ХРУСТАЛИК ГЛАЗА [ lens eye, crystalline lens of the eye ] Хрусталик - это часть преломляющей системы глаза, высокоорганизованная структура, обладающая управляемым свойством преломлять световые лучи, попадающие в глаз.
В РАЗРАБОТКЕ = UNDER CONSTRUCTION
• В хрусталике выделяют три части: капсула хрусталика, эпителий хрусталика и волокна хрусталика.
• 90% всех белков хрусталика составляют белки: α-кристаллин, β-кристаллин и γ-кристаллин.
• Функции хрусталика зависят от метаболизма глюкозы как истоячника энергии, от синтеза белков и от организации сложной системы антиоксидантов.
• Прозрачность хрусталика зависит от его структурно-функциональной организации, от плотности упаковки белков-кристаллинов, от доставки веществ, необходимых для нормального метаболизма хрусталика и от удаления конечных продуктов метаболизма.
• Управляемое свойство хрусталика изменять свои фокусирующие возможности называется аккомодацией.
• Хрусталик, как и любые живые структуры, подвергается возрастным изменениям ферментативных активностей, метаболических возможностей, изменениям своей структуры и проведения света.
Хрусталик взрослого человека имеет форму асимметричного приплюснутого сфероида. Он расположен в переднем отделе глаза позади радужной оболочки и зрачка. Хрусталик не содержит нервов, кровенеосных сосудов и соединительной ткани. Передняя поверхность хрусталика со стороны роговицы соприкасается с внутриглазной жидкостью передней камеры глаза. Задняя поверхность хрусталика контактирует со стекловидным телом глаза. Поверхность переднего полюса хрусталика и передняя поверхность роговицы отстоят друг от друга на ~3,5 мм. Хрусталик удерживается на своём месте зонулярными волокнами (поддерживающие связки, циннова связка). Цинн Иоганн Готфрид (Johann Gottfried Zinn, 1727-1759) - офтальмолог, Германия. Эти волокна проходят между хрусталиком и ресничным телом. Зонулярные волокна, синтезируемые со стороны ресничного эпителия представляют собой группы волокон, состоящих главным образом из фибриллина. Волокна в виде передних и задних пучков конвергируют в циркулярную зону хрусталика. Задние пучки волокон, на расстоянии ~1-2 мм от экватора хрусталика, вплетаются на глубину ~1-2 мкм в наружную часть капсулы хрусталика. Передние пучки волокон также вплетаются во внутреннюю часть капсулы хрусталика. Некоторые пучки зонулярных волокон вплетаются в капсулу хрусталика в области его экватора.
Гистологически хрусталик состоит из трёх главных частей: капсула хрусталика, эпителий хрусталика и волокна хрусталика.
Хрусталик покрыт эластической оболочкой из безклеточного вещества, в котором, как структурные элементы, заключены эпителиальные клетки и волокна. Оболочка может пропускать к хрусталику и от него вещества с небольшими размерами молекул. Толщина капсулы неодинакова в различных областях хрусталика и увеличивается с возрастом человека. Капсула построена из многочисленных чешуек, соединённых концами друг с другом. Чешуйки наиболее узкие у наружной поверхности капсулы и наиболее широкие по соседству с клеточной массой эпителия хрусталика. Чешуйки содержат небольшое количество структурного белка фибронектина. Касула хрусталика является одной из самых толстых базальных мембран тела человека. Она постоянно синтезируется и обновляется спереди эпителием хрусталика, а сзади - удлинненными клетками-волокнами хрусталика.
Эпителий хрусталика представляет собой один слой клеток, расположенный непосредственно под передним отделом капсулы хрусталика и простирающийся к экваториальной дуге хрусталика. Эти клетки имеют кубовидную форму высотой ~10 мкм и шириной ~15 мкм. Их базальная поверхность прикреплена к капсуле хрусталика, а апикальная поверхность примыкает к вновь образованным удлинненным клеткам-волокнам хрусталика. Эпителиальные клетки хрусталика содержат ядро с зубчатыми краями и обычный набор органелл. Они также содержат плотные тела и гранулы гликогена. Латеральные мембраны соседних клеток имеют неровную поверхность и соединяются друг с другом посредством десмосом и плотных контактов. Эпителиальные клетки хрусталика содержат три главных группы элементов цитоскелета: актиновые микрофиламенты, виментиновые промежуточные филаменты и тубулиновые микротрубочки. Эти элементы цитоскелета образуют сеть, сохраняющую структуру, форму и объём клеток, обеспечивают компартментализацию цитоплазмы, движения органелл и клеток в целом, демпфируют механические деформации и запускают движения хромосом во время деления клеток. Плотность эпителиальных клеток и их размеры больше в центральной зоне хрусталика, там, где клетки в норме не пролиферируют. Способность клеток к пролиферации наибольшая у экватора хрусталика. Клетки в зародышевой экваториальной области делятся непрерывно. Вновь образованные клетки перемещаются в промежуточную зону, где они удлиняются и дифференцируются, образуя волокнистую массу хрусталика.
