Ch.3 Biochemistry and Physiology 水晶體生物化學與生理學

一、本章重點與水晶體蛋白總覽：Crystallin proteins

Highlights（本章摘要）

• 人類水晶體組成：66% 水、33% 蛋白質。p.25
• 年輕水晶體中 water-soluble proteins（水溶性蛋白）占 80%；water-insoluble proteins（非水溶性蛋白）隨年齡增加與混濁程度而增加，在 brunescent cataract（褐色白內障）中最多可占 90%。p.25
• 水晶體代謝所用的 adenosine triphosphate（ATP，三磷酸腺苷）大部分由 anaerobic glycolysis（無氧糖解）產生。p.25
• 血糖高時，水晶體內 sorbitol（山梨醇）與 fructose（果糖）濃度上升。p.25
• Accommodation（調節）使中央前表面曲度增加，眼睛的屈光度（dioptric power）上升。p.25

水晶體蛋白濃度與分類

• 人類水晶體蛋白質濃度為濕重的 33%，至少是大多數組織的 2 倍⁠^Q170。p.25
• （BCSC 2）水晶體是全身蛋白質含量最高的組織，蛋白質占水晶體重量 33%，為其他組織的 2–3 倍；crystallins（水晶體蛋白）占水晶體總蛋白的 90%–95%；lipids（脂質）約占 lens-fiber plasma membrane（纖維細胞膜）乾重的 55%⁠^Q170。BCSC 2 p.296
• （BCSC 2）水晶體透明度依賴其組成元素的精確排列與維持；老化水晶體累積 yellow chromophores（黃色發色團），可保護視網膜免受較短波長光線傷害⁠^Q170。BCSC 2 p.298
• 水晶體蛋白常依 water solubility（水溶性）分成 2 群，兩群比例隨年齡改變（Fig 3-1）。p.25
• 年輕水晶體：水溶性蛋白約占 80%；隨年齡增加，非水溶性蛋白比例上升⁠^Q1354。p.25
• 水溶性蛋白主要是 crystallins，分為 2 大群：α-crystallins 與 β,γ-crystallins。p.25

α-Crystallins

• Crystallins 中最大者；天然狀態分子量 600–800 kDa，約占水晶體蛋白質量的 1/3；也可能與其他 crystallins 結合成更大的複合體。p.25
• 2 種次單元 αA 與 αB，各約 20 kDa，組成含約 30 個次單元的 heteromeric complexes（異聚複合體）。p.25
• 屬 small heat-shock proteins（小熱休克蛋白）家族：其複合體會與部分變性的蛋白結合、防止其聚集；在纖維細胞中的主要功能看來是（appears）抑制其他 crystallins 完全變性與變成不溶。p.26

β,γ-Crystallins

• 基本結構在數億年脊椎動物演化中保留；X-ray 研究顯示核心 3 維結構 motif 有 4 倍重複，暗示（suggesting）可能由 40 個殘基多肽基因的 double duplication and fusion（兩次複製與融合）而來。依分子量與 isoelectric point（等電點）再分 2 群。p.26
• β-crystallins：由 7 個基因編碼，分子量 23–32 kDa；多肽在天然狀態會彼此結合成 dimers 與更高階複合體；gel chromatography 可分為 βH（high molecular mass）與 βL（low molecular mass）兩分劃。p.26
• γ-crystallins：Crystallins 中最小者，分子量 20 kDa 或以下；人類由 4 個基因編碼；天然 γ-crystallins 不與彼此或其他蛋白結合，因此是 crystallin 分劃中分子量最低者。p.26

出處 p.25–26

二、Membrane structural proteins 與 cytoskeletal proteins

• 非水溶性蛋白依在 8 M urea（尿素）溶液中的溶解度再分 2 分劃。p.26
• Urea-soluble fraction（尿素可溶分劃）：年輕水晶體中含 cytoskeletal proteins（細胞骨架蛋白），提供細胞結構框架。p.26
• Urea-insoluble fraction（尿素不溶分劃）：年輕水晶體中含纖維細胞的 plasma membranes（細胞膜）；Fig 3-1 標示包含大多數纖維細胞膜蛋白與 major intrinsic protein。p.26

