眼的生化

第四章眼的生化新课导入眼是机体最重要的感觉器官之一,每一生理功能的发生与完成元不蕴涵着复杂的生物化学变化。作为普通生物化学的一个分支,眼生物化学的内容主要在于阐述眼部物质组成及代谢异常与眼病发生发展之间的密切关系,如角膜蒙古多糖代谢异常可导致角膜营养不良,糖尿病患者醒糖还原酶活性增高可导致糖性白内障等。第一节角膜作为眼屈光间质的重要组成之一,角膜本身透明无血管,其营养供应主要源自角巩膜缘血管网,而透明性维持依赖于其正常的生化代谢。一、角膜的化学组成角膜由水、蛋白质、蒙古多糖、元机盐等组成,其中水占湿重的72%~82%,蛋白质占18%~却%o蛋白质主要由胶原蛋白组成,占角膜干重的3/4,其中大部分为I型胶原纤维,V型胶原纤维仅占10%~20%o作为角膜抗原的决定性因素,角膜上皮基底膜中的可溶性蛋白与角膜移植植片的存活及透明性维持关系密切。角膜内含有多种蛋白酶,如胶原酶、胆碱酶酶、三磷酸腺、昔酶等。一、角膜的化学组成角膜上皮和内皮细胞中酶含量较基质高,表明上皮、内皮代谢旺盛。胶原纤维间隙的教多糖由硫酸角蛋白、软骨素等组成,具有保持角膜水合状态及蒙古合的功能,其代谢异常将导致角膜水肿。另外,角膜尚含有糖类、氨基酸、维生素、脂类、元机盐等物质。角膜营养不良患者,脂质含量常增加。二、角膜的营养和代谢1.氧与糖代谢葡萄糖与氧是参与角膜代谢的两种主要物质。角膜上皮所需氧分主要通过泪膜获取,闭险时,氧则来源于角膜缘血管网、结膜毛细血管和房水;深基质层和内皮细胞所需氧来自房水。葡萄糖由角膜缘毛细血管网、泪液和房水供应,其中房水为主要来源。二、角膜的营养和代谢葡萄糖代谢为正常角膜的主要能量来源,到达角膜后,通过一系列复杂的代谢过程,产生能量以供角膜组织的正常需要,使角膜保持脱水状态与透明。葡萄糖一般以糖原形式储存于角膜中,在外伤或手术等应激情况下,糖原分解以满足组织修复的能量需要。葡萄糖代谢有无氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖旁路三种方式,其中以无氧酵解为主。二、角膜的营养和代谢即使有氧条件下,约85%~88%;的角膜葡萄糖亦通过此途径代谢,其中1mol葡萄糖经无氧酵解后可产生乳酸与2molATP。缺氧状况下,因无氧酵解加速,乳酸堆积,可导致上皮与基质水肿。长期配戴大而紧的角膜接触镜时,角膜基质水肿混浊的原因即在于此,如长期缺氧将导致角膜新生血管增生。二、角膜的营养和代谢除元氧酵解外,约12%~15%的葡萄糖通过有氧氧化方式进行代谢。在有氧条件下,通过三竣酸循环,lmol葡萄糖完全氧化生成二氧化碳和水,同时产生36mol。另外,角膜上皮细!胞尚存在多元醇糖代谢途径,葡萄糖循此途径可生成山梨醇和果糖。如果角膜细胞内山梨醇过度蓄积可导致细胞渗透性损害。二、角膜的营养和代谢2.维生素A代谢人类维生素A主要来源于动物组织的维生素A和植物的β-胡萝卡素。β-胡萝卡素在肠蒙古膜内β-胡萝卡素加氧酶作用下氧化分解为视黄醇,再与软脂酸化合生成酶,然后经淋巴入血转运至肝,与视黄醇结合蛋白结合形成视黄醇-视黄醇结合蛋白复合体,最后与血浆前蛋白结合,运转至靶器官,如泪腺等。二、角膜的营养和代谢泪液中的维生素A对角膜生理功能维持具有重要作用:①可调控角膜上皮细胞角蛋白表达,缺乏时将会引起角膜上皮细胞维生素A缺乏性角质化;②参与角膜糖蛋白合成,刺激葡萄糖、氨基葡萄糖进入角膜上皮,诱导角膜基质细胞DNA合成增加;③诱导角膜内皮细胞EGF受体表达增加,促进内皮细胞创伤愈合;④影响结膜的转分化。维生素A缺乏可使结膜杯状细胞减少,角结膜上皮角化、增厚和鳞状化生。三、角膜基质的主要组成角膜基质主要由有序排列的胶原纤维组成,直径约22~23nEIE,中央部与周边部纤维直径基本一致。损伤愈合后胶原纤维增粗,且排列不规则,光线通过角膜时受到的影响增大,导致透明性下降。人类角膜胶原纤维主要由I、V、W型三种胶原纤维组成,其中I型占主要部分。