Rhodopsino ciklas: kaip vitaminas A kuria regėjimą
Rhodopsinas — lazdelių fotopigmentas — yra vienas geriausiai ištirtų membraniniams baltymų pasaulyje. Jo veikimas yra tiesioginė biocheminė grandis tarp vitamino A ir regėjimo gebos. Rhodopsino ciklo sutrikimas, nepriklausomai nuo priežasties, neišvengiamai sukelia regėjimo problemų.
Rhodopsino struktūra: baltymas ir chromoforas
Rhodopsinas priklauso G-baltymu surištų receptorių (GPCR) šeimai. Jį sudaro dviejų dalių kompleksas: baltymas opsinas (348 aminorūgščių, 7 transmembraninės helikos) ir chromoforas 11-cis-retinalis. Chromoforas yra kovalentiškai sujungtas su opsin lizino liekana (Lys296) per Schiff bazės ryšį. Šis ryšys suteikia molekulei specifinį maksimalaus šviesos sugerties bangos ilgį (~498 nm, žaliai-žalia šviesa). 11-cis-retinalis yra tiesioginis vitamino A metabolitas: kepenyse retinolis (vitamino A alkoholis) oksiduojamas į retinalį, o tinklainėje vitamino A izomerazė (RPE65) pagamina specifinę 11-cis- izomero formą. Šis procesas yra energetiškai brangesnis nei paprastas geometrinis izomerizavimas, nes tiesialinijinis all-trans-retinalis yra termodinaminiai stabilesnis, o 11-cis-forma — įtempta (stricted) konfigūracija, sukaupusi energiją kaip spyruoklė, pasirengusi greitai izomerizuotis veikiant šviesos kvantui. Rhodopsino molekulinis jautrumas yra išskirtinis: teigiama, kad vienas tinkamas šviesos fotonas gali aktyvuoti vieną rhodopsino molekulę ir sukelti pastebimą nervų signalą, nes kiekvienas aktyvuotas rhodopsinas gali suaktyvinti šimtus G-baltymų (transducin) per vieną sekundę.
Fototransdukcija: nuo fotono iki nervų signalo
Kai šviesos fotonas pataiko į rhodopsino chromoforą, vyksta momentinė (pikosekundinė) izomerizacija: 11-cis-retinalis tampa all-trans-retinaliu. Šis geometrinis pokytis sukelia opsino baltymo konformacinį pokytį, per kelis tarpines būsenas (fotorhodopsinas, bathorhodopsinas, metarhodopsinas I) pasiekiantis aktyvią metarhodopsino II (Meta-II) formą. Meta-II aktyvuoja heterotrimerinius G-baltymus — transducinus — kurie savo ruožtu aktyvuoja fosfodiesterazę (PDE6). PDE6 greitai hidroliuoja ciklinis GMP (cGMP), kuris tamsoje laikė lazdelių ląstelės membraną depolarizuotą per atviruosius cGMP-jutlius kanalus. Sumažėjus cGMP koncentracijai, kanalai užsidaro, kalcio jonų įtekėjimas sustoja, ląstelė hiperpolarizuojasi ir sumažina neurotransmiterio (glutamato) išsiskyrimą sinapsėje. Taip fotono sugertis sukelia lazdelės hiperpolarizaciją, kurią apdoroja bipolinės ir ganglionų ląstelės. Visas šis procesas yra tiksliai amplifikuotas: vienas Meta-II aktyvuoja ~500 transducinų, kiekvienas PDE6 per sekundę skaido ~1000 cGMP molekulių — tai suteikia milžinišką signalo stiprinimą.