Вещество хрусталика, составляющее основную его массу, состоит из плотно упакованных цитоплазматических волокон с очень небольшим по объёму внеклеточным пространством. В хрусталике взрослого человека выделяют ядро хрусталика и кору хрусталика. Эти отделы между собой не имеют чёткой границы. Размеры этих двух областей зависят от возраста человека. Статистически установлено, что средний диаметр ядра хрусталика человека возрастом 61 год составляет ~84% диаметра всего хрусталика. Остальные ~16% приходятся на кору хрусталика. В ядре хрусталика выделяют четыре зоны: эмбриональное (незрелое) ядро, фетальное (плодное) ядро, инфантильное (младенческое) ядро и зрелое ядро. Эмбриональное ядро содержит исходные первичные волоконные клетки, которые сформированы в хрусталиковый пузырёк. Остальные зоны хрусталика построены из вторичных волокон Вторичные волокна концентрически добавляются к эмбриональному (первичному) ядру по мере роста и созревания хрусталика. Кора хрусталика, расположенная по его периферии непрерывно строится полностью из вторичных волокон после полового созревания индивида. Область хрусталика по периферии уплотнённых эмбрионального и фетального ядер, то есть волокна, формирующие инфантильное и зрелое ядра, иногда называют эпинуклеусом.
Хрусталиковые волокна формируются непрерывно на протяжении всей жизни индивида из эпителиальных клеток на экваторе хрусталика. Вначале формируются переходные столбчатые клетки, располагающиеся у экватора хрусталика. Базальные концы этих клеток расположены на внутренней стороне капсулы хрусталика, а апикальные концы обращены в сторону ядра хрусталика. Спустя некоторое время, с базальных и с апикальных концов эти переходные столбчатые клетки начинают удлиняться. Базальные концы столбчатых клеток удлиняются под передний слой эпителиальных клеток, а апикальные концы столбчатых клеток удлиняются под задний отдел внутренней стороны капсулы хрусталика. Так постепенно образуются U-образные волокна, дуги, концы которых направляются к полюсам внутренней поверхности капсулы хрусталика.
Зрелые волокна отделяют ядро хрусталика спереди от переднего эпителия хрусталика, а сзади от его задней капсулы. Каждый новый слой вторичных волокон, образовавшихся на периферии является слоем роста хрусталика. Волокна хрусталика через частично регулярные интервалы латеральных поверхностей плазмалемм скрепляются вместе посредством подвижных соединений, десмосом и плотных контактов.
На переднем и заднем полюсах хрусталика обнаружены швы волокон хрусталика. Они образованы перекрытиями концов вторичных волокон каждого слоя роста хрусталика. Первичные волокна эмбрионального ядра хрусталика не образуют подобных швов. Каждый слой роста вторичных волокон хрусталика во время внутриутробного развития, до рождения, образует швы по форме напоминающий равностороннюю и равноугольную букву Y. Ориентация швов переднего и заднего полюса различна. Процесс образования швов ведёт к изменению формы хрусталика. Форма хрусталика вместо симметричной сферы постепенно превращается в несимметрично уплощённый двояковыпуклый сфероид.
Рост хрусталика на протяжении жизни индивида отличается от характеристик роста любых других внутренних органов. Максимальная скорость роста в юности, с возрастом уменьшается. В среднем площадь поверхности капсулы хрусталика увеличивается с ~80 мм2 при рождении до ~180 мм2 к 70 годам жизни. Скорость увеличения количества клеток увеличивается синхронно с увеличением массы и размеров хрусталика. Наибольшая скорость роста наблюдается в первые двадцать лет после рождения. Количество клеток и волокон за этот интервал времени увеличивается ~40-50%. В последующем интенсивность роста количества клеток и волокон уменьшается.
Масса хрусталика быстро увеличивается от ~65 мг при рождении до ~125 мг к началу второго года жизни. Скорость прироста массы хрусталика до первых десяти лет составляет ~2,8 мг / год. За это время масса хрусталика увеличивается до ~150 мг. В последующие годы жизни скорость прироста массы хрусталика уменьшается (~1,4 мг / год) и его масса к 90 годам составляет ~260 мг. Масса хрусталика мужчин больше массы хрусталика женщин того же возраста. Средняя разница составляет ~7,9 ± 2,47 mg.