細胞骨架：不尋常的 intermediate filaments

• Urea-soluble 分劃中的 microfilaments 與 microtubules 與其他細胞類似。p.27
• 水晶體有 2 類不尋常的 intermediate filaments（中間絲）：vimentin（通常不見於上皮細胞）；beaded filaments（串珠絲）由 phakinin 與 filensin 組成，為水晶體專有。p.27
• Beaded filaments 結構的基因破壞 → 纖維細胞結構瓦解 → 最終形成 cataract（白內障）。p.27

Major intrinsic protein（MIP，aquaporin 0）

• Urea-insoluble 分劃中與纖維細胞膜相關的蛋白之一，占膜蛋白近 50%；又稱 aquaporin 0，屬 aquaporins 家族（全身其他 aquaporins 主要作為 water channels（水通道））。p.27
• MIP 在纖維開始延長時首次出現於水晶體。p.27
• 分子量 28 kDa，隨年齡被蛋白水解切成 22 kDa 片段；20–30 歲時兩者比例約相等；之後 22 kDa 片段在 nucleus（核）中占優勢。p.27
• 纖維細胞膜上有大量由 MIP 構成的水通道；MIP 在水晶體中主要作為水通道、作為縮小纖維間細胞外空間的 adhesion molecule（黏附分子），或兩者兼具，目前尚未確定。p.33

三、非水溶性蛋白隨年齡增加

• 水晶體老化時蛋白質聚集成非常大的顆粒，變成非水溶性並散射光線，使混濁增加。p.27
• 即使水晶體仍相對透明，非水溶性蛋白分劃也隨年齡增加；水溶性蛋白轉為非水溶性看來是纖維成熟的自然過程，但在白內障水晶體中可能發生得較快。p.27
• Brunescent cataract（褐色白內障，核明顯變褐）：非水溶性蛋白增加量與混濁程度直接相關；明顯褐化者核蛋白最多 90% 可能為非水溶性。p.27
• 伴隨的氧化變化：protein-to-protein 與 protein-to-glutathione disulfide bond（雙硫鍵）形成 → 核纖維細胞質中 reduced glutathione（還原型麩胱甘肽）下降、glutathione disulfide（氧化型）上升。p.27
• Glutathione 是維持水晶體細胞質還原環境的必要物質；還原型 glutathione 耗竭會加速蛋白交聯、聚集與光散射。p.27
• 核蛋白也有大量 nondisulfide crosslinks（非雙硫鍵交聯）；此不溶分劃含 yellow-brown pigments（黃褐色色素），在 nuclear cataract（核性白內障）中濃度較高；brunescent nuclear cataract 中 nondisulfide crosslinks 產生的 fluorescence（螢光）增加。p.27

四、Carbohydrate metabolism：glycolysis 與 HMP shunt

Clinical considerations（臨床考量）

• 水晶體代謝維持水晶體清澈，大部分能量來自 anaerobic glycolysis⁠^Q156。p.28
• 高血糖狀態：hexokinase 被糖解產物抑制，aldose reductase 相對增加 → 更多 glucose 轉為 sorbitol⁠^Q1403。p.28
• Sorbitol 通透性差；sorbitol 與 fructose 皆上升 → 水晶體內 osmotic pressure（滲透壓）上升 → myopic shift（近視偏移）、正常細胞骨架結構破壞、水晶體混濁；但在 acute hyperglycemia（急性高血糖）時可能（may）出現 hyperopic shift（遠視偏移）⁠^Q1308。p.28
• （BCSC 11 第 5 章）血糖升高時房水中 glucose 也上升；acute myopic shift 可能提示未診斷或控制不佳的糖尿病，相反地 insulin（胰島素）治療時可出現 hyperopic shift；type 1 diabetes mellitus 病人的 amplitude of accommodation（調節幅度）比同齡對照低，presbyopia 可能較早出現⁠^Q1308。BCSC 11 p.75

