四、視桿細(xì)胞的感光換能機(jī)制
從上世紀(jì)末開始，有人就從視網(wǎng)膜中提取出了一定純度的感光色素即視紫紅質(zhì)，它在暗處呈紅色；實驗中還可以證明，提取出來的這種感光色素對不同波長光線的吸收光譜，基本上和晚光覺對光譜不同部分的敏感性曲線相一致（圖9-7)。這一事實十分重要，因為既然光線對某種感光色素的光化學(xué)作用的強(qiáng)度正好與這些光線所引起的視覺的強(qiáng)度相一致，那就是提示前者可能是后者的基礎(chǔ)。
（一)視紫紅質(zhì)的光化學(xué)反應(yīng)及其代謝
視紫紅質(zhì)的分子量約為27-28kd，是一種與結(jié)合蛋白質(zhì)，由一分子稱為視蛋白（opsin)的蛋白質(zhì)和一分子稱為視黃醛（retnal)的生色基團(tuán)所組成。視蛋白的肽鏈序列已搞清，它的肽鏈中有7段穿越所在膜結(jié)構(gòu)、主要由疏水性氨基酸組成的α-螺旋區(qū)段，同一般的細(xì)胞膜受體具有類似的結(jié)構(gòu)。視黃醛由維生素A變來，后者是一種不飽和醇，在體內(nèi)一種酶的作用下可氧化成視黃醛。提純的視紫紅質(zhì)在溶液中對500nm波長的光線吸收能力最強(qiáng)，這與人眼在弱光條件下對光就業(yè)上藍(lán)綠光區(qū)域（相當(dāng)于500nm波長附近)感覺最明亮（不是感到了藍(lán)綠色)的事實相一致（圖9-7)，說明人在暗視覺與視桿細(xì)胞中所含視紫紅質(zhì)的光化學(xué)反應(yīng)有直接的關(guān)系。
圖9-7弱光條件下人眼所感到的光譜亮度曲線和實驗條件下
視紫紅質(zhì)對光譜不同部分的吸收曲線視覺中最明亮的區(qū)域和視紫紅制裁
吸收能力最強(qiáng)的部分都在500nm的波長附近
視紫紅質(zhì)在光照時迅速分解為視蛋白和視黃醛，這是一個多階段的反應(yīng)。目前認(rèn)為，分解的出現(xiàn)首先是由于視黃醛分子在光照時發(fā)生了分子構(gòu)象的改變，即它在視紫紅質(zhì)分子中本來呈11-順型（一種較為彎曲的構(gòu)象)，但在光照時變?yōu)槿葱停ㄒ环N較為直的分子構(gòu)象)。視黃醛分子構(gòu)象的這種改變，將導(dǎo)致視蛋白分子構(gòu)象也發(fā)生改變，經(jīng)過較復(fù)雜的信號傳遞系統(tǒng)的活動，誘發(fā)視桿細(xì)胞出現(xiàn)感受器電位。據(jù)計算，一個光量子被視紫紅質(zhì)吸收，就足以使視黃醛分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致視紫紅質(zhì)最后分解為視蛋白和視黃醛。視紫紅質(zhì)分解的某些階段伴有能量的釋放，但這看來不是誘發(fā)感受器電位的直接原因。
在亮處分解的視紫紅質(zhì)，在暗處又可重新合成，亦即它是一個可逆反應(yīng)，其反應(yīng)的平衡點決定于光照的強(qiáng)度。視紫紅質(zhì)再合成的第一步，是全反型的視黃醛變?yōu)?1-順型的視黃醛，很快再同視蛋白結(jié)合。此外，貯存在視網(wǎng)膜的色素細(xì)胞層中的維生素A也是全反型的，它們也可在耗能的情況下變成11-順型的，進(jìn)入視桿細(xì)胞，然后再氧化成11-順型的視黃醛，參與視紫紅質(zhì)的合成補(bǔ)充；但這個過程進(jìn)行的速度較慢，不是促進(jìn)視紫紅制裁再合成的即時因素。人在暗處視物時，實際是既有視紫紅質(zhì)的分解，又有它的合成，這是人在暗光處能不斷視物的基礎(chǔ)；光線愈暗，全盛過程愈超過分解過程，視網(wǎng)膜中處于合成狀態(tài)的視紫紅質(zhì)數(shù)量也愈高，這也使視網(wǎng)膜對弱光愈敏感；相反，人在亮光處時，視紫紅質(zhì)的分解增強(qiáng)，合成過程甚弱，這就使視網(wǎng)膜中有較多的視紫紅質(zhì)處于分解狀態(tài)，使視桿細(xì)胞幾乎失去了感受光刺激的能力；事實上，人的視覺在亮光處是靠另一種對光刺激較不敏感的感光系統(tǒng)即視錐來完成的，后一系統(tǒng)在弱光時不足以被刺激，而在強(qiáng)光系統(tǒng)下視桿細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)較多地處于分解狀態(tài)時，視錐系統(tǒng)就代之而成為強(qiáng)光刺激的感受系統(tǒng)。在視紫紅質(zhì)和再合成的過程中，有一部分視黃醛被消耗，這最終要靠由食物進(jìn)入血液循環(huán)（相當(dāng)部分貯存于肝)中的維生素A來補(bǔ)充。長期攝入維生素A不足，將會影響人在暗光處的視力，引起夜盲癥。
