Кришталик ока – диво природи

 

Муранов К., Островський М.*

* Інститут біохімічної фізики ім. М. М. Емануеля РАН

 

Уперше опубліковано: В мире науки. – 2021. – № 4 (апрель). – С. 52–57.

Кришталик ока – воістину диво природи. Мало того що він прозорий, до того ж майже все життя, він іще й жива фокусувальна лінза, яка забезпечує різкість зображення на сітківці. Крім того, це світлофільтр, що відтинає від сітківки небезпечний для неї ультрафіолет.

Доволі давно стало зрозуміло, чому кришталик прозорий, але досі не ясно, як цю прозорість зберегти, не допустити його помутніння, тобто розвитку катаракти – найпоширенішого очного захворювання у світі. За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я (ВООЗ), причиною сліпоти майже 40 % людей віком 50 років і більше стає саме катаракта.

З усіх видів катаракт «стареча» – постійний бич старіючого людства. Звісно, сучасна високотехнологічна, витончена хірургія дає змогу видалити помутнілий кришталик і замінити його на новий, штучний. Але саме хірургічне втручання може завдати шкоди. Тому, природно, краще запобігти катаракті, ніж її оперувати. А для цього потрібно добре розуміти, чому кришталик прозорий, за допомогою яких механізмів ця прозорість підтримується, чому він починає мутніти. Останнім часом на багато з цих питань вдалося отримати цілком зрозумілі відповіді.

 

Чому кришталик прозорий

Кришталик ока зроблений із протеїну, тобто з білка. А білок має дивовижні властивості. Його розчин за низької концентрації, наприклад 3 мг у мілілітрі, абсолютно прозорий. Якщо поступово збільшувати концентрацію білка, то розчин почне мутніти. Але якщо концентрацію білка довести до 300 мг у мілілітрі, то розчин знову стане прозорий. І це чудо! Виходить, що розчин білка прозорий і за маленької концентрації 3 мг у мілілітрі, і за у 100 разів більшої концентрації. Колоїдна хімія (а розчин білка – це колоїдний розчин) дає вельми просте пояснення. У результаті броунівського руху молекули білка переміщаються, утворюючи зони з підвищеною і зниженою концентрацією. Світло розсіюється, проходячи через такі зони, от воно – колоїдний розчин! При збільшенні концентрації білка відстань між його молекулами зменшуватиметься і врешті-решт скоротиться настільки, що розчин білка набуде структури, подібної до кристала. А він, як відомо, прозорий. Саме тому, згідно із законами колоїдної хімії, кришталик прозорий, адже концентрація білка в ньому неймовірно висока – 450 мг у мілілітрі в людини і 900 мг у мілілітрі у миші!

Варто зазначити, що прозорий він не для ультрафіолету, а в літньому віці – і не для фіолетово-синіх променів видимого спектра. Правда, в дитячому віці кришталик прозорий частково для ультрафіолету і фіолетово-синіх променів. У фізіології зору така прозорість дістала назву «ультрафіолетове вікно». А ультрафіолет для сітківки згубний. Небезпека ця для дітей особливо загострилася у зв’язку з поширенням світлодіодного освітлення й необдуманим захопленням ним. Світло «холодних» фіолетово-синіх світлодіодів, проникаючи через «ультрафіолетове вікно» дитячого кришталика, здатне спричинити непередбачувані і дуже несприятливі наслідки для зору.

У дорослої людини середніх років «ультрафіолетового вікна» вже немає, і її кришталик, затримуючи ультрафіолет, вільно пропускає до сітківки всі промені видимого спектра. Однак ближче до літнього віку нормальний здоровий кришталик, залишаючись прозорим, починає жовтіти. І це для сітківки хороша новина, бо до літнього і старечого віку в сітківці і так званому пігментному епітелії, що лежить за нею, накопичуються речовини, які поглинають світло саме в фіолетово-синій ділянці спектра. Поглинувши світло, ці речовини утворюють активні токсичні форми кисню. Інакше кажучи, вони фототоксичні. Кришталик, який із віком жовтіє, дедалі більше затримує фіолетово-сині промені, захищаючи сітківку від небезпеки фотопошкодження.

