Tinklainės fotoreceptoriai: lazdelės, kūgiai ir DHA
Tinklainėje yra du pagrindiniai fotoreceptorių tipai — lazdelės ir kūgiai — kurie paverčia šviesą į nervų signalus. Šios ląstelės yra vienos energiją labiausiai naudojančių organizme, todėl joms reikalingos specifinės maistinės medžiagos, ypač DHA ir vitaminas A, kad galėtų tinkamai funkcionuoti.
Lazdelės ir kūgiai: skirtingos funkcijos, bendri poreikiai
Žmogaus tinklainėje yra apie 120 milijonų lazdelių ir 6 milijonai kūgių. Lazdelės yra atsakingos už regėjimą esant silpnam apšvietimui ir periferinį regėjimą, o kūgiai — už spalvų atpažinimą ir aštrų centrinį regėjimą, ypač makulos srityje. Nors šios ląstelės atlieka skirtingas funkcijas, abiejų išoriniuose segmentuose yra neįprastai didelis kiekis dokozaheksaeno rūgšties (DHA) — sočiosios omega-3 riebalų rūgšties, kuri sudaro iki 50–60% visų riebalų rūgščių fotoreceptorių membranose. DHA suteikia membranoms išskirtinį skystumą ir lankstumą, o tai yra būtina sąlyga, kad fotopigmentų baltymai (opsinas ir retinalis) galėtų greitai keisti savo erdvinę struktūrą reaguodami į fotono sugerties signalą. Tyrimai, atlikti su gyvūnais, parodė, kad DHA trūkumas sukelia funkcinių pokyčių tinklainėje: sulėtėja elektroretinogramų atsakai, sutrinka lazdelių regeneracija po ryškios šviesos ekspozicijos. Johnso Hopkinso universiteto neurologai nustatė, kad DHA taip pat reguliuoja opsino baltymų sintezę ir fotoreceptorių ląstelių išgyvenimą, veikdamas kaip antiapoptotinis signalas. Dėl šių priežasčių DHA laikoma esmine fotoreceptorių struktūrinio ir funkcinio vientisumo palaikymo medžiaga.
Vitaminas A ir rhodopsino formavimasis lazdelėse
Lazdelės fotopigmentas — rhodopsinas — susideda iš baltymo opsin ir chromoforo 11-cis-retinalis, kuris yra tiesioginis vitamino A (retinolis) darinys. Kai šviesos fotonai pasiekia lazdelę, 11-cis-retinalis izomerizuojasi į all-trans-retinalį, sukeldamas opsin struktūros pokytį ir iniciuodamas signalo kaskadą (fototransdukcija). All-trans-retinalis turi būti regeneruotas atgal į 11-cis-retinalį per retinoidų ciklą — procesą, kuris vyksta tarp fotoreceptorių ir gretimų retininio pigmento epitelio (RPE) ląstelių. Šio ciklo kiekviename žingsnyje reikalingas vitaminas A: RPE ląstelės saugo retinoidus retinilesterių pavidalu, o esant poreikiui išlaisvina 11-cis-retinalį lazdelių papildymui. Vitamino A trūkumas pirmiausia pasireiškia sutrikusiu regėjimu tamsoje (naktinis aklumas, nyctalopia), nes lazdelės negali pakankamai greitai atstatyti savo photopigmento atsargų. Pasaulio sveikatos organizacijos duomenimis, vitamino A stoka yra viena pagrindinių išvengiamo aklumo priežasčių besivystančiose šalyse. Net ribinis trūkumas, nepasireiškiantis akivaizdžiais simptomais, gali prisidėti prie lėtesnio tamsios adaptacijos ir susilpnėjusio periferinio regėjimo. Todėl pakankamas vitamino A vartojimas yra esminis lazdelių fotosensityvumui palaikyti.
