眼生化与细胞生物学(课件)

1、眼生化与细胞生物学Ocular Biochemistry & Cell Biology 2015.10.8本章内容细胞学基本概念眼部各解剖结构的生化特点信号转导理论与科研课题思路授之以鱼，莫若授之以渔第一节 细胞学基本概念细胞是生命的基本单位Life is Totally Cellular细胞膜The Plasma Membrane磷脂双层结构双向屏障功能膜流动性功能性膜蛋白的载体镶嵌模型辅助受体功能细胞形态及功能：胞饮、胞吐小分子跨膜转运形式被动运输：依靠浓度梯度进行自由扩散，不消耗化学能：简单扩散：H2O, O2协助扩散：Na+, K+, Cl-主动运输：打破浓度平衡，依靠化学能建立浓度梯

2、度。ATP驱动的主动运输离子驱动的主动运输 Na+- K+, Ca2+ 药理作用的细胞学基础大分子跨膜转运形式胞吞作用(Endocytosis)胞吐作用(Exocytosis)吞噬作用(Phagocytosis)胞饮作用(Prinocytosis)受体介导的胞吞作用(Receptor-mediated endocytosis)网格蛋白包被的小窝和小泡 胞吞和胞吐作用细胞浆液态内环境：电解质，离子微丝细胞动力学基础肌动蛋白（actin）原肌球蛋白（tropomyosin）肌钙蛋白（troponin） 细胞骨架纤维网状结构：维持细胞形态辅助信号传递功能细胞培养的技术原理细胞器:行施功能的最小单位细

3、胞内质网和高尔基体(Endoplasmic Reticulum and Golgi apparatus)翻译遗传密码合成肽链和蛋白质线粒体（Mitochondria）呼吸作用的场所生命的“发电站”细胞核（nucleus）遗传物质染色质、DNA的集中地遗传信息的储存地物种差异的决定者细胞功能的调控中心细胞分裂的决定者细胞外基质（Extracellular Matrix，ECM）细胞外基质蛋白决定组织结构特性。胶原（Collagen）是主要的成份不同胶原在不同组织中分布不同非结构蛋白；纤连素在细胞基膜、细胞细胞连接中有重要作用氨基多糖（GAGs）蛋白多糖调节酶：MMPs/TIMPs, etc.调节

4、性多肽细胞外基质：氨基多糖（GAGs）蛋白多糖氨基多糖（Glycosaminoglycans）连接在一蛋白核心上成为蛋白多糖（Proteoglycan）因为连接化学键的不同，蛋白多糖有多种形式与胶原结合决定细胞间连接细胞外基质与细胞粘连有密切关系紧密连接（Tight Junction)结缔样连接（Adherens Junction ）间隙连接（Gap Junction）突触连接（Synapse）紧密连接Tight Junction，zonula occludens, 又称：不通透连接 (impermeable junction) 细胞膜之间无空隙，形成屏障结构，任何分子（包括水和离子）都不能通

5、过。2. 结缔样连接（Adherens Junc. Desmosome）细胞间有20nm的空隙，有多种分子连接点。3. 间隙连接（Gap Junction）细胞间隙常有2nm，多为上皮细胞与其他细胞间连接形式，可能与高度配合的离子门控通道功能有关相邻两细胞各提供一个连接子, 并对接, 在两细胞质膜中形成圆柱形的通道。每个连接子由4个或6个连接蛋白亚基构成环形结构。在通道的细胞质面有一个帽形的门, 能够开放或关闭, 调节通道中物质的移动。Gap Junction4. 突触连接（Synapse）神经细胞特有神经冲动传递的关键结构信号传导的调控环节药物治疗的突破口突触离子通道偶联受体与信号传导动作电

6、位到达突出末端引起暂时性去极化去极化作用打开电位闸门钙离子通道，导致钙离子进入突触球钙离子浓度提高诱导分离的含神经递质分泌泡的分泌，释放神经递质钙离子引起储存小泡分泌释放神经递质分泌的神经递质分子经扩散到达突出后细胞的表面受体神经递质与受体的结合，改变受体的性质离子通道开放，离子得以进入突出后细胞突触后细胞中产生动作电位引自Becker， et.al., 1996第二节 眼部解剖结构的生化与细胞学特点解剖与功能泪膜（The TearFilm） 泪膜厚度的60%为水质泪膜分为三层泪膜脂质具有特殊性质熔点35C，极性化脂质避免泪液的挥发防止泪液从睑裂溅溢防止皮肤脂质溢入眼表提供清晰的屈光介质泪膜保

