация, первичный акт обоняния – образование комплекса молекулы одоранта из внешней среды с хеморецепторным центром в обонятельном нейроне.

Рецепторные центры в обоих случаях встроены в соответствующие мембранные белки. Можно говорить о том, что внешний сигнал оставляет «отпечаток» на рецепторном белке. Рецепторные центры и «отпечатки» локализованы в пространстве и занимают место размером около 10 А. Время, в течение которого происходит этот первый этап (фотоизомеризация и образование комплекса), составляет 100–200 фс.

Таким образом, первая стадия биорецепции происходит в квантовом мире и подчиняется законам квантовой механики.

Второй этап рецепции – «отклик» рецепторного белка на внешний стимул, связан с изменением конформации рецепторного белка. Для фоторецепции запасенная в первичном акте энергия приводит в дальнейшем к изменению конформации родопсина (превращению родопсин – метародопсинII).

Конформация белка протекает медленно и завершается через 12 мс. Считается, что при этой конформации изменяется взаимная ориентация альфа-спиралей белка и пространственное положение цитоплазматических петель белка. Подобные конформационные изменения наблюдаются и в одорантных белках.

Активированный рецепторный белок инициирует каталитический процесс, приводящий к изменению концентрации катионов внутри клетки и изменению потенциала рецепторного нейрона.

Эта третья стадия рецепции протекает в рецепторной клетке, размер которой 50–100 мк. При фоторецепции в темноте каналы открыты и закрываются при фотолизе, в то время как для обонятельных рецепторных нейронов каналы закрыты в отсутствие одорантов и активируются при воздействии одоранта, увеличивая концентрацию ионов в клетке. Изменение потенциала клетки по аксону передается в мозг, где сигнал распознается и запоминается. Таким образом, сигнал внешнего мира (фотон, молекула одоранта) взаимодействует с системой рецепции на «пространстве», которое ограничено масштабом в несколько ангстрем, и затем последовательно активируется наноструктура и микроструктура.

По существу, рецепторные белки являются интерфейсом между организмом и внешним миром. Необходимо отметить, что этот интерфейс настолько совершенен, что позволяет в случае зрительной рецепции определять не только число падающих фотонов, но различать фотоны, близкие по энергии, и определять поляризацию света. В случае обоняния рецепторные белки позволяют различать близкие по составу и структуре одоранты.

Возникает вопрос, почему именно наноразмерная структура (белок) используется природой в качестве интерфейса для регистрации между организмом и внешним миром?

Если рассматривать мембранный белок как нанокластер, то ответ на этот вопрос, возможно, следует из нижеперечисленных соображений. Для изменения конформации белка при поглощении света родопсином или при сорбции одоранта рецепторным центром белка необходимо, чтобы в этих актах выделялась энергия, достаточная для плавления (расширения) белковой глобулы. С другой стороны, известно, что температура плавления нанокластеров меньше, чем температура плавления массивного образца. Поэтому использование наноструктур в качестве интерфейса позволяет осуществлять необходимые конформационные перестройки белка одним фотоном света или одной молекулой одоранта.

Автор: главный редактор, академик РАН М.В. АЛФИМОВ.