（二)視桿細(xì)胞外段的超微結(jié)構(gòu)和感受器電位的產(chǎn)生
感光細(xì)胞的外段是進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位。視桿細(xì)胞外段具有特殊的超微結(jié)構(gòu)，如圖9-8所示。在外段部分，膜內(nèi)的細(xì)胞漿甚少，絕大部分為一些整齊的重疊成層的圓盤狀結(jié)構(gòu)所占據(jù)，這圓盤稱為視盤。每一個視盤是一個扁平的囊狀物，囊膜的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜類似，具有一般的脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)，但其中鑲嵌著的蛋白質(zhì)絕大部分是視紫紅質(zhì)，亦即視桿細(xì)胞所含的視紫紅質(zhì)實際上幾乎全部集中在視盤膜中。視盤的數(shù)目在不同動物的視桿細(xì)胞中相差很大，人的每個視桿細(xì)胞外段中它們的數(shù)目近千；每一個視盤所含的視紫紅質(zhì)分子約有100萬個。這樣的結(jié)構(gòu)顯然有利于使進(jìn)入視網(wǎng)膜的光量子有更大的機(jī)會在外段中碰到視紫紅質(zhì)分子。
圖9-8 視桿細(xì)胞外段的超微結(jié)構(gòu)示意圖
有人用細(xì)胞內(nèi)微電極技術(shù)，研究了視桿細(xì)胞外段內(nèi)外的電位差在光照前后的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在視網(wǎng)膜未經(jīng)照射時，視桿細(xì)胞的靜息電位只有-30?/FONT>-40mV，比一般細(xì)胞小得多。經(jīng)分析表明，這是由于外段膜在無光照時，就有相當(dāng)數(shù)量的Na+通道處于開放狀態(tài)并有持續(xù)的Na+內(nèi)流所造成，而內(nèi)段膜有Na+泵的連續(xù)活動將Na+移出膜外，這樣就維持了膜內(nèi)外的Na+平衡。當(dāng)視網(wǎng)膜受到光照時，可看到外段膜兩側(cè)電位短暫地向超極化的方向變化，由此可見，外段膜同一般的細(xì)胞膜不一致，它是在暗處或無光照時處于去極化狀態(tài)，而在受到光刺激時，跨膜電痊反而向超極化方向變化，因此視桿細(xì)胞的感受器電位（視錐細(xì)胞也一樣)，表現(xiàn)為一種超極化型的慢電位，這在所有被研究過的發(fā)生器或感受器電位中是特殊的，它們一般都表現(xiàn)為膜的暫時去極化。
光子的吸收引起外段膜出現(xiàn)超極化電反應(yīng)的機(jī)制已基本搞清，這就是光量子被作為受體的視紫紅質(zhì)吸收后引起視蛋白分子的變構(gòu)，又激海參了視盤膜中一種稱為傳遞蛋白（transducin)Ct的中介物，后者在結(jié)構(gòu)上屬于G-蛋白家庭的一員，它激活的結(jié)果是進(jìn)而激活附近的磷酸二酯酶，于是使外段部分胞漿中的cGMP大量分解，而胞漿中cGMP的分解，就使未受光刺激時結(jié)合于外段膜的cGMP由也膜解離而被分解，而cGMP在膜上的存在正是這膜中存在的化學(xué)門控式Na+通道開放的條件，膜上cGMP減少，Na+通道開放減少，于是光照的結(jié)果出現(xiàn)了我們記錄到的超極化型感受器電位。據(jù)估計，一個視紫紅質(zhì)被激活時，可使約500個傳遞蛋白被激活；雖然傳遞蛋白激活磷酸二酯酶是1對1的，但一個激活了的磷酸二酯酶在一秒鐘內(nèi)大約可使4千多個cGMP分子降解。由于酶系統(tǒng)的這種生物放大作用，就可以說明1個光量子的作用何以能在外段膜上引起大量化學(xué)門控式Na+通道的關(guān)閉，引起一個足以為人的視覺系統(tǒng)所感知的超極化型電變化。