Размеры хрусталика на протяжении жизни увеличиваются. Скорость увеличения значимо снижается после двадцати лет. Диаметр хрусталика увеличивается от ~5 мм при рождении до ~9-10 мм к двадцати годам жизни. Толщина хрусталика увеличивается с меньшей интенсивностью, чем его диаметр по экватору. Расстояние от преднего до заднего полюса хрусталика при рождении составляет ~3-4 мм и на протяжении жизни индивида увеличивается до ~4,75-5 мм (без аккомодации). Толщина ядра хрусталика в результате его уплотнения с возрастом уменьшается. В то же время толщина кортикального слоя увеличивается на величину большую, чем величина уменьшения ядра. Это происходит в результате добавления на периферии хрусталика новых волокон. Поскольку толщина кортикального слоя увеличивается на величину большую, чем величина уменьшения ядра, итогом является то, что с возрастом увеличивается полярная ось хрусталика. Радиус кривизны передней поверхности хрусталика с возрастом уменьшается с ~16 мм в возрасте 10 лет до ~8 мм в возрасте 80 лет. Радиус кривизны задней поверхности хрусталика с возрастом почти не меняется и остается приблизительно равным ~8 мм
Физиология хрусталика: проницаемость, диффузия, транспорт. После инволюции гиалоидного кровоснабжения хрусталика (сосудистая оболочка хрусталика, tunica vasculosa lentis) метаболические потребности хрусталика удовлетворяются с участием внутриглазной жидкости и стекловидного тела. Капсула хрусталика свободно проницаема для воды, ионов, веществ с малыми размерами молекул, в частности белков с молекулярной массой (атомной единицей массы) меньше ~70 kDa. Плотные контакты между плазмалеммами эпителиальных клеток не сильно ограничивают движение молекул в массу волокон хрусталика. Эпителиальные клетки и волокна имеют различные каналы, насосы и биохимические переносчики веществ, которые обеспечивают двусторонний обмен хрусталика и экстрацеллюлярного пространства различными веществами.
Транспорт ионов. В волоконных клетках содержатся в больших концентрациях отрицательно заряженные белки-кристаллины. Для того, чтобы нейтрализовать эти анионы, поддержать электрическую нейтральность, в клетки хрусталика поступают положительно заряженные ионы (катионы). В результате осмотическая концентрация веществ в растворе (осмолярность) вещества во внутриклеточной жидкости становится больше, чем во внеклеточной жидкости. Возникающий концентрационный градиент мог бы вызвать осмотический поток жидкости в клетку и её разбухание. Эта возможность ограничивается калий-натриевым насосом, активным трансмембранным транспортом ионов калия в цитоплазму и ионов натрия из цитоплазмы. Калий-натриевый насос создает негативный потенциал покоя плазмалеммы (трансмембранную разность потенциалов), переятствующий снижению концентрационного градиента. Энергетические потребности калий-натриевого насоса обеспечиваются за счёт анаэробного гликолиза.
Транспорт аминокислот и углеводов осуществляется главным образом из внутриглазной жидкости, как с передней, так и с задней поверхности хрусталика. Аминокислоты могут активно транспортироваться в хрусталик через переднюю его поверхность и пассивно выходить из хрусталика через его заднюю поверхность. Глюкоза может транспортироваться как через переднюю, так и через заднюю поверхности хрусталика.
Биофизика хрусталика.
Проведение света. Роговица и хрусталик действуют как спектральный фильтр, поглощающий воздействующее на него потенциально патогенное для сетчатки глаза ультрафиолетовое излучение. Роговица полностью поглощает электромагнитное излучение с длинами волн ~295 нм. Хрусталик полностью поглощает ультрафиолетовое излучение с длинами волн ~300-315 нм, а также по большей части ультрафиолетовое излучение с длинами волн ~315-400 нм. С увеличением возраста проводимость хрусталика для электромагнитного излучения уменьшается.