 

Як підтримується прозорість кришталика і чому він мутніє

Ключову роль у системі захисту прозорості відіграє один з білків самого кришталика. Річ у тім, що у кришталику є кілька видів білків-кристалінів. Основні – це альфа-, бета- і гамма-кристаліни. Причому бета- і гамма-кристаліни дуже легко злипаються, агрегують. Якщо це трапиться, прозорість зникне, кришталик помутніє. Альфа-кристалін підтримує прозорість, не дає бета- і гамма-кристалінам злипатися, утворювати агрегати – грудки. Але варто альфа-кристаліну трохи зіпсуватися – і він утрачає здатність утримувати бета- і гамма-кристалін від агрегації. У результаті кришталик починає мутніти. Таким є механізм утворення катаракти.

Альфа-кристалін належить до класу так званих шаперонних білків. Шаперони здатні відновлювати нормальну (нативну) структуру пошкодженого білка, інакше кажучи, «лагодити» пошкоджені білки. Щоб зрозуміти, як саме це відбувається, потрібно насамперед знати, як вони влаштовані, тобто їх тривимірну структуру.

Молекула альфа-кристаліну має всередині себе щось схоже на порожнину. У цю порожнину входять пошкоджені (в нашому випадку – ультрафіолетом) молекули бета- і гамма-кристалінів. Усередині порожнини пошкодження «лікуються», відновлюється вихідна, нативна структура білка. У результаті «лікування» молекули бета- й гамма-кристалінів не злипаються – розчин залишається прозорим, а якщо і мутніє, то значно повільніше.

 

Розсіювання синього світла розчинами альфа-кристаліну різної концентрації: А – 3 мг на 1 мл; В – 54 мг на 1 мл; С – 300 мг на 1 мл

 

Проте з віком знижуються як захисна активність альфа-кристаліну, так і його кількість у кришталику. Тому він уже не здатний ефективно утримувати бета- і гамма-кристаліни від агрегації. Такою є причина виникнення й розвитку старечої катаракти.

Крім альфа-кристаліну, у систему захисту прозорості кришталика входять природні антиоксиданти та антиоксидантні ферменти. Річ у тім, що активні форми кисню, атакуючи молекулу білка, пошкоджують її. На щастя, кисню у кришталику майже немає. Але в разі впливу різних катарактогенних чинників, зокрема ультрафіолету, кисень досягає білків кришталика і його активні форми псують білки – окислюють. У результаті такого псування кришталик мутніє. Тому антиоксиданти та антиоксидантні ферменти самого кришталика – надзвичайно важлива лінія захисту від помутніння.

Катаракта виникає не тільки від старості. Відомо доволі багато її причин: це і діабет, і різні види радіації – від ультрафіолету й рентгенівських променів до важких заряджених частинок галактичного випромінювання та низки інших чинників. Здавалося б, механізм виникнення катаракти має залежати від природи пошкоджувального чинника. Однак це не так. Різні катарактогенні фактори (радіація, ультрафіолет, підвищений рівень цукру в крові тощо) пошкоджують клітини зовнішнього епітеліального шару кришталика. У результаті в цьому шарі утворюються дірки, через які всередину кришталика починає проникати кисень. У нормі кисню в кришталику практично немає. За наявності ж кисню мітохондрії, ще збереглися в клітинах коркової частини кришталика, починають виробляти активні форми кисню, які спричинюють окисне пошкодження білків. Окислені ж білки мають схильність до агрегації. У якийсь момент, коли компенсаторна захисна система не витримує, білки починають денатурувати й агрегувати. Утворені агрегати, подібно до грудок, які постійно наростають, перетворюються на так звані мультиламелярні тіла. Ці тіла і самі розсіюють світло, і порушують кристалоподібну упаковку білків кришталика. Кришталик перестає бути прозорим – виникає катаракта.

