Всего 3 аминокислоты разделяют красный и зеленый цвета

Фото из открытых источников

Красный и зеленый на первый взгляд не кажутся особенно похожими цветами, но восприятие их глазом удивительно схоже. Исследование, опубликованное в журнале Science и проведенное биохимиками из Нагойского технологического института в Японии, показало, насколько близки они на молекулярном уровне.

Как выяснила команда исследователей, для настройки колбочек в сетчатке на чувствительность к красному или зеленому свету достаточно различий всего в трех аминокислотах. Это открытие может помочь объяснить, почему красно-зеленая цветовая слепота так распространена, и потенциально привести к разработке новых методов ее лечения.

«В этом исследовании впервые описаны трехмерные структуры зрительных пигментов колбочек, чувствительных к красному и зеленому свету, у приматов в темном состоянии», — говорит Кота Катаяма, биохимик из Нагойского технологического института. «В долгосрочной перспективе эти знания могут помочь исследователям понять, как генетические вариации изменяют восприятие цвета и способствуют развитию нарушений цветового зрения и других расстройств зрения».

Человек относится к так называемым трихроматам, то есть в сетчатке глаза у нас три типа конусовидных клеток. Все они чувствительны к разным длинам волн света – красному, зеленому и синему – и, объединив миллионы из них, мы можем наслаждаться всеми знакомыми цветами радуги.

Разумеется, не у всех животных одинаковая система жизнеобеспечения. Собаки обладают дихроматическим зрением, остро различая желтые и синие цвета, но не различая красные и зеленые. Птицы же, напротив, имеют тетрахроматическое зрение, что открывает им мир совершенно новых цветов, которые мы даже не можем себе представить.

Но, согласно новому исследованию, нам следует считать себя счастливчиками, что мы вообще можем отличить сорт яблок «Гренни Смит» от «Ред Делишес». Все колбочки в человеческом глазу поглощают свет, используя одну и ту же основную молекулу, известную как 11-цис-ретиналь. Различия в том, какие длины волн они поглощают и какие цвета мы видим в результате, сводятся к мельчайшим вариациям в структуре белка.

«Особенно интересны пигменты, чувствительные к красному и зеленому свету: они различаются всего несколькими аминокислотными позициями, но пики поглощения света у них разделены примерно на 30 нанометров, что позволяет различать красный и зеленый цвета», — пишут исследователи. «Сочетая криоэлектронную микроскопию с вибрационной спектроскопией и квантово-химическим моделированием, мы стремились выяснить, как пигменты колбочек регулируют свою спектральную чувствительность».

Для исследования ученые обратились к макакам-крабоедам (Macaca fascicularis), виду приматов, обладающему очень похожим на человека трехцветным зрением. Они получили изображения красных и зеленых конусовидных пигментов у макак с помощью криоэлектронного микроскопа, а затем создали их цифровые модели.

Затем команда использовала эти цифровые версии для моделирования того, что произойдет с немного отличающимися версиями белков, и как это повлияет на поглощение света. 

В итоге учёные обнаружили, что почти вся разница в 30 нанометров между красным и зелёным пиками может быть объяснена вариациями всего лишь трёх аминокислот: A180S, F277Y и A285T.

Примечательно, что команда обнаружила, что эти аминокислоты не регулировали чувствительность колбочек к определенным цветам путем изменения физической формы белков. Вместо этого, они, по-видимому, изменяют электростатическую среду вокруг себя, что, в свою очередь, меняет то, какие длины волн поглощаются и в какой степени.

В ходе этого тщательного исследования также была обнаружена новая структура, которая может объяснить, почему ваше цветовое зрение не «ухудшается» после некоторого времени пребывания в ярко освещенном помещении. 

Известно, что колбочковые клетки быстро регенерируют после световой стимуляции, и это может быть связано с новым «отверстием» в структуре пигмента, которое обнаружила команда исследователей. Этого отверстия нет в родопсине — пигменте, который палочковые клетки глаза используют для зрения в условиях слабого освещения.

«Эти результаты связывают давние функциональные различия в цветовом зрении с конкретными структурными особенностями», — пишут исследователи. «Небольшие изменения последовательности регулируют цвет, изменяя электростатическое поле, воздействующее на хромофор сетчатки, в то время как различные пути доступа к мембране обеспечивают эффективный обмен хромофорами и быстрое восстановление».