Прозрачность. Во время ранних стадий эмбриогенеза хрусталик непрозрачен. В процессе непрерывного развития, с утратой гиалоидных сосудов, хрусталик становится прозрачным. (Греч.: - ϋαλος - стекло, прозрачный камень, 1836). Развитие прозрачности хрусталика обусловлено постепенной утратой хромофоров, абсорбирующих видимый свет, а также развитием высокоорганизованных структур, которые имеют минимальное рассеяние лучей света (менее 5% для нормального хрусталика человека). Рассеяние лучей света минимизируется особенностью развивающихся структур волоконных клеток. В своем созревании они полностью удлиняются и их органеллы дегенерируют. Эпителиальные клетки, предшественники волоконных клеток, содержат большое количество органелл, рассеивающих лучи света. Однако совокупный коэффициент преломления эпителиального слоя и капсулы хрусталика не сильно отличается от коэффициента преломления стекловидного тела, и потому рассеяние лучей светка этой областью малозначимо.
Коэффициенты преломления хрусталика увеличиваются от ~1,386 в его периферической коре до ~1,41 в центральной области ядра. Кривизна хрусталика и коэффициент преломления увеличиваются от периферии к центру. Поэтому каждый последующий слой его волокон обладает большей преломляющей силой. Передний капсулярный слой хрусталика имеет больший коэффициент преломления, чем задний капсулярный слой (~1,364–1,381 в сравнении с ~1,338–1,357). Изменение коэффициента преломления от поверхности хрусталика к его центру связано с изменением в его структуре концентрации белков, чем выше концентрация белков, тем больше преломляющая сила. Поскольку синтез белков в хрусталике минимален, изменение коэффициента преломления от поверхности хрусталика к его центру является результатом двух причин: упаковкой молекул белков и их гидратационными свойствами.
Аберрации оптических систем. В элементарной физике при рассмотрении оптических систем используется ряд упрощающих предположений, облегчающих понимание существа вопроса. Главные предположения: (1) оптические системы являются жёстко детерминистскими системами; (2) процессы в оптических системах являются полностью регулярными процессами; (3) воздействия на оптические системы являются полностью регулярными процессами. Производные от главных предположений: (а) в оптической системе изображение образуется предельно узкими пучками света, (б) лучи света входят в систему под небольшими углами к главной оптической оси системы. Если эти предположения справедливы, то каждой точке предмета воспринимаемого оптической системой, однозначно соответствует единственная точка изображения в оптической системе. Иначе говоря, предмет воспринимается и изображается оптической системой без искажений. Все эти предположения в реальных оптических системах, и, тем более, в оптической системе глаза, не справедливы. Поэтому в реальных оптических системах возникают аберрации - искажения изображения воспринимаемого предмета. Ниже будут рассмотрены некоторые виды искажений изображений жёстко детерминистскими оптическими системами. Значение главных предположений см. в статье «вероятностная методология».
Хроматическая аберрация в хрусталике. Когда видимый белый свет проходит через хрусталик, он расщепляется на все цвета светового спектра. Можно было бы предположить, что все лучи любого цвета, исходящие из одной и той же точки, после прохождения через хрусталик будут отображаться в одной и той же точке. Однако так не происходит. Лучи разных цветов (различной длины волны), исходящие из одной и той же точки, после прохождения через хрусталик будут отображаться в разных точках то есть с отклонением, аберрацией (лат.: aberratio - уклонение, от ab - приставка со смыслом «отделение», «уклонение» + errare - блуждать, уклоняться) от одной и той же предполагаемой точки. Это связано со следующей закономерностью. Каждому цвету присуща собственная длина волны. Скорость прохождения луча через преломляющую среду (линза, хрусталик) зависит от длины волны света. Различные длины волн лучей разных цветов обусловливают различные скорости их прохождения через хрусталик. В результате лучи разного цвета, исходящие из одной и той же точки после прохождения через хрусталик, будут отображаться не в одной и той же предполагаемой точке, а в разных точках сетчатки (плоскость отображения, экран). При этом изображения от воздействия белого света (содержащего лучи всех цветов) оказываются окрашенными (окаймленным цветными кружками). Это характерное для лучей любых цветов явление называется хроматической аберрацией. Иначе, от длины волны лучей света зависит показатель преломления оптической системы и, следовательно, её фокусное расстояние. Например, лучи синего цвета преломляются сильнее, чем красные. Отсюда, лучи различного цвета фокусируются на разных расстояниях от хрусталика и отображаются в разных местах сетчатки (экрана). Существуют и другие разновидности аберраций оптической системы глаза.
Метаболизм веществ в хрусталике.
• Аккомодация - это процесс диоптрического изменения оптической силы глаза, обеспечивающий возможность глазу изменять фокусное расстояние глаза и отображать на сетчатке объекты, находящиеся как на дальнем, так и на близком расстоянии от субъекта. Короче: Аккомодация — способность глаза к четкому видению разноудаленных объектов за счет изменения рефракции.