7、护角膜上皮细胞保证角膜表面屈光功能泪液分泌的调控心理神经调控 细胞调控机制泪膜的临床要点干眼症泪腺功能异常腺体分泌眼泪减少眼泪过度蒸发人工泪和滴眼液生化药物滴眼液的可行性评估角膜溃疡的防治角膜镜研制要注意的技术问题泪膜相关研究方向干眼症：泪腺的细胞功能调控腺体移植和腺细胞再生干细胞自身免疫性疾病人工滴眼液的开发与改善眼病的局部给药途径角膜组织保护的新概念角膜接触镜的发展开发新的材料和镜片最大限度保留泪膜功能结膜暴露于外界的粘膜样组织易感染结膜囊富含血管和淋巴管过敏性结膜炎将眼前节代谢产物运送至淋巴系统 结膜上皮不仅仅是简单的覆盖结膜类脂蛋白转运淋巴细胞和树状细胞提供泪膜的粘液结膜上皮更新依赖于

8、Vit. A和类视黄醇缺乏导致干眼症结膜的临床要点眼前段血液循环的重要组成部分重要的眼科给药途径眼科手术的入路角膜角膜组织80脱水，用以维持透光性角膜的透明性决定于角膜细胞和基质的分子结构胶原类型在不同层所占比例不同角膜透光性角膜细胞是合成胶原和蛋白多糖的重要角色，直接影响角膜功能V型胶原与I型的结合比例可以调节胶原纤维的直径蛋白多糖与胶原的结合形式决定组织特性角膜上皮细胞泵作用角膜内皮监测GAGs的脱水状态，将过剩的水分子主动转运至前房角膜离子转运是双向的角膜细胞代谢 氧化代谢和葡萄糖代谢是角膜能量来源角膜氧来源：上皮细胞取自泪膜内皮细胞和基质来源于房水循环柠檬酸循环谷胱苷肽（Glutath

9、ione）H2O2代谢角膜上皮有多种神经递质和第二信使受体，可能决定泪液对角膜的营养代谢调节。角膜的特性与应用角膜移植材料的处理和保存方法学研究人工角膜材料的研制角膜生化与临床滴眼液对角膜功能的影响角膜内皮细胞：不再正常分裂；细胞形态随老龄化而改变影响手术损伤与修复维生素A参与蛋白多糖合成，影响角膜上皮生长角膜生化与临床角膜接触镜PMMA镜:减少角膜上皮取自泪液的氧气和葡萄糖软镜：polyHEMA等：增加O2和CO2的通透性更多的水化镜片在开发中矫正屈光：放射状角膜切开术LASIK角膜手术Epi-LASIK手术晶状体(Lens)晶体上皮细胞对光无散射和反射作用晶体蛋白有序排列保证透光性吸收光波

10、小于360nm屏蔽光波小于300nm晶体特有的蛋白组成结构比 及基质蛋白保持透光性有序排列的骨架蛋白晶体蛋白（Crystallin)晶体蛋白占90%90水溶性、三型，不同组合的复合体构成透明的晶体，依靠化学键结合晶体半通透性囊膜和生理主动转运机制:Na+出膜，Cl-/H2O入膜Na/K ATP酶泵提供转运能量囊膜上皮细胞有序极化，细胞间有间隙连接，可以使细胞层快速交流信号，统一调控，使囊膜功能类似于一个细胞。H2O由后向前发生主动转运可能具有“冲洗”功能，清除代谢废物。晶状体的代谢糖代谢:胰岛素依赖性糖尿病性白内障蛋白代谢氧化还原反应晶体变性白内障脂质代谢：晶体细胞的更新与结构维护晶体损伤任何

11、对晶状体的干扰都可以引起白内障放射线对晶体的损伤：放射线激活内源性光敏子合成，干扰氧化作用白内障的形成老龄化与白内障形成老年性白内障是多因素的晶状体蛋白质对光散射增加导致视力下降晶体生化与白内障的防治针对晶体蛋白变性机制采取预防措施，降低发病率指导生活习惯的改善研究开发预防性和/或治疗性药物模拟晶体特性开发新的人工晶体了解晶体上皮特性预防后发障巩膜巩膜的形成暗室和维持眼球形态胶原和蛋白多糖的排列顺序决定了巩膜的特性富含胶原及蛋白多糖，受MMPs/TIMPs 调控胶原的排列紊乱导致巩膜特性改变形成病理巩膜的临床要点巩膜基质异常影响巩膜发育影响眼球形态轴性屈光不正近视眼与MMPs的研究小眼球视网膜

