Egy új vizsgálat feltárta, hogyan aktiválja a fény a retina sejtjeinek membránjában elhelyezkedő receptorokat, vagyis a tisztázták a látás molekuláris alapját.
A látás a legtöbb ember szerint a legfontosabb érzék. Egyértelmű, hogy a legnagyobb mennyiségű információt a látórendszer dolgozza fel. Az elektromágneses sugárzás egy tartománya épp úgy lép interakcióba az anyagi világgal, hogy a test számára átjárhatatlan sűrűségű dolgokról egy jelentős része visszaverődik. Ez a tartomány tehát rengeteg információt rejt a fizikai környezettel kapcsolatban és ennek érzékelésére jött létre a látórendszer. Az evolúció során többféle formában megjelentek a látószervek, melyeknek az a feladata, hogy a látható fény tartományába eső elektromágneses sugárzást átfordítsa az idegrendszer nyelvére, vagyis receptorok membránpotenciáljának változásaiba. Ezen folyamat lépéseit kutatók hosszú sorának munkája tárta fel.
A szemből ki, vagy a szembe be?
Noha manapság már minden tankönyvben alapvető kiindulási pont, hogy a látás során a külvilágból fény érkezik a szembe, ez a feltételezés nem annyira magától értetődő. Az idők során sok tudós vallotta a látás emissziós elméletét, hogy a szem sugároz ki valamit a külvilágba. Ez az elképzelés talán megmosolyogtatja az olvasót, de érdekes módon úgy tűnik, hogy magától értetődő elgondolás a látással kapcsolatban. A gyermekeknél az iskolai tanulmányok formálják ezt a nézetet. Ha az ember magából indul ki, sokkal kézenfekvőbbnek tűnik, hogy a szemből árad ki valami, ami képes befogadni a külvilág ingereit. Egy 2002-ben készült tanulmány szerint még olyan fiatal felnőttek körében is elterjedt ez a nézet, akik egyetemi szintű kurzusokat hallgattak az emberi szervezet működéséről.
Az emissziós elméletet egyébként már a XVII. században megcáfolták, egy meglepően egyszerű kísérlettel, ami a foszfénekre épült. A foszfének azok a fényjelenségek, amiket a szem megnyomásával lehet előidézni. Úgy gondolták, hogy ha valóban emisszión alapul a látás, akkor a foszfének megjelenése is fénnyel kell járjon. Így, ha egy sötét szobában idézik elő a foszféneket valakinél, akkor a felvillanó fényt a vele szembenállónak is látnia kell. Ez természetesen nem történt meg, így a látás emissziós elméletét elvetette a tudomány. A látással kapcsolatban számos fontos felfedezés látott még napvilágot a későbbiekben, azonban a molekuláris alapjainak feltárása csak a XX. században kezdődött meg.
A retina elektromos tevékenységének tanulmányozása Ragnar Granit nevéhez fűződik, aki munkájáért 1967-ben kapta meg a Fiziológiai és Orvostudományi Nobel-díjat. Granit felfedezte, hogy a retinában található sejtek eltérő hullámhosszú fény hatására aktiválódnak. E felfedezés molekuláris alapjait George Wald tárta fel, aki Granittal osztozott a Nobel-díjon. Wald kutatásainak köszönhetően derült ki, hogy a retina sejtjeiben található fényérzékeny fehérjék, az opszinok retinolt kötnek és ennek a vegyületnek az átalakulása indítja be a fényérzékelés, vagyis a látás folyamatát. A harmadik díjazott Keffer Hartline volt, aki az atlanti tőrfarkú látószervének vizsgálata során tárta fel a laterális inhibíció jelenségét. Ennek a lényege, hogy egy fényérzékeny sejt aktivitása gátolja a körülötte lévő sejtek aktivitását. A jelenség tulajdonképpen a kontrasztok jelentőségét mutatja a látás korai szakaszában: a laterális inhibíció miatt jutnak kitüntetett szerephez a látásban az élek, körvonalak.