• Аккомодация осуществляется в основном в соответствии с механизмом впервые описанным в 1886 г. Германом Гельмгольцем (Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821-1894, физик и психофизиолог, Германия).
• Аккомодация глаза осуществляется при сокращении кольцевой ресничной мышцы глаза, окружающей хрусталик.
• При сокращении ресничной мышцы вершина ресничного тела сдвигается по направлению к главной оптической оси глаза. При этом уменьшается диаметр образованного ресничной мышцей кольца. По экватору хрусталика расположены радиальные сухожильные зонулярные волокна связки (циннова связка) поддерживающей хрусталик. Цинн Иоганн Готфрид (Johann Gottfried Zinn, 1727-1759) - офтальмолог, Германия. Зонулярные волокна вплетаются в кольцо ресничной мышцы и находятся в состоянии определённого тонического напряжения покоя. При уменьшении диаметра мышечного кольца зонулярные волокна высвобождаются, так что снижается их тоническое напряжение. Снижение напряжения зонулярных волокон, вплетающиеся в наружную часть циркулярной зоны капсулы хрусталика, позволяет эластичному хрусталику принять более сферическую форму. При этом увеличивается преломляющая сила (рефракция) глаза.
• Во время аккомодации диаметр хрусталика уменьшается. Одновременно его передняя поверхность смещается вперёд, а задняя поверхность - назад и кривизна этих поверхностей увеличивается. В результате этого толщина ядра хрусталика увеличивается, но без изменения толщины его коры.
• Увеличение кривизны передней и задней поверхностей хрусталика обусловливает увеличение оптической силы хрусталика.
• Описанные физические изменения хрусталика и глаза приводит к увеличению оптической силы глаза к фокусированию глаза на близко расположенные объекты.
• Сокращение ресничной мышцы управляется сигналами, поступающими к ней по парасимпатическим волокнам, идущим в составе глазодвигательного нерва. Когда взгляд человека переводится с отдалённого предмета на близлежащий, по эфферентным парасимпатическим волокнам к ресничной мышце поступают сигналы, вызывающие её сокращение и увеличение преломляющей силы глаза.
• При рассматривании близлежащих предметов парасимпатические управляющие сигналы также вызывают сокращение мышцы сфинктера зрачка. Зрачок суживается (миоз) и периферические лучи от рассматриваемого предмета не попадают на сетчатку. В результате сужения зрачка глубина резкости оптической системы глаза увеличивается и на сетчатке формируется более чёткое изображение рассматриваемого предмета. Аккомодация сопровождается сопряжённой конвергенцией обоих глаз.
• Аккомодация состоит из физической аккомодации и физиологической аккомодации. Мерой физической аккомодации является максимально возможная
амплитуда формы хрусталика во время процесса аккомодации. Амплитуда (объём, сила) аккомодации - это разница между преломляющей силой (рефракция, в диоптриях) глаза в покое (неаккомодированного глаза) и преломляющей силой полностью аккомодированного глаза. Диапазон между максимальной и минимальной рефракцией, составляющий разницу ~ 70 - 60 = 10 дптр является оценкой максимальной амплитуды аккомодации. Физиологической аккомодацией называют величину, определяемую как отношение силы сокращения ресничной мышцы к величине рефракции (в диоптриях). Эту меру обозначают как миодиоптрия. Миодиоптрия увеличивается во время аккомодации.
Биохимия хрусталика.
Адлер с. 140
Характерные особенности метаболизма клеток хрусталика. Хрусталик, как и все другие биотические системы, подвержен потенциально патогенному оксидативному стрессу. Окисление может быть вызвано токсичными формами кислорода - молекулярным кислородом (пероксиды) или свободными радикалами. Свободные радикалы кислорода образуются при нормальной активности митохондрий, при некоторых метаболических процессах и при воздействии электромагнитных излучений (например, при поглощении света). Для противодействовия потенциально патогенному оксидативному стрессу все клетки поддерживают в своей цитоплазме антиоксидантную восстановительную среду. Выработка восстановительных эквивалентов осуществляется с затратами энергии. Покольку волоконные клетки глубоких слоев хрусталика имеют мало митохондрий, выработка восстановительных эквивалентов в этих клетках затруднена. Ферментные системы глубоких волоконных клеткок малоактивны или неактивны. В стареющих клетках хрусталика ферментные системы синтезируются асинхронно преждевременно. По этим причинам защитные антиоксидативные системы функционируют неэффективно. Они не предотвращающт потенциально патогенные окисления мембранных липидов, цитоплазматических белков. В этих условиях антиоксидативные системы не обеспечивают диффузию защищающих от оксидативного стресса молекул из клеток хрусталика, расположенных более поверхностно. Особенностью структуры хрусталика является то, что его волоконные клетки не контактируют с эпителием хрусталика и его капсулы. Притательные вещества могут попадать в эти клетки посредством диффузии либо через межклеточные пространства, либо через специализированные сопряжения клетка-клетка. Для того, чтобы уменьшать рассеяние света и обеспечивать прозрачность хрусталика, его волоконные клетки должны поддерживать очень малый объём внеклеточного пространства. Это приводит к предположению о большей доле трансклеточного метаболического транспорта по сравнению с межклеточным его транспортом. Это предположение наиболее правдоподобно для центральных областей хрусталика. Зрелые волоконные клетки хрусталика не синтезируют белков. Поэтому процессы старения зрелых волоконных клеток происходят без их регенерации.
