Aktualności
Badania
22 Marca
Źródło: www.pixabay.com
Opublikowano: 2024-03-22

Błysk w oku

Zespół badaczy pod kierunkiem prof. Wiesława Gruszeckiego z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie odkrył nowy mechanizm reakcji oka na światło, przypominający działanie żaluzji. Odpowiedzialne za niego są barwniki ksantofilowe obecne w siatkówce oka, m.in. luteina.

Wbrew powszechnemu przekonaniu, nie wszystkie chlorofile są zielone, np. najbardziej popularny chlorofil a jest niebieskawy. „Swoją” zieleń zawdzięcza obecnym razem z nim w roślinach karotenoidom. Podobnie jak malarz na palecie tworzy barwy pochodne z podstawowych, tak niebieski chlorofil miesza się z żółtą luteiną i innymi barwnikami karotenoidowymi i tworzy kolor zielony. Gdy jesienią zegar biologiczny wyłączy syntezę chlorofilu, na wierzch wychodzą karetonoidy, a liście żółkną. Chlorofil nie jest w stanie przetrwać w komórkach, bo niszczą go reaktywne formy tlenu. Karotenoidy chronią go przed tą reakcją, wykazując działanie fotoprotekcyjne.

Od lat badania nad ksantofilami (klasa karotenoidów, charakteryzujących się obecnością grup tlenowych), do których należą luteina i zeaksantyna, prowadzi prof. Wiesław Gruszecki z Katedry Biofizyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej. Wraz z zespołem badał początkowo rolę karotenoidów w procesie fotosyntezy. Jednak z czasem rozszerzył pole badań.

Zainteresowało nas to, czy mechanizmy, które odkrywamy w liściach, zachodzą również w oku. Wówczas już było wiadomo, że w plamce żółtej są luteina i zeaksantyna, że człowiek nie potrafi ich sam syntetyzować, a zatem muszą one trafić do naszego organizmu z pożywienia, z diety – tłumaczy prof. Gruszecki.

Nagły błysk światła, np. flesza fotograficznego, powoduje, że mrużymy oczy, a czasami nawet na chwilę przestajemy widzieć, blask nas  oślepia. Co sprawia, że człowiek nie traci wzroku w podobnych sytuacjach?

W oku mamy co najmniej dwa mechanizmy obronne. Jeden to fizyczne zmniejszanie się źrenicy. Drugi zawdzięczamy luteinie i zeaksantynie, znajdującym się w plamce żółtej siatkówki. Ten niewielki obszar odpowiada za widzenie centralne (ostrość), barwne (rozróżnianie kolorów) i precyzyjne (dostrzeganie detali). Służą do tego tzw. czopki, czyli gęsto upakowane na małym obszarze fotoreceptory ukryte pod osłoną z warstwy dwóch wspomnianych barwników nadających jej żółtą barwę. Jest tam sto razy większe stężenie tych ksantofili niż w pozostałej części siatkówki. Źrenica, która jest pierwszą barierą przed nadmiarem światła zmniejsza się w granicach 7 do 2 milimetrów. Dalej nie może, bowiem wskutek zjawiska dyfrakcji, czyli ugięcia światła na szczelinie, przestawalibyśmy widzieć wyraźnie. W tym momencie do akcji ochrony siatkówki przed namiarem światła wkraczają luteina i zeaksantyna, zgromadzone w plamce żółtej. Reakcje fotofizyczne, które w nich zachodzą, są bardzo szybkie, to czasy rzędu wielkości nanosekund (miliardowych części sekundy). Zwężanie źrenicy jest dość wolne (czasy długości minut), co wynika z faktu, że oko musi się upewnić, że poziom wyższej intensywności światła jest trwały, że nie jest to przypadkowy, krótkotrwały błysk.

Fotoreceptory siatkówki zostałyby uszkodzone w momencie gwałtownego błysku, mamy nawet chwilę niewidzenia po błysku, ale chronią nas te dwa barwniki. Udało nam się zaobserwować reakcje ochronne polegające na indukowanej światłem konwersji luteiny i zeaksantyny w plamce żółtej w czasach krótszych niż 10-4 sekundy – wyjaśnia prof. Wiesław Gruszecki. – Sama fotoizomeryzacja jest z pewnością jeszcze szybsza. Proces ten zachodzi w dwóch etapach. Najpierw mamy fotoizomeryzację z formy trans do cis, czyli „przełamanie” cząstki karotenoidu. W wyniku tego następuje reorientacja molekuły w błonie, która bezpośrednio przekłada się na właściwość pochłaniania światła, a dzięki temu ochrony fotoreceptorów plamki żółtej w oku.