Glucose 進入與 hexokinase

• 水晶體代謝的目標是維持透明；能量生成主要依賴 glucose 代謝⁠^Q1334。p.28
• Glucose 由 aqueous humor（房水）進入水晶體，途徑有 simple diffusion（單純擴散）與 facilitated diffusion（促進擴散）。p.28
• 進入水晶體的 glucose 大部分由 hexokinase（己糖激酶）磷酸化為 glucose-6-phosphate（G6P）；此反應比糖解其他酵素慢 70–100 倍，因此是 rate-limited（速率限制）⁠^{Q1334 Q1403}。p.28
• G6P 之後進入 2 條路徑之一：anaerobic glycolysis 或 HMP shunt。p.28

Anaerobic glycolysis（無氧糖解）

• 2 條路徑中較活躍者，提供水晶體代謝所需的大部分高能磷酸鍵；Fig 3-2 標示約利用 80% 的 glucose⁠^{Q156 Q1334}。p.28–29
• ADP → ATP 的 substrate-linked phosphorylation 發生在 glucose 到 lactate 路徑中的 2 個步驟。p.28
• 糖解路徑本身的 rate-limiting step 在 phosphofructokinase（磷酸果糖激酶），受糖解代謝產物的 feedback control（回饋控制）調節。p.28
• 效率遠低於 aerobic citric acid cycle（Krebs cycle，三羧酸循環）：每個 glucose 只淨產生 2 個 ATP，而 citric acid cycle 每個 glucose 額外產生 36 個 ATP（oxidative metabolism）。p.28
• 因水晶體氧張力低，只有約 3% 的 glucose 經 citric acid cycle 產生 ATP；但這少量有氧代謝約產生水晶體 25% 的 ATP。p.28

Hexose monophosphate（HMP）shunt

• 又稱 pentose phosphate pathway（五碳糖磷酸路徑），是 G6P 利用中較不活躍的路徑：平均少於 5% 的水晶體 glucose 經此代謝⁠^Q1403。p.28
• 在 glucose 濃度升高時被刺激；參與產生 NADPH（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，還原力）⁠^Q1403。p.28

五、Sorbitol pathway 與 sugar cataract

• 未被磷酸化為 G6P 的 glucose 進入 sorbitol pathway（山梨醇路徑），或轉為 gluconic acid（葡萄糖酸）。p.29
• 關鍵酵素為 aldose reductase（醛糖還原酶），已發現在 「sugar」cataract（糖性白內障）形成中扮演樞紐角色⁠^{Q1334 Q181}。p.29
• 與 hexokinase 相比，aldose reductase 對 glucose 的 affinity（親和力）非常低；正常情況下少於 4% 的水晶體 glucose 轉為 sorbitol。p.29
• Hexokinase 反應為 rate-limited，且受糖解產物回饋抑制；水晶體內 glucose 增加（如高血糖狀態）時，sorbitol pathway 相對於糖解路徑被活化得更多，sorbitol 堆積（Fig 3-3）⁠^Q1403。p.30
• Sorbitol 由 polyol dehydrogenase（多元醇脫氫酶）代謝為 fructose；此酵素親和力相對低（high Km），需堆積相當多 sorbitol 才會進一步代謝（Fig 3-3 標示為 very slow reaction）；加上水晶體對 sorbitol 通透性差 → sorbitol 滯留於水晶體⁠^Q1403。p.30
• 高 NADPH/NADH 比值驅動反應朝 sorbitol 堆積方向；sorbitol pathway 活化造成的 NADP 堆積，可能是水晶體 glucose 升高時 HMP shunt 受刺激的原因⁠^Q1403。p.31
• 在高 glucose 環境中培養的水晶體，sorbitol 與 fructose 皆上升；兩種糖共同提高水晶體內滲透壓、吸入水分；起初耗能幫浦可代償，最終被壓垮 → 纖維腫脹、正常細胞骨架結構破壞、水晶體混濁⁠^Q1334。p.31
• 多種 hyperglycemic（高血糖）動物的研究顯示 aldose reductase 在動物白內障形成中扮演樞紐角色：高 aldose reductase 活性的物種會出現水晶體混濁，缺乏者則不會；特定抑制劑全身或局部用於單眼，在實驗研究中可降低 glucose cataract 的發生速率與嚴重度。p.31
• Galactosemia（半乳糖血症）：身體無法處理 galactose 的代謝疾病，也可導致白內障⁠^Q181。p.31
• （BCSC 2）Sugar cataracts 與 diabetes 及 galactosemia 相關；classic galactosemia 由 galactose-1-phosphate uridyltransferase 缺乏引起⁠^Q181。BCSC 2 p.302