視桿細(xì)胞外段和整個視桿細(xì)胞都沒有產(chǎn)生動作電位的能力，由光刺激在外段膜上引起的感受器電位只能以電緊張性的擴(kuò)布到達(dá)它的終足部分，影響終點（相當(dāng)于軸突末稍)外的遞質(zhì)釋放。
五、視錐系統(tǒng)的換能和顏色視覺
視錐系統(tǒng)外段也具有與視桿細(xì)胞類似的盤狀結(jié)構(gòu)，并含有特殊的感光色素，但分子數(shù)目較少。已知，大多數(shù)脊椎動物具有三種不同的視錐色素，各存在于不同的視錐細(xì)胞中。三種視錐色素都含有同樣的11-順型視黃醛，只是視蛋白的分子結(jié)構(gòu)稍有不同�？磥硎且暤鞍追肿咏Y(jié)構(gòu)中的微小差異，決定了同它結(jié)合在一起的視黃醛分子對何種波長的光線最為敏感，因而才有視桿細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)和三種不同的視錐色素的區(qū)別。光線作用于視錐細(xì)胞外段時，在它們的外段膜兩側(cè)也發(fā)生現(xiàn)視桿細(xì)胞類似的超級化型感受器電位，作為光-電轉(zhuǎn)換的第一步。目前認(rèn)為視錐細(xì)胞外段的換能機(jī)制，也與視桿細(xì)胞類似。
視錐細(xì)胞功能的重要特點，是它有辨別顏色的能力。顏色視覺是一種復(fù)雜的物理-心理現(xiàn)象，顏色的不同，主要是不同波長的光線作用于視網(wǎng)膜后在人腦引起的主觀印象。人眼一般可在光譜上區(qū)分出紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等七種顏色，每種顏色都與一定波長的光線相對應(yīng)；但仔細(xì)的檢查可以發(fā)現(xiàn)，單是人眼在光譜可區(qū)分的色澤實際不下150種，說明在可見光譜的范圍內(nèi)波長長度只要有3-5nm的增減，就可被視覺系統(tǒng)分辨為不同的顏色。很明顯，設(shè)想在視網(wǎng)膜中存在上百種對不同波長的光線起反應(yīng)的視錐細(xì)胞或感光色素，是不大可能的。但物理學(xué)上從牛頓的時代或更早就知道，一種顏色不僅可能由某一固定波長的光線所引起，而且可以由兩種或更多種其他波長光線的混合作用而引起。例如，把光譜上的七色光在所謂牛頓色盤上旋轉(zhuǎn)，可以在人眼引起白色的感覺；用紅、綠、藍(lán)三種色光（不是這三種顏色的顏料)作適當(dāng)混合，可以引起光譜上所有任何顏色的感覺。這后一現(xiàn)象特別重要；這種所謂三原色混合原理不僅早已廣泛地應(yīng)用于彩色照像、彩色電視等方面，而且被用于說明顏色視覺的產(chǎn)生原理本身。早在上世紀(jì)初，Young（1809)和Helmholtz（1824)就提出了視覺的三原色學(xué)說，設(shè)想在視網(wǎng)膜中存在著分別對紅、紅、藍(lán)的光線特別敏感的三種視錐細(xì)胞或相應(yīng)的三種感光色素，并且設(shè)想當(dāng)光譜上波和介于這三者之間的光線作用于視網(wǎng)膜時，這些光線可對敏感波長與之相近兩種視錐細(xì)胞或感光色素起不同程度的刺激作用，于是在中樞引起介于此二原色之間的其他顏色的感覺。視覺三原色學(xué)說用較簡單的生物感受結(jié)構(gòu)的假設(shè)說明了復(fù)雜的色覺現(xiàn)象，一般為多數(shù)人所接受；但在實驗中試圖尋找出游同種類的視錐細(xì)胞或感光色素長時間未獲成功。用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡不能發(fā)現(xiàn)視錐細(xì)胞之間在結(jié)構(gòu)上有什么不同，同時也未能用一般的化學(xué)方法分離郵不同的視錐感光色素。