三、角膜基质的主要组成V型胶原纤维直径可以调节,对保持角膜透明性起重要作用,而明型胶原纤维为非纤维状胶原,可调节细胞基质间的相互作用。纤维状与非纤维状胶原的合成分解受TGF-0等内源性生长因子调节。四、角膜透明性或相对脱水状态的维持1.角膜上皮的屏障功能角膜上皮细胞以桥粒方式紧密连接,可防止泪液中的水分和溶质进入角膜基质。动物实验时如刮除兔角膜上皮层,角膜基质将明显水肿,厚度可达到原来的2倍左右。四、角膜透明性或相对脱水状态的维持2.角膜基质层蒙古多糖的作用蒙古多糖为角膜基质蛋白多糖的主要组成部分,对基质中胶原纤维的规则排列及相对脱水状态维持起重要作用。内皮细胞功能失代偿时,因大量水分进人基质,与蒙古多糖结合而导致基质水肿混浊,角膜基质胶原纤维排列不规则,光线通过角膜时散射增加,透明性下降。四、角膜透明性或相对脱水状态的维持3.角膜内皮细胞的功能在正常角膜内皮细胞层两侧存在促进与对抗水分进入角膜基质的两种力量,此两种力量之间的动态平衡对保持角膜基质相对脱水状态起关键作用二其中促进吸水的因素有:①季薪古多糖造成的基质侧高渗透压形成的吸水力,大约6ω0mmI时水分进人基质;②眼内压。对抗吸水以维持角膜透明的因素有:①由缝隙连接构成的角膜内皮细胞屏障功能,此屏障可以减少房水进入角膜基质的速度;②角膜内皮细胞的泵功能,它可通过主动转运把离子从角膜基质侧转运至房水,基质中的水分则随之扩散至前房。第二节泪液泪液是一种绝大部分由主泪腺分泌,少部分由副泪腺、险板腺、结膜杯状细胞等分泌的水样液体；起屈光、保护、润滑、营养角膜的作用。泪液屈光指数为1.336~1.337,相对密度:1.010~1.0256,平均1.0129,表面张力为纯水的0.694~0.749。一、泪液的化学组成泪液的化学组成复杂,除水与电解质外,还含有氮物质、糖类、寡核背酸、有机酸、维生素、酶和脂类等,其中水分约占98%~99%。二、泪膜的概念与组成泪膜为覆盖于角膜上皮细胞前表面的一层泪液膜。人通过瞬目反射把泪液均匀地涂布在角膜上皮前表面,使角膜成为一个光滑的光学折射系统,为高质量的视网膜成像提供基础。泪膜微.小的扭曲变形将导致视网膜成像质量降低,引起视物模糊。二、泪膜的概念与组成现代观念认为,泪膜为一蒙古液胶,由蒙古蛋白与泪液水化形成,内含电解质、小分子有机物和多种蛋白,外层包被一脂质层。蒙古蛋白成分之间的相对比率并不恒定。此蒙古液胶与角膜上皮细胞层表面的多糖外被以化学键结合形成相对稳定的胶体。泪膜中完整的水化胶对维持高质量的视力和眼部舒适至关重要。三、泪膜形成的生化机制结膜杯状细胞分泌的蒙古液和角膜上皮细胞分泌的糖蛋白在角膜上皮前表面形成一层多糖二蛋白复合物,使疏水的角膜上皮细胞膜磷脂层表面张力降低,角膜前表面被泪液覆盖,形成一稳定、完整的泪膜。人可通过瞬目反射恢复泪膜的完整性。三、泪膜形成的生化机制临床上,常局部用高张溶液(5%NaCl)提高泪液渗透压以治疗早期角膜水肿。泪膜脂质层由极性和中性脂质组成,其中极性脂质和泪膜水层接触,形成稳定的泪膜,中性脂质和空气接触,提供屏障保护。因此,脂质层具有防止泪液蒸发、泪液外溢及防止皮肤脂质扩散至眼表面等作用。第三节房水房水是由睫状上皮细胞分泌的无色透明液体,在屈光、眼压形成与维持、角膜营养供应等方面起重要作用。一、房水的化学组成房水源自血液,基本成分与血浆相似,但它并非简单的血浆滤过液,化学组成非常复杂,主要成分是水,同时尚含蛋白质、电解质、葡萄糖、乳酸、氧、维生素、脂质、酶、微量元素等二、房水形成过程房水产生及化学组成与扩散、超滤过、主动转运过程密切相关。其中水、电解质通过睫状体上皮细胞膜和虹膜毛细血管壁自由扩散与超滤过形成,而维生素C、乳酸、蛋白质和部分氨基酸由睫状上皮主动分泌。睫状上皮的主动转运功能存在饱和状态,例如,房水中维生素C浓度随血浆含量升高而升高,但当血浆浓度超出一定水平时,维生素C浓度不会再增高,即维生素C主动转运达到饱和。二、房水形成过程睫状上皮主动转运功能受一定因素的影响,如碳酸酶酶抑制剂可使房水分泌减少50%~60%血-房水屏障:即使血浆浓度较高,蛋白质等大分子物质也不易透过而进入房水中,这一屏障称为血-房水屏障。