Rhodopsino regeneracija: retinoidų ciklo žingsniai
Po fototransdukcijos all-trans-retinalis atsiskiria nuo opsin ir turi būti regeneruotas atgal į 11-cis-retinalį — be to rhodopsinas negali vėl sugerti šviesos. Regeneracijos procesas (retinoidų ciklas arba vizualinis ciklas) vyksta trimis etapais tarp fotoreceptorių ir RPE ląstelių. Pirmasis žingsnis: lazdelėje all-trans-retinalis redukuojamas į all-trans-retinolį (vitamino A formą) alkoholio dehidrogenazės (ALDH1A1) pagalba, naudojant NADPH. Antrasis žingsnis: all-trans-retinolis persikelia į RPE per ABCA4 transporterį (mutacijos šiame gene sukelia Stargardto ligą) ir čia esterifikuojamas (LRAT fermentas) bei saugomas kaip retinilesteriai. Trečiasis žingsnis: RPE65 izomerazė konvertuoja all-trans-retinilesterius į 11-cis-retinolį, kuris oksiduojamas (11-cis-retinolis dehidrogenazė, RDH5) į 11-cis-retinalį ir galiausiai grąžinamas į fotoreceptorius. Viso ciklo greitis riboja, kaip greitai lazdelės gali atstatyti fotojautrumą po ryškios šviesos ekspozicijos — tai yra tamsios adaptacijos biocheminis pagrindas. Vitamino A trūkumas sulėtina šį ciklą, nes trūksta substrato RPE65 fermentui.
Tamsios adaptacija ir vitamino A statusas
Tamsios adaptacija — akių gebėjimas padidinti jautrumą pereinus iš ryškios šviesos į tamsą — yra tiesiogiai susijusi su rhodopsino regeneracijos greičiu. Visa adaptacijos kreivė trunka 20–30 minučių: pirmiausia (per 5–10 min) adaptuojasi kūgiai (aukštesnė jautrumo riba), o tada lazdelės pasiekia savo žemiausiąją jautrumo ribą. Vitamino A trūkumas pirmiausia ir ryškiausiai pasireiškia kaip sutrikusios tamsios adaptacijos (naktinio aklumo) simptomas — tai klasikinis klinikinis vitamino A stokos požymis. Net ribinis vitamino A trūkumas (kai kraujo retinolis yra dar normalių ribų viduje, bet suboptimalus) gali pailginti tamsios adaptacijos laikotarpį matuojamu laipsniu. Tyrimai parodė, kad tamsios adaptacijos testas gali aptikti subklinikinį vitamino A trūkumą anksčiau nei standartiniai kraujo tyrimai. Vyresnio amžiaus žmonėms tamsios adaptacijos greitis natūraliai lėtėja dėl kelių priežasčių: mažėja RPE ląstelių efektyvumas, lėtėja retinoidų ciklas, mažėja kraujo vitamino A lygis. Papildomas vitaminas A gali prisidėti prie šio proceso normalizavimo vyresnių žmonių subgrupėse.
Ryšys su paveldimomis tinklainės ligomis ir terapinės perspektyvos
Daugelis paveldimų tinklainės distrofijų yra tiesiogiai susijusios su rhodopsino ciklo defektais. Rhodopsino geno (RHO) mutacijos yra dažniausia autosominio dominantinio pigmentinio retinito (RP) priežastis — šie pacientai turi nenormaliai nestabilius rhodopsino molekules, kurios suformuoja toksiškai agregatus RPE ir lazdelėse. RPE65 geno mutacijos sukelia vieną sunkiausių paveldimų aklinų formų — Leber įgimtą amaurozę (LCA2). Šiai ligai jau patvirtinta genų terapija (Luxturna, voretigenas neparvovek), kuri tinklainėje pristatoma normalaus RPE65 geno kopija, leidžianti atstatyti retinoidų ciklą. ABCA4 geno mutacijos sukelia Stargardto ligą — dažniausią paveldimą makulos degeneraciją jaunų žmonių. ABCA4 transporteris šalina all-trans-retinalį iš fotoreceptorių diskų, todėl jo mutacijos sukelia toksinio bis-retinoidų (A2E) kaupimąsi RPE. Vitamino A papildiniai Stargardto ligos atveju gali paradoksaliai pabloginti simptomus, nes padidina substrato kiekį toksinam A2E susidarymui. Šis pavyzdys iliustruoja, kodėl konkrečios akių ligos atveju maistinių medžiagų dozavimas turėtų būti derinamas su gydytoju.