Хрусталик получает наибольшую часть необходимой энергии в результате гликолиза. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Результатом накопления лактата является значительное снижение и различия в pH от периферических к глубоким областям волоконных клеток. Обычно проницаемость плотных контактов клеток снижается с уменьшением pH. В то же время проницаемость плотных контактов волоконных клеток не зависит от pH. Это способствует эффективному диффузионному транспорту веществ от периферии к центру хрусталика.
Особенностью метаболизма белков в хрусталике является то, что белки, синтезируемые поверхностными волоконными клетками во время эмбриогенеза, сохраняют свою устойчивость в течение всей жизни человека. Накопляющиеся повреждения в хрусталике ведут к потере активности ферментативных систем, повреждению структуры белков-кристаллинов, белков цитоскелета. Это может стать причиной утраты способности белков к аггрегации и к возникновению катаракты.
Special problems of lens
cell metabolism
Overview
Оксиданты внутри и вне хрусталика.
Все клетки организма существуют в окисляющей среде. Молекулярный кислород является непосредственным или опосредованным источником большинства оксидативных повреждений клеток.
???Если клетки могут выжить в атмосфере свободной от кислорода, они способны предотвращать большинство из оксидативных повреждений. Для большинства клеток это невозможно. В отличие от этого, хрусталик человека может
некоторое время существовать в атмосфере чистого азота, до тех пор пока . Это возможно потому, что хрусталик получает большую часть необходимой для метаболизма энергии из гликолиза.???
Наиболее значительную часть необходимой энергии хрусталик получает из гликолиза.
Напряжение кислорода вокруг хрусталика живого глаза довольно низкое. Его значение составляет <15 мм Hg (~2% O2) непосредственно у передней поверхности хрусталика и <9 мм Hg (~1,3% O2) непосредственно у задней поверхности хрусталика. Уровень напряжения кислорода внутри хрусталика человека еще ниже и составляет <2 мм Hg. Такое низкое напряжение кислорода вокруг хрусталика и внутри него способствует защите протеинов и липидов хрусталика от оксидативного повреждения. Но даже при таком низком уровне напряжения кислорода, хрусталик в норме производит определённую долю своего АТФ из окислительного фосфорилирования, процесса, который при определённых условиях генерируе свободные радикалы.
Кроме молекулярного кислорода возможной причиной оксидативного стресса хрусталика может быть перекись водорода. Перекись водорода образуется в митохондриях при участии фермента супероксид-дисмутазы, действующей на супероксид-анион, промежуточный продукт окислительного фосфорилирования. Перекись водорода может также образовываться при окислении аскорбиновой кислоты, в высоких концентрациях присутствующей во внутриглазной жидкости и жидкости стекловидного тела (приблизительно 1,5-2,5 мкмоль).
На протяжении всей жизни хрусталик подвергается влиянию солнечной радиации. И хотя большая часть энергии и потенциально вредного ультрафиолетового излучения достигающего глаза, поглощается роговицей, остальная часть солнечной радиации может вызывать повреждающие влияния. Особенно подвержен таким влияниям метаболизм наиболее уязвимых волоконных клеток. В общем, если бы солнечный свет не абсорбировался, он неизбежно вызывал бы повреждения глаза. К счастю солнечный свет поглощается многими компонентами клеток, среди которых: ДНК, протеины, нуклеозидсодержащие метаболиты, флавоноиды, пигменты. Флавоноиды и пигменты кроме того поглощают видимый свет, особенно коротковолновое видимое излучение. Все эти взаимодействия являются потенциальными источниками свободных радикалов. Свободные радикалы окисляют ДНК, липиды и протеины. Будут ли образовываться свободные радикалы или нет при поглощении света зависит от химической природы взаимодействующей со светом молекулы, и её молекулярной среды.
