Błysk w oku

Fot. Maciej Krupa

Wbrew powszechnemu przekonaniu, nie wszystkie chlorofile są zielone, np. najbardziej popularny chlorofil a jest niebieskawy. „Swoją” zieleń zawdzięcza obecnym w roślinach razem z nim 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 UMCS wraz z zespołem. Początkowo badał 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 – mówi 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 – mówi 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, a w tym przypadku z prof. Robertem Rejdakiem z Uniwersytetu Medycznego w Lublinie oraz jego zespołem. Oprócz tego badacze 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 – mówi prof. Gruszecki. – Reorientację widzieliśmy w eksperymencie raczej dzięki interpretacji wyników spektroskopowych niż bezpośrednio, a obliczenia ją potwierdziły. Dzięki tym współpracom 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 – podsumowuje 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 – tłumaczy 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 – mówi Gruszecki.

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 wejście 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.

Teraz lubelscy biofizycy poszli 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?