12、渗漏性疾病房水流出通道非穿透小梁手术术后辅助用药手段的探索降眼压药物的研究疏通巩膜基质，增加房水流出葡萄膜(Uveal)虹膜(Iris）睫状体（Ciliary Body)：提供眼前节的血神经供应分泌房水，维持眼内压血房水屏障的主要部位视觉肌肉调节的主要组织脉络膜(Choriod)葡萄膜炎的自身免疫的细胞学基础脉络膜(Choriod)98的眼内血供眼部淋巴系统有完整的免疫功能房水流出通道葡萄膜与临床细胞多样性：复杂的受体信号转导通路网络血管丰富：免疫监控区域，受全身疾病影响葡萄膜炎治疗的复杂性和困难性生物工程的突破口：转基因治疗策略干细胞移植的最佳场所多种受体信号通路的可利用性房水动力学睫状体上

13、皮分泌房水肾上腺能受体调控眼压2受体激活减少房水生成 降眼压Epinephrine激活前列腺素合成：PGE2，PGF2 降眼压2受体激活增加房水生成升眼压胆碱能受体与眼压调控无关皮罗卡品减少房水生成，增加流出青光眼药物治疗的细胞学基础房水流出系统小梁网内皮层细胞外基质GAGs胶原葡萄膜巩膜流出通道青光眼药物治疗的细胞学基础睫状体生成房水小梁网内皮层细胞外基质GAGs胶原葡萄膜巩膜流出通道玻璃体(Vitreous)98水，1.0%巨大分子，其他小分子玻璃体基质：胶原纤维（10-20nm）光波长的1/2GAGs玻璃体细胞：玻璃体表层单层细胞合成透明质酸钠理化特性粘弹性胶可以在眼球运动和变形时保护视

14、网膜玻璃体阻止大量的水流，减少小分子的扩散。视网膜(Retina)视网膜代谢葡萄糖代谢：非胰岛素依赖性视网膜蛋白代谢：除常规代谢外，视网膜还有一些特异蛋白感光细胞更新是视网膜蛋白合成最活跃的部分视网膜富含脂质 (20%)：因细胞不同脂质代谢也不同。视网膜的血流血视网膜屏障调控进入视网膜的分子转运过程视网膜血流可能部分性自主调控：区别于全身血管系统，自主调控使视网膜血流持续稳定，视网膜血流占眼部血流的5%，其他大部分来自脉络膜血管。感光细胞的代谢和更新视紫红质的合成感光细胞特有的功能蛋白：膜结合蛋白，膜相关蛋白，和胞质中的蛋白质 视紫红质：盘膜90%，胞浆50%特殊的细胞骨架蛋白维持感光细胞形态

15、Rhodopsin molecule视紫红质代谢视紫红质进入膜盘遵循一条目前已很清楚的途径，从内节RER到外节膜基质中。视紫红质的糖基化是在发生在转译时和转译后，是一个经典的脂质载体机制通过运用dol-p-p-GlcNac,后者的活性可以被衣霉素所抑制。视紫红质的酰化同样在膜上发生，棕榈酸参与其酰化过程。 感光细胞损伤损伤发生在细胞代谢与更新的任何阶段损伤发生在细胞与RPE分离、视网膜下腔积液炎症反应和代谢疾病的致病因素是代谢产物的损伤生理性损伤：光照射，氧诱导代谢维生素E可以通过抑制脂质过氧化作用减少对感光细胞的损伤RPE黑色素具有保护作用感光细胞间质（Interphotoreceptor

16、Matrix， IPM）此间质为极狭小、潜在的“间隙”，细胞间结合紧密感光细胞间质是视网膜黏附的“生物胶”70%间质蛋白为感光细胞间质视黄醛结合蛋白（IRBP）蛋白多糖GAGCD44，ICAM-189MMPs和TIMPs视网膜色素上皮细胞产生粘连蛋白。感光细胞间质视网膜色素上皮(RPE)表达多种特异蛋白，具有多种重要功能维护视网膜黏附，保持局部解剖结构具有巨噬细胞及类骨髓样细胞功能:IgFc受体，CD68，可诱导性NOSCD36巨噬功能前列腺素类物质细胞更新所需的FGF,IGF-1,IL-1血-视网膜屏障的第二站视网膜色素上皮(RPE)感光细胞的功能依赖于健康的RPE层清除已消耗的感光细胞信号

