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視桿細胞
位于眼球視網(wǎng)膜內的細胞
視桿細胞是位于眼球視網(wǎng)膜內的細胞，其作用是分辨黑白，動態(tài)信息。
基本信息
| 中文名 | 視桿細胞 |
| 外文名 | rod cell |
| 類型 | 視覺細胞 |
| 作用 | 分辨黑白，動態(tài)信息 |
簡介
視桿細胞
，稱為視桿，視桿外節(jié)的膜盤除基部少數(shù)膜盤仍與胞膜相連，其余大部分均在邊緣處與胞膜脫離，成為獨立的膜盤。膜盤的更新是由外節(jié)基部不斷產(chǎn)生，其頂端不斷被色素上皮細胞所吞噬。膜盤上鑲嵌有感光物質，稱視紫紅質(rhodopsin)，能感受弱光。視紫紅質是由11-順視黃醛（11-cisretinae）和視蛋白（oposin）組成，前者是維生素A的衍生物，當維生素A缺乏時，視紫紅質合成不足，則患夜盲癥。視桿細胞體較小，核圓形染色較深，其軸突末梢不分之呈球型，與雙極細胞的樹突形成突觸。
約翰·霍普金斯大學科學家領導的研究小組發(fā)現(xiàn)，眼睛感光的任務極有可能僅由三種細胞負責。
在2003年6月15日期《自然》雜志的網(wǎng)絡版上，研究小組報道，視錐細胞、視桿細胞和產(chǎn)生黑視蛋白的特殊視網(wǎng)膜細胞一起合作，包攬了小鼠對光強做出反應的全部工作。有其他研究人員提出產(chǎn)生感光色素cryptochrome的細胞也有感光作用，但霍普金斯的科學家表示，就小鼠而言，cryptochrome細胞沒有這個作用，在人類中恐怕也是如此。
“我們相當確信，視錐/視桿細胞系統(tǒng)和黑視蛋白系統(tǒng)是哺乳動物眼部唯一兩個感光系統(tǒng)。”約翰·霍普金斯大學基礎生物醫(yī)學科學研究所的神經(jīng)科學教授King-Wai Yau博士說?！坝肋h不要說永遠，但至少目前還沒有證據(jù)表明有第三個系統(tǒng)存在?！?/span>
視紫紅質分解
在實驗中，Yau和博士后研究人員Samer Hattar博士除去編碼三種關鍵蛋白的基因，三種蛋白中的每一種都有助于傳遞來自視桿細胞、視錐細胞和黑視蛋白細胞的光信息。早先，阻止小鼠模型視桿細胞、視錐細胞和產(chǎn)生視力的細胞的光信息傳遞的傳統(tǒng)方法是使視桿細胞和視錐細胞退化。
“但我們想避免傳統(tǒng)的視桿、視錐細胞退化孝小鼠模型所帶來的不確定性?！盚attar說。“在那個模型中，你無法確定視桿細胞和視錐細胞喪失的百分比，也無法確定退化的視網(wǎng)膜本身是否會影響你的觀察結果?！?/span>
與倫敦帝國學院的Robert Lucas合作，霍普金斯大學的研究人員證明，3基因敲除小鼠根本無法調節(jié)瞳孔對光做出反應。在多倫多大學進行的實驗中，文章合著者Nicholas Mrosovsky發(fā)現(xiàn)，3基因敲除小鼠暴露于光照中時，活躍水平的調節(jié)也不適當。而三種蛋白各含一半劑量的小鼠在兩個實驗中反應都正常。
“即使其內部生物鐘告訴它現(xiàn)在是夜晚，正常小鼠暴露于強光時也會表現(xiàn)得不太活躍，會藏起來甚至睡覺?！盰au說?！斑@被看作是動機發(fā)生改變，也許小鼠意識到在光照中--即使生物鐘告訴它們現(xiàn)在是夜晚，它們被捕食的機會更大。但3基因敲除小鼠好像在白天與夜晚一樣活躍?！?/span>
研究人員設計了另外一個實驗來排除cryptochrome蛋白有感光作用，據(jù)報道該蛋白與果蠅的感光有關。由于每個光敏蛋白都是對光的特征波長最敏感，因而將小鼠暴露于單波長光中可以揭示對眼睛的非視覺功能最重要的蛋白。
在這些在倫敦帝國學院進行的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的視桿/視錐細胞退化小鼠當暴露于黑視蛋白細胞而不是cryptochrome細胞感應的光時，“重設”內部生物鐘的能力最強。