Clinical considerations：glucose 對透明度的必要性

• 水晶體可在 nitrogen environment（氮氣環境）中維持正常代謝：只要 glucose 充足，缺氧的 in vitro 水晶體仍完全透明、ATP 正常、維持離子與胺基酸幫浦活性。p.31
• 缺乏 glucose 時，即使有氧，水晶體也無法維持上述功能，數小時後變混濁；因此 vitrectomy（玻璃體切除）灌注液會加入 dextrose（葡萄糖）。p.31

六、Oxidative damage 與保護機制

• Free radicals（自由基）：每個至少有 1 個未配對電子；產生於正常細胞代謝，也可能由 radiant energy（輻射能）等外在因子產生；高度反應性，可傷害水晶體纖維。p.31
• 水晶體纖維 plasma 或 plasma membrane lipids 的 peroxidation（過氧化）被認為（has been suggested）是促成混濁的因素之一。p.31
• 水晶體內外氧張力通常低，自由基反應可能不涉及分子氧，自由基可能直接與分子反應。p.31
• DNA 容易被自由基傷害；水晶體受到的傷害部分可修復，部分可能為永久性。自由基也可攻擊皮質的蛋白或膜脂質，目前沒有已知修復機制。p.31
• 在已不再合成蛋白的纖維中，自由基傷害可能造成脂質與蛋白的聚合與交聯 → 非水溶性蛋白含量增加。p.31

破壞 superoxide anion（O2–）的酵素系統（Fig 3-4）

• 水晶體有數種酵素共同破壞 superoxide anion（超氧陰離子，O2–），對抗自由基／氧化傷害⁠^Q1404：p.32
• Superoxide dismutase（超氧化物歧化酶）：催化破壞 superoxide anion⁠^Q1404。p.32
• Catalase（觸酶）：分解 superoxide dismutase 產生的 hydrogen peroxide（H2O2，過氧化氫）⁠^Q1404。p.32
• Glutathione peroxidase（麩胱甘肽過氧化酶）：催化產生 glutathione disulfide（GSSG）的反應；GSSG 再由 glutathione reductase 利用 NADPH 轉回 glutathione（GSH）；NADPH 由 HMP shunt（erythrocyte NADPH 的主要來源）提供。因此 glutathione 間接作為水晶體中一個主要的 free radical scavenger（自由基清除者）⁠^Q1404。p.32
• 此外（in addition），水晶體中也有 vitamin E 與 ascorbic acid（維生素 C）這兩種物質，各自可作為 free radical scavenger，保護免於氧化傷害⁠^Q1404。p.32

Clinical considerations：氧氣與白內障

• 眼內氧濃度增加可能在白內障形成中扮演角色。p.32
• 長期 hyperbaric oxygen therapy（高壓氧治療） → myopic shift、核混濁增加，且常導致 nuclear cataract（核性白內障）⁠^Q1746。p.32
• 水晶體在視網膜手術時急性暴露於較高氧，vitrectomy 後則慢性暴露；因 vitrectomy 與高比率的核性白內障相關，有人認為（it has been suggested）玻璃體凝膠結構造成的低氧環境保護水晶體免於氧化傷害。p.32