Несмотря на то, что на протяжении всей жизни солнечная радиация влияет на многие потенциально повреждаемые цели, белки центральных областей хрусталика остаются интактными по отношению к свободным радикалам на протяжении всей жизни человека. Вероятно это связано с высокой внутриклеточной концентрацией веществ-восстановителей, компенсирующих возможные влиянияы низких концентраций кислорода в хрусталике и вокруг него.
Адлер с. 141
Защита против повреждающего окисления.
Глутатион, трипептид, включающий аминокислоты глутамин, цистеин и глицин, обеспечивает наибольшую защиту от окислительного повреждения хрусталика. Концентрация глутатиона в цитоплазме хрусталике очень высока (~4-6 ммоль). Эасчет того, что его сульфгидрильные группы легко окисляются, глутатион предотвращает окисление других компонентов цитоплазмы зрусталика. При снижении концентрации глутатиона в хрусталике в целом или в его эпителиальных клетках, увеличивается вероятность возникновения повреждения клеток и возникновения катаракты. Эпителиальные клетки хрусталика и его поверхностные волоконные клетки способны синтезировать глутатион, который транспортируется в хрусталике с участием внутриглазной жидкости.
Восстановленный глутатион (Reduced glutathione, GSH) - продукт регенерации окисленного глутатиона (oxidized glutathione, GSSG), см. схему: Главные реакции восстановления глутатиона. Регенерация катализируется ферментом глутатион-редуктазы и никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфата (Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP). Значительная часть никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфата (NADP) хрусталика образуется в процессе гексозомонофосфатного цикла (гексозомонофосфатный шунт). Гексозомонофосфатный шунт – это процесс прямого аэробного окисления фосфорилированной глюкозы до двуокиси углерода (CO2) и воды (H2O). Этот ферментативный процесс, протекает в цитоплазме клеток и сопровождается накоплением кофермента – восстановленного никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфата (Reduced Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP-H)- и образованием производных пентоз. В соответствии с этим процесс именующийся как «гексозомонофосфатный шунт» получил другие названия: пентозофосфатный цикл, пентозофосфатный путь, пентозофосфатный цикл шунт.
Это название этот путь получил потому, что при его реализации глюкозо-6-фосфат (Glucose 6-phosphate, Г6Ф) выключается (шунт) из гликолиза. Этот шунт был исследован в 1950-е Ф.Дикенсом, Ф.Липманом, Э.Рэкером и Б.Хорекером после открытия (О.Варбург, 1931) глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (КФ1.1.1.49). Гексозомонофосфатный шунт состоит из окислительного декарбоксилирования (3 первых реакции) Г6Ф (от гексозы отщепляется первый атом углерода) и неокислительных превращений пентозофосфатов (5 последующих реакций) с образованием исходного Г6Ф: ???
Гексозомонофосфатный шунт
Much of the
NADPH in the lens is produced by the hexose monophosphate
shunt, the activity of which is important for the continued
production of reduced glutathione.212
However, fiber cells deeper in the lens have minimal
capacity for the synthesis or reduction of glutathione. They
must obtain most of their reduced glutathione by diffusion
from more superficial fiber cells.237,240 Glutathione can form
disulfide bonds with the oxidized sulfhydryl groups of proteins.
These glutathione-protein mixed disulfides can then
be reduced by a second molecule of glutathione, a process
that is facilitated by the enzyme thioltransferase.241 This
regenerates the protein sulfhydryl and forms GSSG (two
molecules of glutathione linked by a disulfide bond). The
GSSG that results from this process must then diffuse to
more superficial layers of the lens where it can be reduced
to regenerate GSH (Fig. 5.10). It is likely that this two-way
diffusion is the rate-limiting step in maintaining a reducing
environment in the center of the lens.209,210 The rate of diffusion
between the superficial and deeper layers of the lens
diminishes with age.240 Therefore, proteins and lipids in the
nuclei of older lenses may be more susceptible to oxidative
injury than those in younger lenses.
Ascorbic acid is also likely to protect the lens against
oxidative damage. Ascorbate is actively transported from the
blood to the aqueous humor by a sodium-dependent transporter
located in the ciliary epithelium242 and reaches concentrations
in the aqueous humor that are 40–50 times
higher than levels in the blood.243 The ascorbate levels in the
lens and other intraocular tissues are also substantial.244,245
Dehydroascorbate, the oxidized form of ascorbic acid, enters
lens cells by way of the glucose transporter, where it is
glutathione, ascorbate is readily oxidized, forming dehydroascorbic
acid in the process. Therefore, ascorbate can
react with free radicals and other oxidants in the aqueous
humor and the lens, preventing these molecules from damaging
lens lipids, proteins, and nucleic acids. On the other
hand, if dehydroascorbate accumulates in the lens, its
metabolites can react with lens proteins, increasing lens
color and decreasing protein stability.245 The high GSH levels
in the lens are likely to maintain most ascorbate in its
reduced state, thereby avoiding much of this potential
damage.