“在果蠅中，有兩個以上系統(tǒng)負責感光，而在斑馬魚和鳥類等一些動物中，感光甚至不只局限于眼睛，而這對于傳統(tǒng)的視桿/視錐細胞退化小鼠而言是不可能的事情?！盚attar說。Hattar正在區(qū)分視桿細胞和視錐細胞在感光中所扮演的角色?！暗诓溉閯游镏?，所有這些功能--視力、生物鐘和光誘導活動，都存在于一個部位，那就是視網(wǎng)膜，并且僅由兩個系統(tǒng)、三類細胞完成?！?/span>
盲人的視桿細胞和視錐細胞喪失功能，但眼睛中產(chǎn)生黑視蛋白的細胞似乎仍能提供足夠的信息使身體和大腦與生物鐘協(xié)調一致。但如果完全失去雙眼，生物鐘就會遭到破壞。
視覺形成過程
哺乳動物光感受器細胞模式圖光感受器按其形狀可分為兩大類，即視桿細胞和視錐細胞。夜間活動的動物（如鼠）視網(wǎng)膜的光感受器以視桿細胞為主，而晝間活動的動物（如雞、松鼠等）則以視錐細胞為主。但大多數(shù)脊椎動物（包括人）則兩者兼而有之。視桿細胞在光線較暗時活動，有較高的光敏度，但不能作精細的空間分辨，且不參與色覺。在較明亮的環(huán)境中以視錐細胞為主，它能提供色覺以及精細視覺。這是視覺二元理論的核心。在人的視網(wǎng)膜中，視錐細胞約有600～800萬個，視桿細胞總數(shù)達1億以上。它們似以鑲嵌的形式分布在視網(wǎng)膜中；其分布是不均勻的，在視網(wǎng)膜黃斑部位的中央凹區(qū)，幾乎只有視錐細胞。這一區(qū)域有很高的空間分辨能力（視銳度，也叫視力）。它還有良好的色覺，對于視覺最為重要。中央凹以外區(qū)域，兩種細胞兼有，離中央凹越遠視桿細胞越多，視錐細胞則越少。在視神經(jīng)離開視網(wǎng)膜的部位（乳頭），由于沒有任何光感受器，便形成盲點。
視網(wǎng)膜內有感光細胞層，人類和大多數(shù)脊椎動物的感光細胞有視桿細胞和視錐細胞兩種。感光細胞可通過終足和雙極細胞發(fā)生突觸聯(lián)系，雙極細胞再和神經(jīng)節(jié)細胞聯(lián)系，由節(jié)細胞發(fā)生的突起在視網(wǎng)膜表面聚合成束，然后穿過脈絡膜和鞏膜后構成視神經(jīng)，視神經(jīng)出眼球后穿視神經(jīng)管入顱腔，經(jīng)視交叉連于間腦。
目前認為，物像落在視網(wǎng)膜上首先引起光化學反應，已從視網(wǎng)膜上提取出感光物質。這些物質在暗處呈紫紅色，受到光照時則迅速退色而轉變?yōu)榘咨?。如將蛙或兔放在暗室中，使動物眼朝向明亮的窗子一定時間，然后遮光立即摘出眼球，剔出視網(wǎng)膜，用適當化學物質如明礬處理視網(wǎng)膜，則可發(fā)現(xiàn)動物視網(wǎng)膜留有窗子的圖像，窗子的透光部分呈白色，窗框部分呈暗紅色。這些都說明視網(wǎng)膜上感光物質在光線作用下所出現(xiàn)的光化學反應。在感光細胞的大量研究中，對視桿細胞研究得比較清楚。視桿細胞的感光物質稱為視紫紅質，它由視蛋白和視黃醛結合而成。視黃醛由維生素A轉變而來。視紫紅質在光照時迅速分解為視蛋白和視黃醛，與此同時，可看到視桿細胞出現(xiàn)感受器電位，再引起其他視網(wǎng)膜細胞的活動。
視紫紅質在亮處分解，在暗處又可重新合成。人在暗處視物時，實際上既有視紫紅質的分解，又有它的合成。光線愈暗，合成過程愈超過分解過程，這是人在暗處能不斷看到物質的基礎。相反在強光作用下，視紫紅質分解增強，合成減少，視網(wǎng)膜中視紫紅質大為減少，因而對弱光的敏感度降低。故視桿細胞對弱光敏感，與黃昏暗視覺有關。視紫紅質在分解和再合成過程中，有一部分視黃醛將被消耗，主要靠血液中的維生素A補充。如維生素A缺乏，則將影響人在暗處的視力稱為夜盲癥。
結構
視桿細胞和視錐細胞
視桿細胞的視色素叫做視紫紅質，它具有一定的光譜吸收特性，在暗中呈粉紅色，每個視桿細胞外段包含109個視紫紅質分子，視紫紅質是一種色蛋白，由兩部分組成。其一是視蛋白，有348個氨基酸，分子量約為38000；另一部分為生色基團——視黃醛，是維生素A的醛類，因為存在若干碳的雙鍵，它具有幾種不同的空間構型。在暗處呈扭曲形的11-型異構體，但受光照后即轉變?yōu)橹本€形的全-反型異構體。后者不再能和視蛋白相結合，經(jīng)過一系列不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物后，視黃醛與視蛋白相分離。在這一過程中，視色素分子失去其顏色（漂白）。暗處它在酶的作用下，視黃醛又變?yōu)?1-順型，并重新與視蛋白相結合（復生），完成視覺循環(huán)。在強光照射后，視紫紅質大部分被漂白，其重新合成需要約1小時。隨著視紫紅質的復生，視網(wǎng)膜的對光敏感度逐漸恢復，這是暗適應的光化學基礎。當動物缺乏維生素A時，視覺循環(huán)受阻，會導致夜盲。