Kūgių fotopigmentai ir spalvinio regėjimo biochemija
Žmogus turi tris kūgių tipus, kurie skiriasi fotopigmentais ir maksimalaus jautrumo bangos ilgiu: S kūgiai (mėlynam, ~420 nm), M kūgiai (žaliam, ~530 nm) ir L kūgiai (raudonam, ~560 nm). Kiekvienas kūgio tipas turi skirtingą opsino baltymą (S-opsinas, M-opsinas, L-opsinas), tačiau chromoforas visada yra tas pats — 11-cis-retinalis, priklausantis nuo vitamino A. Kūgiai yra koncentruoti centrinėje makulos dalyje — fovea centralis — kur lazdelių iš viso nėra. Makulos pigmentas, sudarytas iš liuteino ir zeaksantino, filtruoja trumpo bangos ilgio (mėlyną) šviesą ir taip apsaugo L bei M kūgius nuo fototoksinės žalos. DHA kūgių membranose atlieka tą pačią struktūrinę funkciją kaip ir lazdelėse — palaiko membranų skystumą, reikalingą greito fototransdukcijos signalo perdavimui. Kūgiai, skirtingai nuo lazdelių, yra mažiau jautrūs, todėl jiems reikalinga stipresnė šviesos stimuliacija, tačiau jų atsakas yra greitesnis. Tyrimai rodo, kad omega-3 rūgščių vartojimas yra susijęs su geriau išlaikyta kūgių tankumo makulos srityje vyresnių žmonių populiacijoje. JAV nacionalinio akių instituto (NEI) ilgalaikis tyrimas AREDS2 parodė, kad omega-3 papildai gali prisidėti prie makulos funkcijos palaikymo.
Energetinis fotoreceptorių metabolizmas ir mitochondrijų vaidmuo
Fotoreceptoriai yra vienos metaboliškai aktyviausių ląstelių visame organizme. Lazdelės ir kūgiai nuolat gamina ciklinis GMP (cGMP) tamsoje ir jį skaldo šviesoje, o šis procesas reikalauja didelių ATP kiekių. Fotoreceptorių vidiniuose segmentuose gausu mitochondrijų, kurios aprūpina ląsteles energija per oksidacinę fosforiliacijos. Dėl intensyvios deguonies suvartojimo fotoreceptoriai ir gretimos RPE ląstelės yra ypač pažeidžiamos oksidacinio streso. DHA, nors ir pati yra lengvai oksiduojama, reguliuoja antioksidacinių genų ekspresiją per Nrf2 signalų kelią — tai yra tarsi apsauginis mechanizmas, kuris didina ląstelių atsparumą reaktyvioms deguonies formoms (ROS). Vitaminas E ir vitaminas C taip pat veikia sinergiškai su DHA, apsaugodami polinesočiąsias riebalų rūgštis nuo lipidų peroksidacijos. Cinks, esantis didžiausiais kiekiais tinklainėje ir RPE ląstelėse, yra kofaktorius alkoholio dehidrogenazės — fermento, dalyvaujančio retinoidų metabolizme. Be to, cinkas reikalingas superoksido dismutazei (CuZn-SOD) — svarbiausiam antioksidaciniam fermentui fotoreceptorių apsaugai. Dėl šio sudėtingo tarpusavio ryšio tarp maistinių medžiagų fotoreceptorių mitybinis palaikymas reikalauja kompleksinio požiūrio.
Fotoreceptorių atsinaujinimas ir DHA apykaita tinklainėje
Fotoreceptoriai turi unikalų atsinaujinimo mechanizmą: kasdien lazdelių išoriniai segmentai pratęsiami jų proksimalinėje dalyje, o distalinė dalis (sudariusi apie 10% išorinio segmento ilgio) nupjaunama ir fagocituojama RPE ląstelių. Šis procesas vyksta ritminiu paros ciklu — lazdelių segmentų nupjovimas paprastai suintensyvėja po ryto šviesos poveikio. Tokia greita apykaita reiškia, kad kasdien atnaujinamos membranos reikalauja pastovaus DHA tiekimo. Tyrėjai apskaičiavo, kad žmogaus lazdelės per dieną išlaisvina ir atgauna milijonus DHA molekulių per šį fagocitozės-resintetizavimo ciklą. RPE ląstelės turi specializuotus fermentus (fosfolipazę A2 ir reacilacijos fermentus), kurie išskiria DHA iš sunaikintų membranų ir grąžina ją fotoreceptoriams. Šis reciklavimo mechanizmas yra labai efektyvus, tačiau nuolat reikia papildomo DHA iš maisto, ypač esant oksidaciniam stresui, kuris padidina DHA praradimą. Žuvų taukų tyrimai žmonėms parodė, kad EPA ir DHA papildai per 4–6 savaites žymiai padidina DHA koncentraciją kraujo lipoproteinuose, o per ilgesnį laikotarpį — ir tinklainės audiniuose, kas yra svarbu palaikant fotoreceptorių membraninę sudėtį.