A vizuális ciklus
Ma tehát már tisztázott, hogyan alakítja a külső fényt membránpotenciál változássá a retina. A fényérzékeny sejtek (csapok és pálcikák) membránjában különféle opszinok vannak, melyek retinalt kötnek. A retinal az ún. 11-cisz-retinal formában kötődik az opszinhoz. Ez azt jelenti, hogy a szénlánc 11-es szénatomjánál lévő kettős kötés két oldalán megegyező orientációban helyezkednek el a szénatomokhoz kapcsolódó csoportok. Ennek köszönhetően a szénlánc meggörbül. A retinol a kettős kötéseinek köszönhetően azonban képes elnyelni a látható fényt, ennek köszönhetően pedig 11-cisz retinalból all-transz-retinallá alakul (izomerizálódik). Az all-transz-retinal szénlánca egyenes, vagyis a térszerkezete eltér a 11-cisz-retinalétól, ez a változás pedig végső soron térszerkezetváltozást idéz elő az opszinban is. Nagyjából olyan, mintha egy behajlított bot kirúgná magát, csak épp a molekuláris szinten egy foton elnyelésének hatására. Az opszin térszerkezetváltozásának hatására ioncsatornák nyílnak a sejtmembránban, így megváltozik a membránpotenciál, megváltozik a sejt ingerületátvivő kibocsájtása, így pedig a vele kapcsolatban lévő sejtek is értesülnek arról, hogy fotonok érkeztek a külvilágból.
Mindeközben az all-transz-retinalt a megfelelő fehérjék a retina hátulján lévő sejtekhez szállítja. A sejteken belül egy enzim alakítja vissza a retinalt 11-cisz-retinallá, ami aztán visszakerül a fotoreceptor sejtekhez, hogy újra elindíthassa a fent leírt folyamatot. Noha ezek alapján akár azt is gondolhatnánk, hogy már mindent tudunk a látáshoz vezető lépés molekuláris biológiájáról, a valóság az, hogy eddig nem értették pontosan a kutatók, hogyan változtatja meg az opszin térszerkezetét a retinal izomerizációja. Egy új kutatás azonban pótolta az ismeretek ezen hiányosságát.
A-vitamin, retinol, retinal, retinsav … hogy is van ez?
Az A-vitamin esszenciális tápanyag, de valójában egy sor hasonló vegyület összefoglaló neve. Ezek a vegyületek például a retinol, a retinal, a retinsav és a béta-karotin. A retinol, retinal és retinsav majdnem azonos vegyületek, egyetlen funkciós csoportban térnek el, ami a retinolnál hidroxid csoport (alkohol), a retinalnál formil csoport (aldehid), a retinsavnál pedig karboxil csoport (karbonsav). Ezek a vegyületek néhány kémiai reakció révén átalakulhatnak egymássá. A fotoreceptorokban retinal található, a retinol a szállított forma, a retinsav pedig a sejtek közti kommunikációban fontos, aminek kiemelt szerepe van az egyedfejlődés során.
Mi történik pontosan a retinállal?
Egy nemzetközi kutatócsoport mostanában publikált egy tanulmányt, melyben a pálcikákban található fényérzékeny fehérje, a rhodopszin térszerkezetváltozásának mozzanatait tárták fel. A vizsgálathoz röntgen-szabadelektron lézert használtak Svájcban és Japánban. Ez a lézer nagyon rövid időtartamú, magas intenzitású röntgensugárzást produkál. A sugárnyalábbal bombázták a kristályosított fehérjét, így a sugarak diffrakciós mintázata alapján vissza tudták fejteni a mikrostruktúráját. Ez a módszer az időben felbontott sorozatos femtoszekundumos krisztallográfia (time-resolved serial femtosecond crystallography [TR-SFX]).
A fehérje kristályokat nagyon vékony sugárban bocsájtották ki, így azok egyesével haladtak végig egy tesztcsőben. A csőben először egy magas intenzitású lézerrel indukálták a retinal átalakulását, ami a látás során is végbemegy (11-cisz-retinalból all-transz-retinallá alakul). Ezután különböző időbeli eltolásokkal érkezett a röntgen-szabadelektron lézer impulzusa, egészen pontosan 1, 10 és 100 pikoszekundummal (ps) az első bevilágítás után. Az eredmények szerint egy pikoszekundumnál már izomerizálódik a retinal, viszont azonos térfogatú marad és csak az opszinnal illetve vízmolekulákkal kialakított kötései változnak meg. Ez indítja el a fehérje térszerkezetváltozását, ami 100 pikoszekundumnál már majdnem teljesen végbe is megy.
Ezek az eredmények megerősítettek egy korábban felvetett modellt, mely szerint a retinal 12-es szénatomjához kapcsolódó csoport elfordul az opszin kötőzsebében. A szakértők szerint a következő lépés kideríteni, hogy mi történik az első pikoszekundum során, illetve felderíteni, hogyan halad tovább a fotoreceptor sejtekben az opszin térszerkezetváltozásából adódó jel.
Pikoszekundum (ps)
A pikoszekundum a másodperc egy billiomod része (1 ps = 10-12 s). Ennyi idő alatt a fény is csak 30 centiméternyi utat tesz meg.
Ez a cikkem az Élet és Tudomány Agyi aktualitások rovatában jelent meg.
Forrás
Earliest molecular events of vision revealed (nature.com)