信息處理
視紫質化學反應圖解
視桿細胞的信號和視錐細胞的信號，在視網(wǎng)膜中的傳遞通路是相對獨立的，直到神經(jīng)節(jié)細胞才匯合起來。接收視桿細胞信號的雙極細胞只有一類（桿雙極細胞），但接收視錐細胞信號的雙極細胞，按其突觸的特征可分為陷入型和扁平型兩種，這兩種細胞具有不同的功能特性。在外網(wǎng)狀層，水平細胞在廣闊的范圍內從光感受器接收信號，并在突觸處與雙極細胞發(fā)生相互作用。此外，水平細胞還以向光感受器反饋的形式調制信號。在內網(wǎng)狀層雙極細胞的信號傳向神經(jīng)節(jié)細胞，而無長突細胞則把鄰近的雙極細胞聯(lián)系起來。視桿和視錐細胞信號的匯合也可能發(fā)生在無長突細胞。
感光原理
感光特點
光線進入眼睛后，首先通過角膜，然后分別透過房水、晶狀體和玻璃體。最后，光線到達眼睛的感光組織視網(wǎng)膜。視網(wǎng)膜中有兩種細胞分別叫做視桿細胞和視錐細胞。視桿細胞負責昏暗光線下的視物，而視錐細胞則負責處理色彩和細節(jié)。當光線接觸到這兩種細胞時，會發(fā)生一系列復雜的化學反應。形成的化學物質（活化視紫質）會在視神經(jīng)中產(chǎn)生電子脈沖。一般來說，視桿細胞的外段細長，而視錐細胞的外段更像是錐形。
感光物質
這兩種細胞的外段都含有感光性化學物質。在視桿細胞中，這種化學物質叫做視紫質；而視錐細胞中的則叫做色素。光線進入眼睛后，會接觸到感光性化學物質視紫質（也叫做視紫紅質）。視紫質是暗視蛋白和11-順式視黃醛的混合物，11-順式視黃醛來源于維生素A。因此，缺乏維生素A就會導致視力問題。視紫質遇光會發(fā)生分解，因為光會導致視紫質中的11-順式視黃醛發(fā)生物理變化，轉化為全反式視黃醛。第一個反應只需一萬億分之幾秒的時間。11-順式視黃醛是角狀分子，而全反式視黃醛是直線分子。因此，化學性質極不穩(wěn)定。視紫質可分解為幾種中間化合物，但最終（在不到一秒的時間里）會形成變視紫質II（活化視紫質）。這種化學物質能夠產(chǎn)生電子脈沖，電子脈沖傳輸?shù)酱竽X后，大腦將其解譯為光線。
視桿細胞
1.視桿細胞的細胞膜（外層）帶有電荷。當光線激活視紫質時，它就會導致環(huán)式GMP（鳥苷單磷酸）減少，而電荷隨之增加。這樣就會在細胞周圍產(chǎn)生電流。隨著光線的增多，就會有更多的視紫質被激活，也就會產(chǎn)生更強的電流。
2.最后，電子脈沖被傳到神經(jīng)節(jié)細胞，再傳到視神經(jīng)。
3.這些視神經(jīng)在視交叉處匯集。在這里，視網(wǎng)膜內部的神經(jīng)纖維會通往另一側大腦，而視網(wǎng)膜外部的神經(jīng)纖維則通往同側大腦。
最后，必須重新形成視紫質，才能重復進行產(chǎn)生視覺的過程。全反式視黃醛轉化成11-順式視黃醛，然后與暗視蛋白結合后，便形成視紫質，視紫質遇光后便會重新開始該過程。
感光換能機制
弱光條件下人眼所感到的光譜亮度曲線
（一）視紫紅質的光化學反應及其代謝
弱光條件下人眼所感到的光譜亮度曲線視紫紅質的分子量約為27-28kd，是一種與結合蛋白質，由一分子稱為視蛋白（opsin）的蛋白質和一分子稱為視黃醛（retnal）的生色基團所組成。視蛋白的肽鏈序列已搞清，它的肽鏈中有7段穿越所在膜結構、主要由疏水性氨基酸組成的α-螺旋區(qū)段，同一般的細胞膜受體具有類似的結構。視黃醛由維生素A變來，后者是一種不飽和醇，在體內一種酶的作用下可氧化成視黃醛。提純的視紫紅質在溶液中對500nm波長的光線吸收能力最強，這與人眼在弱光條件下對光就業(yè)上藍綠光區(qū)域（相當于500nm波長附近）感覺最明亮（不是感到了藍綠色）的事實相一致，說明人在暗視覺與視桿細胞中所含視紫紅質的光化學反應有直接的關系。