七、Lens physiology：水分、陽離子平衡與 pump-leak theory

總論

• 一生中 equator（赤道部）的上皮細胞持續分裂並發育為纖維，水晶體因此持續生長⁠^{Q1293 Q1305}。p.33
• 代謝率最高的細胞在 epithelium（上皮）與 outer cortex（外層皮質）；這些表淺細胞利用氧與 glucose，將電解質、碳水化合物與胺基酸主動運輸進入水晶體⁠^{Q1293 Q1305}。p.33
• 水晶體 avascular（無血管）；位於中心的較老細胞須與表淺細胞及外界溝通，靠 low-resistance gap junctions（低阻力間隙連接）交換小分子。p.33
• 纖維細胞膜有大量由 MIP 構成的水通道；縮小纖維細胞間的細胞外空間，對減少光線通過水晶體時的散射很重要⁠^Q156。p.33
• （BCSC 11 第 2 章）胎兒期後水晶體沒有血液供應與神經支配，完全依賴 aqueous humor 滿足代謝需求並移除廢物⁠^Q1354。BCSC 11 p.19

Maintenance of lens water and cation balance（水分與陽離子平衡）

• 正常人類水晶體約含 66% 水與 33% 蛋白質，此比例隨年齡變化很小⁠^{Q1335 Q1354 Q1397 Q1746}。p.33
• Lens cortex（皮質）比 lens nucleus（核）含水量高⁠^Q1319。p.33
• 約 5% 的水晶體體積是纖維間細胞外空間的水。p.33
• 水晶體內 sodium 維持 20 mM、potassium 維持 120 mM⁠^Q1397。p.33
• 控制水分與電解質平衡的機制或許是（perhaps）水晶體生理最重要的部分，對透明度至關重要；細胞水合的擾動容易導致混濁。p.33
• 水分與電解質失衡不是 nuclear cataract 的特徵；但 cortical cataract（皮質性白內障）中含水量明顯上升。p.33

Lens epithelium：主動運輸的部位

• 相較周圍 aqueous 與 vitreous humors，水晶體含水較少、K+ 與胺基酸較高；反之 Na+、Cl− 與水含量較低⁠^{Q1335 Q1397 Q1746}。p.33
• 內外陽離子平衡來自：細胞膜的通透性 ＋ sodium-potassium pumps 的活性；幫浦位於 lens epithelium 與每一條 lens fiber 的細胞膜。p.33
• 幫浦把 Na+ 打出、K+ 帶入，依賴 ATP 分解，由 Na+,K+-ATPase 調控；抑制 Na+,K+-ATPase → 陽離子失衡、水晶體含水量上升。p.33

Pump-leak theory（幫浦-滲漏理論，Fig 3-5）

• 主動運輸 ＋ 膜通透性常合稱水晶體的 pump-leak system。p.33
• K+ 與胺基酸等分子經前方 epithelium 主動運輸進入水晶體，再順濃度梯度經水晶體後方被動擴散出去；後方沒有主動運輸機制⁠^{Q1293 Q1305 Q1397 Q1746 Q1354}。p.33–34
• 反之，Na+ 順濃度梯度由後方流入，再由 epithelium 主動交換為 K+⁠^Q1305。p.34
• 支持證據：K+ 與 Na+ 都有前後梯度——K+ 集中於前部水晶體，Na+ 集中於後部。p.34
• 大部分 Na+,K+-ATPase 活性位於 lens epithelium 與淺層皮質纖維細胞⁠^{Q1293 Q1746}。p.34
• 移除 capsule 連同附著的 epithelium → 主動運輸機制消失；但以 collagenase（膠原酶）酵素分解只移除 capsule 時則不消失 → 支持 epithelium 是水晶體主動運輸的主要部位⁠^{Q1293 Q1305}。p.34
• Fig 3-5 圖說：主動運輸的主要部位是 anterior epithelium（前上皮），被動擴散則發生於水晶體前後兩個表面⁠^{Q1293 Q1305}。p.34