据认为,此屏障的解剖学基础在于睫状上皮细胞间的紧密联接与基底膜。第四节晶状体一、晶状体化学组成晶状体主要由水(约2/3)和蛋白质(约1/3)组成,透明元血管,从房水中获取营养物质,它们的代谢、合成与转运均主要通过晶状体上皮细胞完成。晶状体透明性维持依赖于正常的生化代谢。一、晶状体化学组成1.蛋白质晶状体蛋白分为可溶性蛋白与不溶性蛋白两大类,可溶性蛋白分为α-、自-Y-晶状体蛋白三种。随着年龄增长,α-晶状体蛋白被降解,短肤链增加。不溶性晶状体蛋白分为尿素溶性蛋白和尿素不溶性蛋白两种。一、晶状体化学组成2.非蛋白组分除蛋白质外,晶状体尚含氨基酸、类脂、核酸、微量元素等非蛋白组分,它们参与晶状体代谢与多种生理功能的调控过程。其中晶状体囊可通过主动转运逆浓度梯度吸收房水中的氨基酸,但随年龄不断增加及白内障形成,囊膜主动吸收能力降低,渗透性增加,且部分游离氨基酸用于不溶性蛋自质合成,以致其含量降低二、晶状体代谢1.糖代谢晶状体内葡萄糖可通过无氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖旁路、多元醇途径等方式进行代谢。其中,7096~9096的晶状体耗能由元氧酵解方式提供,每消耗1mol葡萄糖可提供2molATP。二、晶状体代谢2.蛋白质代谢因赤道部晶状体上皮细胞不断分裂,故一生中需持续不断的氨基酸供应以满足蛋白质合成的需要。目前已知晶状体上皮细胞存在丙氨酸、亮氨酸、甘氨酸(包括小分子氨.基酸)、牛磺酸四种氨基酸主动转运系统。三、晶状体疾病的生化机制及防护1.糖代谢与糖性白内障动物模型研究表明,糖尿病、半乳糖血症患者容易并发白内障。其可能机制为:在糖尿病、半乳糖血症患者,因血液、房水中还原糖浓度升高,且晶状体内醒糖还原酶活跃,致使晶状体内多元醇增加。三、晶状体疾病的生化机制及防护2.蛋白质变性与年龄相关性白内障随着年龄不断增长,受多种因素影响,晶状体蛋白质变性,不溶性蛋白质逐渐增多,晶状体透明性下降而混浊,最终导致年龄相关性白内障发生。三、晶状体疾病的生化机制及防护3.晶状体抗氧化损伤防护机制通过正常代谢机体可及时清除体内超氧阴离子等自由基,避免晶状体损伤。这一套抗氧化防护体系主要分为酶和非酶体系两大类。第五节玻璃体玻璃体为一位于晶状体后面与视网膜前面空间内的透明胶体,体积约4mL,99%由水组成,相对密度:1.0089~1.0093,渗透压:316土21mmol/L,屈光指数:1.3349,300~1400nm波长的光线90%可通过玻璃体,具有屈光、调节眼生长发育、营养储备与运输、缓冲眼球震荡、抑制新生血管形成等功能。一、玻璃体的化学组成除水外,玻璃体主要由胶原细纤维与透明质酸组成,此外尚含有非胶原蛋白、糖蛋白、氨基酸、脂类、乳酸、维生素C及无机盐等物质。玻璃体胶原由3个a(Ⅱ)肤链组成,螺旋线状,直径约为10~25nm,粗细均一,元分支及交叉,每一条胶原细纤维都与视网膜、睫状体或晶状体基底膜层相连,成网状排列。二、玻璃体内各成分分布特点玻璃体胶原细纤维分布密度从高至低依次为:玻璃体基底部、视网膜前的玻璃体后皮质、后房与晶状体后的前皮质、中央玻璃体与接近前皮质区域。在基底部,它以分散方式插入锯齿缘前后,其中最前部纤维构成前环,为产生前部增生性玻璃体视网膜病变的基础三、玻璃体内细胞玻璃体内细胞含有玻璃体细胞、成纤维细胞两种,是玻璃体代谢活动的中心。玻璃体细胞为单核细胞,有分叶核、高尔基体、内质网、溶酶体及吞噬体,基底部含量最多,赤道部最少。三、玻璃体内细胞其主要生理功能为:①合成分泌透明质酸、某些胶原与酶等;②吞噬作用,当有外来刺激或炎症时可转变为吞噬细胞;而成纤维细噢含量小于玻璃体细胞总数的10%,随年龄增长逐渐减少,主要位于玻璃体基底部、邻近视神经盘和睫状突区域。其功能可能与胶原合成有关,病理情况下参与增生性玻璃体视网膜病变形成过程。四、玻璃体的物质代谢