 

 

Як запобігти катаракті

Попри існування безлічі видів антикатарактальних крапель, насправді вони не запобігають катаракті. І зараз стає зрозуміло чому. Річ у тім, що капати в око краплі починають, як правило, тоді, коли кришталик уже помутнів. А це означає, що і кисень уже зробив свою чорну справу, й альфа-кристалін уже не може запобігти агрегації бета- і гамма-кристалінів. А якщо вже ці білки-кристаліни злиплися, утворили агрегати, мультиламелярні тіла, то нічого повернути назад не можна.

Що ж можна зробити, щоб затримати, запобігти помутнінню кришталика?

По-перше, потрібно упіймати момент, коли білки кришталика ще тільки-тільки починають агрегувати. По-друге, необхідно створити такий антикатарактальний препарат, який одночасно і не давав би білкам окислюватися, і, подібно до природного альфа-кристаліну, запобігав би агрегації бета- й гамма-кристалінів.

Щоб упіймати момент, коли білки кришталика тільки-тільки починають агрегувати, треба «зазирнути в око». Це можна здійснити завдяки сучасному оптичному приладу, який ми умовно назвали «Катарактомір». Суть його роботи – за допомогою аналізу деяких характеристик світла, розсіяного кришталиком, можна «побачити» як зниження кількості молекул альфа-кристаліну, так і появу білкових агрегатів у кришталику.

Основний принцип роботи такого приладу – реєстрація світла, розсіяного всередині кришталика. Створено кілька конструкцій подібних інструментів. Одна з таких конструкцій, яку розробив професор Рифат Анзарі з NASA, уже проходить клінічні випробування.

Будемо сподіватися, що в недалекому майбутньому під час звичайного профілактичного огляду лікар після десятихвилинного обстеження зможе сказати пацієнтові, що він у групі ризику і що було б непогано негайно почати капати в око антикатарактальні препарати.

 

Що капати

Ми спрямували свої зусилля на створення препарату, який допомагав би альфа-кристаліну запобігати агрегації бета- і гамма-кристалінів. Нещодавно ми розробили такий комбінований препарат. У його основі дві речовини – N-ацетилкарнозин і пантетин.

Чому N-ацетилкарнозин? Він є похідним карнозину. Карнозин і ще більшою мірою N-ацетилкарнозин не так запобігають окисленню білків, як ефективно гальмують їхню агрегацію, причому в дуже низьких концентраціях.

Інакше кажучи, N-ацетилкарнозин виявляв шапероноподібні властивості, схожі на властивості альфа-кристаліну.

Чому пантетин? Виявилося, що він істотно підвищує здатність альфа-кристаліну захищати пошкоджені білки від агрегації. У співдружності з співробітниками НДІ очних хвороб ми детально досліджували антикатарактальний ефект нашого комплексного препарату іп vivo. На моделі ультрафіолетової катаракти у щурів було показано, що суміш N-ацетилкарнозину і пантетину справді ефективно запобігає розвитку катаракти.

Комбінація антиоксидантних і шапероноподобних препаратів може виявитися ефективними ліками для запобігання катаракти. Цілком очевидно, що вражаючі успіхи в розумінні природи прозорості кришталика і її підтримці, знання механізмів порушення цієї прозорості найближчим часом приведуть до ефективної лікарської профілактики розвитку катаракти. І тоді її хірургічне лікування – заміна помутнілого кришталика на штучний – перестане бути єдиним і неминучим способом повернути зір хворим людям.

Кришталик – справді диво природи, і берегти його треба так, як і належить берегти зіницю ока.

 

Антикатарактальний ефект суміші N-ацетилкарнозину і пантетину: А – ультрафіолетова катаракта у щура, зелена стрілка позначає помутніння кришталика, синя стрілка – віддзеркалення світла освітлювача; В – прозорий кришталик після лікування

 

 

Visuspharm