17、代谢产物清除感光细胞自我更新的废物RPE以极化的方式紧密连接，但是分子转运是双向的：能量和水，维生素A1和2肾上腺素受体，细胞色素P450代谢系统黑色素代谢。视网膜神经生化视紫红质，维生素A，感光细胞更新光信号转导：将光能转化成电化学能，是一个涉及Na+通道关闭机制的生物级联放大系统。黑暗：Ca2+入胞，Na+出胞光照: Na+通道关闭，相对极化状态cGMP参与光信号传导光信号传导图注解Diagram depicting the principal reactions in phototransduction. Light initiates the isomerization of 11-c

18、is retinal to all-trans retinal resulting in the activated(Meta II)state of rhodopsin. Meta II rhodopsin catalyzes the exchange of GDP for GTP on transducin and the dissociation of the subunt (T ) from the subunits(T). T interacts with phosphodiesterase(PDE)to release the inhibitory constraint on th

19、e enzyme. Activated DPE catalyzes the hydrolysis of cGMP to 5GMP. The decrease in intracellular cGMP concentration causes the channel to close and the rod cell to hyperpolarize. Intracellular Ca2+ levels decrease as the Na/Ca-K exchanger contimues to extrude Ca2+ from the outer segment. Photorecover

20、y is initiated by he shutoff of the visual cascade and the calcium-mediated feedback mechanism. The visual cascade system is inactivated through (1) the phosphorylation of rhodopsin by rhodopsin kinase (RK) and the subsequent binding of arrestin; (2) hydrolysis of GTP to GDP on the subunit off trans

21、ducin, a reaction activated by RGS protein. PDE also returns to its inactive state as a result of this reaction; and (3) reassociation of the subunit of transducin with its subunits to form the inactivated transducin heterodimer. Low intacellular Ca2+ concentrations lead to (l) the activation of gua

22、nylate cyclase, a process that is mediated by the calcium-binding protein GCAP; and (2) an increase in the sensitivity of the channel to cGMP as a result of the dissociation of calmodulin from the channel. As cGMP concentration increases, the channels reopen and the cell is returned to its depolariz

23、ed state. The increase in Ca2+ also converts guanylate cylase to its inactive or basal level of activity. The solid arrows show the photoexcitation process; dashed arrows show the photorecovery process. (Reproduced from Molday RS1996 The Friedenwald Lecture.IOVS 39(13):2499, with permission.)神经视网膜的突

24、触传递感光细胞通过突触将信号传至双极细胞黑暗：递质蓄积在膜内光照：释放递质改变双极细胞膜电位双极细胞：光信号到达双极细胞，两种反应：ON: 去极化谷氨酸释放减少OFF：极化谷氨酸释放增加谷氨酸是视网膜中主要的递质突触传递双极细胞电信号到达：水平细胞激动性信号，部分抑制性信号无长突细胞（Amacrine Cell)抑制信号谷氨酸主要的激动性递质已酰胆碱是无长突细胞的主要递质多巴胺在视网膜中起调节作用小结：与全身其他器官一样，眼部组织存在多种生化反应但眼球还存在一些特异性的生化反应，决定了眼睛视觉功能的特殊性，这些特殊反应是由眼球特异的细胞所决定的。了解眼睛的细胞特异性及其生化特点，对研究眼部疾病

25、的发生机制有重要的帮助。第三节 细胞信号转导概论“信号”的概念Signal：信息-“干预因素”能引起某种物质自身发生改变可以导致其他物质发生改变Messenger： “信使”被signal改变后、又能引起其他物质改变的物质分子对“signaling”的理解：“信号传导/传递”细胞生理信息的直接传递“信使”自身没有发生改变，自身传递信息细胞分泌信使因子后，引起其他细胞的生理状态发生变化：例如：跨膜电位神经冲动的播散白细胞介素（Interlukin， IL）对“Signal Transduction”的理解：“信号转导”细胞信号的转化、传导“信使”自身发生改变，“信号”转给下一信使传递信息例如：受体离子激酶磷酸化等正确理解概念Signaling和Signal Transduction没有明确界限Signaling：多见于细胞与细胞之间Signal Transduction