70年代以來，由于實驗技術(shù)的進(jìn)步，關(guān)于視網(wǎng)膜中有三種對不同波長光線特別敏感的視錐細(xì)胞的假說，已經(jīng)被許多出色的實驗所證實，例如，有人用不超過單個視錐直徑的細(xì)小單色光束，逐個檢查并繪制在體（最初實驗是在金公和蠑螈等動物進(jìn)行，以后是人)視錐細(xì)胞的光譜吸收曲線，發(fā)現(xiàn)所有繪制出來的曲線不外三種類型，分別代表了三類光譜吸收特性不同的視錐細(xì)胞，一類的吸收峰值在420nm外，一類在531nm外，一類在558nm外，差不多正好相當(dāng)于藍(lán)、綠、紅三色光的波長，和上述視覺三原色學(xué)說的假設(shè)相符。用微電極記錄單個視錐細(xì)胞感受器電位的方法，也得到了類似的結(jié)果，即不同單分光引起的超極化型感受器電位的大小，在不同視錐細(xì)胞是不一樣的（圖9-9)，峰值出現(xiàn)的情況符合于三原色學(xué)說。
圖9-9 人視網(wǎng)膜中三種不同視錐細(xì)胞的光譜相對敏感性
三原色學(xué)說和它的實驗依據(jù)，大體上可以說明臨床上遇到的所謂色盲和色弱的可能發(fā)病機(jī)制。紅色盲也稱第一色盲，被認(rèn)為是由于缺乏對較長波長光線敏感的視錐細(xì)胞所致；此外還有綠色盲，也稱第二色盲，藍(lán)色盲也稱第三原色盲，都可能是由于缺乏相應(yīng)的特殊視錐細(xì)胞所致。紅色盲和綠色盲較為多見，在臨床上都不加以區(qū)別地稱為紅綠色盲；藍(lán)色盲則極少見。色盲患者的顏色不僅不能識別綠色，也不能區(qū)分紅也綠之間、綠與藍(lán)之間的顏色等。有些色覺異常的人，只是對某種顏色的識別能力差一些，亦即他們不是由于缺乏某種視錐細(xì)胞，而只是后者的反應(yīng)能力較正常人為弱的結(jié)果，這種情況有別于真正的色盲，稱為色弱。色盲除了極少數(shù)可以由于視網(wǎng)膜后天病變引起外，絕大多數(shù)是由遺傳因素決定的。
三原色學(xué)說雖然比較圓滿地說明許多色覺現(xiàn)象和色盲產(chǎn)生的原因，并已在光感受細(xì)胞的一級得到了實驗證實，但并不能解釋所有的顏色視覺現(xiàn)象，如顏色對比現(xiàn)象就是一個例子。試將藍(lán)色的小紙塊放在黃色或其它顏色的背景上，會覺得放在黃色背景上那個藍(lán)紙塊特別藍(lán)，同時覺得背景也比未放藍(lán)紙塊時更黃（在我國北方的黃土高原，當(dāng)春天的風(fēng)造成黃塵蔽日的情況時，會覺得平常的日晃燈管的光線變得較藍(lán)了)。這種現(xiàn)象稱為顏色對比，而黃和藍(lán)則稱為對比色或互補(bǔ)色。顏色對比現(xiàn)象只出現(xiàn)對比色之間，而不是任意的兩種顏色之間。互為對比色的顏色對尚有：紅一綠以及黑和白。根據(jù)顏色對比等不容易用三原色學(xué)說圓滿視覺現(xiàn)象，幾乎是在三原色學(xué)說提出的同時就出現(xiàn)了另一種色覺學(xué)說，稱為對比色學(xué)說（Hering,1876)。該學(xué)說提出在視網(wǎng)膜中存在著三種物質(zhì)，各對一組對比色的刺激起性質(zhì)相反的反應(yīng)。如前所述，近年來在視錐細(xì)胞一級進(jìn)行的研究有利于三原色學(xué)說而不利于對比色學(xué)說，但后來在視網(wǎng)膜其它層細(xì)胞進(jìn)行的一些實驗卻又符合對比色學(xué)說的推測。如在金魚水平細(xì)胞進(jìn)行的微電極研究說明，此類細(xì)胞和視桿、視錐細(xì)胞不同，既能出現(xiàn)超極化的跨膜電位改變，也能出現(xiàn)去極化型的電位改變，而且在用多種不同色光刺激時發(fā)現(xiàn)，有些水平細(xì)胞在黃光刺激時出現(xiàn)最大的去極化反應(yīng)，在藍(lán)光刺激時出出現(xiàn)最大的超極化型反應(yīng)；另一些水平細(xì)胞則在紅和綠色刺激時有類似的不同反應(yīng)。這些現(xiàn)象是同對比色學(xué)說一致的�？磥砜赡艿氖�，各以部分色覺現(xiàn)象為出發(fā)點的兩種色覺學(xué)說都是部分正確的，在視錐細(xì)胞一級，不同色光以引起三種不同視錐細(xì)胞產(chǎn)生不同大小的超極化型電變化進(jìn)行編碼；但到了水平細(xì)胞一級或其它級細(xì)胞（包括某些中樞神經(jīng)元)，信息又進(jìn)行重新編碼，不同顏色雙可以用同細(xì)胞對互為對比色的顏色出現(xiàn)相反形式的電反應(yīng)來編碼。以上事實說明，顏色視覺的引起是一個十分復(fù)雜的過程，它需要有從視網(wǎng)膜視錐細(xì)胞到皮層神經(jīng)元的多級神經(jīng)成分的參與才能完成。