Badania wymagały współpracy z okulistami, w tym przypadku z zespołem prof. Roberta Rejdaka z Uniwersytetu Medycznego w Lublinie. Oprócz tego naukowcy z UMCS zaprosili do współpracy chemików obliczeniowych z Politechniki Gdańskiej na czele z prof. Jackiem Czubem. Ci sprawdzili, czy to wszystko, co zaobserwowali lubelscy biofizycy, jest możliwe teoretycznie pod względem energetycznym. Okazało się, że i od strony eksperymentu, i od strony obliczeń dochodzi się do tego samego punktu.

Taki wielodyscyplinowy zespół udało się skrzyknąć dzięki projektowi TEAM z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Reorientację widzieliśmy w eksperymencie raczej dzięki interpretacji wyników spektroskopowych niż bezpośrednio, a obliczenia ją potwierdziły. Dzięki temu zaczęliśmy weryfikować, czy to się dzieje także w prawdziwej siatkówce, a nie tylko w układach modelowych. Wcześniej wiedziano, że te barwniki są w siatkówce i że bez nich tracimy wzrok. Zwyrodnienie siatkówki związane z wiekiem jest związane z brakiem karotenoidów w diecie. Ich podanie natychmiast zatrzymuje postęp degradacji, ale nie można tego procesu odwrócić – zaznacza lubelski biofizyk.

Światło, aby trafić do fotoreceptorów, musi przejść przez te wewnętrzne „okulary przeciwsłoneczne”, które tworzą w plamce żółtej ksantofile. Co ciekawe, gdy mierzono parametry słabym światłem, tych barwników nie było widać, plamka żółta była niemalże przezroczysta.

Zatem ten filtr jest dynamiczny, dostosowuje się do potrzeb. Gdyby nie ten mechanizm, to po błysku flesza moglibyśmy stracić wzrok, a przecież tak się nie dzieje. Nazywamy go mechanizmem molekularnym, gdyż każda cząsteczka tych barwników musi ulec izomeryzacji i przekształceniu, a dopiero suma tych zdarzeń daje efekt ochrony wzroku – podkreśla prof. Gruszecki. – W innych mechanizmach, np. w widzeniu, jedna cząsteczka retinalu może wskutek fotoizomeryzacji uruchomić proces widzenia – wyskakując z białka receptorowego uruchamia całą kaskadę procesów i zaczynamy widzieć. W ochronie siatkówki mamy do czynienia z efektem ilościowym, statystycznym – dodaje.

Gdy badacze z UMCS uzyskali te wyniki, nikt nie chciał ich opublikować. Nie dlatego, że były negatywne recenzje, po prostu w najlepszych czasopismach odmawiano im dyskusji nad artykułami. Po przetrzymaniu tekstu przez kilka tygodni bez recenzji, otrzymywali odmowę.

Zapewne wyniki uznano za mocne i obawiano się wejścia w ślepą uliczkę, a nam zależało na opiniach recenzentów. To było moje pierwsze takie doświadczenie – mówi W. Gruszecki.

Czas płynął. Uczony uznał, że należy zejść z wymaganiami publikacyjnymi o półkę niżej, ale nadal do porządnego czasopisma, aby nawiązać kontakt z wymagającymi recenzentami. Wyniki w końcu ujrzały światło dzienne w postaci publikacji w The Journal of Physical Chemistry.

Teraz lubelscy biofizycy chcą pójść dalej. Sprawdzają, czy luteina i zeaksantyna oddziałują z retinalem, czyli barwnikiem podstawowym w fotoreceptorach, który dużą część spędza w błonie lipidowej, w której osadzone są białka fotoreceptorów. Jest tam bardzo duże stężenie tlenu, gdyż procesy widzenia wymagają dużo energii, a w takim środowisku retinal mógłby zostać wybielony. Może zatem to ksantofile chronią go przed utlenieniem, aby on mógł powrócić do formy cis, zregenerować się i ponownie pełnić rolę barwnika światłoczułego?

Piotr Kieraciński

Dyskusja (3 komentarze)
  • ~Alek Rachwald 27.03.2024 14:22

    "Zapewne wyniki uznano za mocne i obawiano się wejścia w ślepą uliczkę, a nam zależało na opiniach recenzentów. To było moje pierwsze takie doświadczenie – mówi W. Gruszecki."

    Nie zrozumiałem, na czym polegałby potencjalny problem z "mocnymi wynikami" i co to za ślepa uliczka? Czy to zdanie nie jest wynikiem pomyłki przy redagowaniu tekstu?

  • ~Wiejski głupiec 22.03.2024 19:55

    Polscy naukowcy serwują za mocno, dlatego nikt nie chce z nimi grać. Muszę przyznać, że pierwszy raz słyszę o odmowie publikacji wyników ponieważ są "za mocne".

    • ~xxxxxxxxx 22.03.2024 22:30

      to mało słyszałeś, wiejski głupcze.