視紫紅質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。目前認為，分解的出現(xiàn)首先是由于視黃醛分子在光照時發(fā)生了分子構象的改變，即它在視紫紅質分子中本來呈11-順型（一種較為彎曲的構象），但在光照時變?yōu)槿葱停ㄒ环N較為直的分子構象）。視黃醛分子構象的這種改變，將導致視蛋白分子構象也發(fā)生改變，經(jīng)過較復雜的信號傳遞系統(tǒng)的活動，誘發(fā)視桿細胞出現(xiàn)感受器電位。據(jù)計算，一個光量子被視紫紅質吸收，就足以使視黃醛分子結構發(fā)生改變，導致視紫紅質最后分解為視蛋白和視黃醛。視紫紅質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，在暗處又可重新合成，亦即它是一個可逆反應，其反應的平衡點決定于光照的強度。視紫紅質再合成的第一步，是全反型的視黃醛變?yōu)?1-順型的視黃醛，很快再同視蛋白結合。此外，貯存在視網(wǎng)膜的色素細胞層中的維生素A也是全反型的，它們也可在耗能的情況下變成11-順型的，進入視桿細胞，然后再氧化成11-順型的視黃醛，參與視紫紅質的合成補充；但這個過程進行的速度較慢，不是促進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的分解，又有它的合成，這是人在暗光處能不斷視物的基礎；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，視紫紅質的分解增強，合成過程甚弱，這就使視網(wǎng)膜中有較多的視紫紅質處于分解狀態(tài)，使視桿細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，而在強光系統(tǒng)下視桿細胞中的視紫紅質較多地處于分解狀態(tài)時，視錐系統(tǒng)就代之而成為強光刺激的感受系統(tǒng)。在視紫紅質和再合成的過程中，有一部分視黃醛被消耗，這最終要靠由食物進入血液循環(huán)（相當部分貯存于肝）中的維生素A來補充。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。
視桿細胞外段的超微結構示意圖
視桿細胞外段的超微結構示意圖感光細胞的外段是進行光-電轉換的關鍵部位。視桿細胞外段具有特殊的超微結構。在外段部分，膜內的細胞漿甚少，絕大部分為一些整齊的重疊成層的圓盤狀結構所占據(jù)，這圓盤稱為視盤。每一個視盤是一個扁平的囊狀物，囊膜的結構和細胞膜類似，具有一般的脂質雙分子層結構，但其中鑲嵌著的蛋白質絕大部分是視紫紅質，亦即視桿細胞所含的視紫紅質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胞中相差很大，人的每個視桿細胞外段中它們的數(shù)目近千；每一個視盤所含的視紫紅質分子約有100萬個。這樣的結構顯然有利于使進入視網(wǎng)膜的光量子有更大的機會在外段中碰到視紫紅質分子。
哺乳動物光感受器細胞模式
光子的吸收引起外段膜出現(xiàn)超極化電反應的機制已基本搞清，這就是光量子被作為受體的視紫紅質吸收后引起視蛋白分子的變構，又激海參了視盤膜中一種稱為傳遞蛋白（transducin）Ct的中介物，后者在結構上屬于G-蛋白家庭的一員，它激活的結果是進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，于是光照的結果出現(xiàn)了記錄到的超極化型感受器電位。據(jù)估計，一個視紫紅質被激活時，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門控式Na+通道的關閉，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。
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