八、Accommodation（調節）

機轉與神經支配

• Accommodation：眼睛由看遠轉為看近的對焦機制，由 ciliary muscle（睫狀肌）作用於 zonular fibers（懸韌帶纖維）改變水晶體形狀而產生。p.34
• 水晶體物質在兒童與年輕成人時期最具可塑性，隨年齡逐漸失去變形能力。p.34
• 調節反應可能由以下刺激誘發：物體已知或視覺上的大小與距離、blur（模糊）、chromatic aberration（色像差），或 ciliary tone 的持續振盪。p.35
• 由 cranial nerve III（oculomotor nerve，動眼神經）的 parasympathetic fibers（副交感纖維）媒介。p.35
• Parasympathomimetic（擬副交感）藥物（如 pilocarpine）誘發調節；parasympatholytic（副交感阻斷）藥物（如 atropine）阻斷調節；放鬆睫狀肌的藥物稱 cycloplegics（睫狀肌麻痺劑）。p.35
• Amplitude of accommodation（調節幅度）：調節所造成眼睛屈光力的改變量；隨年齡下降，也可能受某些藥物與疾病影響。p.35

Helmholtz theory（Helmholtz 調節理論）

• 調節時水晶體形狀改變大部分發生在 central anterior lens surface（中央前表面）⁠^{Q1335 Q1351}。p.35
• Central anterior capsule（中央前囊）比 peripheral capsule（周邊囊）薄，且前方 zonular fibers 的插入點比後方稍靠近視軸 → 調節時中央前部隆起（central anterior bulge）⁠^{Q1351 Q1387}。p.35
• 後表面曲度在調節時變化極小；central posterior capsule 是囊袋最薄處，不論 zonular tension 如何都維持相同曲度⁠^{Q1749 Q1306 Q1319}。p.35
• Ciliary muscle 為環狀肌，收縮時效果與一般 sphincter（括約肌）的直覺相反：收縮時肌環直徑縮小 → zonular tension 放鬆 → 水晶體在維持位置下變得更 spherical（球形）⁠^{Q1294 Q1351 Q1387 Q1749}。p.35
• 因此睫狀肌收縮時：axial thickness（軸向厚度）增加、equatorial diameter（赤道直徑）減少、水晶體 dioptric power（屈光度）增加 → 產生調節⁠^{Q1294 Q1306 Q1387 Q1749}。p.35
• 睫狀肌放鬆時：zonular tension 增加、水晶體變扁平、眼睛 dioptric power 下降⁠^{Q1294 Q1306}。p.35

Table 3-1 Changes With Accommodation（調節時的變化）

Table 3-1 涵蓋調節時睫狀肌、睫狀環、懸韌帶與水晶體各項變化⁠^{Q1294 Q1306 Q1387 Q1749 Q1351}。p.35

相關水晶體基本數值（BCSC 11 第 2 章）

• 水晶體 index of refraction（折射率）中央約 1.41、周邊約 1.39；非調節狀態下約提供平均人眼約 60.00 D 聚合屈光力中的約 20.00 D⁠^Q1319。BCSC 11 p.20
• Lens capsule 在前、後 preequatorial zones 最厚，在 central posterior pole 最薄（可能只有 2–4 μm）；出生時前囊明顯比後囊厚，且前囊厚度終生持續增加；capsule 由 type IV collagen 與其他基質蛋白組成⁠^{Q1319 Q1335 Q181}。BCSC 11 p.20

九、Presbyopia（老花）

Clinical Pearl：各年齡調節力

• 青少年（adolescents）調節力一般為 12.00–16.00 D；40 歲降至 4.00–8.00 D；超過 50 歲者平均降至 少於 2.00 D（Fig 3-6）。p.36

定義與機轉

• Presbyopia：調節反應逐漸喪失，源於水晶體 elasticity（彈性）降低。p.36
• 約 40 歲或以上，lens nucleus 的僵硬（rigidity）降低調節：睫狀肌收縮不再使水晶體前表面凸度與屈光度增加，此調節下降在臨床上變得顯著。p.36
• 研究顯示一生中人類水晶體的硬度（hardness or stiffness）增加超過 1000 倍⁠^Q1351。p.36