The lens has two enzyme systems to detoxify hydrogen
peroxide. Lens epithelial cells have abundant levels of catalase,
which converts hydrogen peroxide to water,247 and glutathione
peroxidase, an enzyme that couples the reduction
of hydrogen peroxide to the oxidation of glutathione. Studies
on cultured lenses and lens epithelial cells suggest that glutathione
peroxidase provides most of the protection against
the potential damaging effects of physiological levels of
hydrogen peroxide, as catalase is only effective against relatively
high concentrations of peroxide.248
Energy production in the lens
Due to the lack of blood supply, the oxygen concentration
within and around the lens is much lower than in most other
parts of the body.219,221,222,224,225 The lens, therefore, depends
on glycolytic metabolism to produce much of the ATP and
the reducing equivalents required for its metabolic activities.
211,218 The glucose required for glycolytic metabolism is
derived from the aqueous humor. Aqueous humor glucose
levels are maintained by facilitated diffusion across the
ciliary epithelium.
However, lens epithelial cells and superficial fiber cells
also contain mitochondria. Therefore, cells near the surface
of the lens use both glycolytic and oxidative pathways to
derive energy from glucose. About 50 percent of the ATP
produced by rabbit lens epithelial cells is derived from oxidative
metabolism, while glycolysis accounts for nearly all
the ATP produced in lens fiber cells.211
Water and electrolyte balance
Due to its high protein concentration and the lack of a blood
supply, the lens faces special problems in regulating its water
content and in providing nutrients and antioxidants to cells
deeper in the lens.249 Protein concentration increases as one
goes from the more superficial fiber cells to fiber cells deeper
in the lens.10 However, this protein gradient is not associated
with a reciprocal gradient in the osmotic activity of water,
because there is no tendency of water to flow into the cells
of the lens nucleus. The mechanism by which this large
potential osmotic gradient is neutralized is not known.
Decreased protein osmotic activity might result from the
increase in the short-range interactions between protein
molecules that contributes to lens transparency.12 The mechanism
by which proteins can be concentrated in osmotically
neutral manner remains an important unsolved question in
the biophysics of the lens.
Several studies provide evidence for an ionic circulation
within and around the lens. Vibrating electrodes detect gradients
of electrical potential around the lens.250,251 Positive
charges flow into the lens near the anterior and posterior
sutures and out at the equator. Like most cells, the membranes
of lens epithelial and superficial fiber cells contain
sodium, potassium-activated ATPase activity. This Na+, K+-
ATPase generates an electrochemical gradient across the
surface membranes of the lens, with the interior of the lens
more negative than the extracellular space. The electrochemical
potential tends to drive positive charges, largely sodium
ions, into lens cells. This appears to be the origin of the
inward positive current at the sutures.250–252 The positive
current flowing out at the lens equator is likely to be carried
by potassium ions.252
A model that takes into account the electrical and biophysical
properties of the lens predicted that water will
follow the flow of ions into and out of the lens, creating an
internal circulation system.253 While this is an appealing
theory, direct evidence for water flow through the lens fiber
cell cytoplasm has not been provided. Numerous studies in
which fluorescent dyes were injected into fiber cells have, so
far, failed to detect the directed, bulk movement of water
that would be predicted by this model. Other studies detected
inward flow of water across the lens epithelium and the
whole lens, suggesting net flow of water from the anterior
chamber to the vitreous body.254 The importance to lens
physiology of this potential flow has not been tested.
The transmembrane potential of the human lens decreases
steadily with age.255 This decrease is caused by an increase in
the permeability of the fiber cell membranes to sodium and
calcium ions through non-selective cation channels. It is not
clear whether the increased cation permeability is due to
increased numbers of these channels, to the appearance of
the new type of channel, or to an increase in the activity
(open probability) of pre-existing channels. The increase in
cation permeability is balanced by an increase in the activity
of membrane ATPases, which remove sodium and calcium
from lens cells. In spite of the increased pump activity, free
sodium and calcium levels increase in the cytoplasm of older
lenses.255 Since the transmembrane potential of all cells indirectly
provides the driving force for the transport of many
metabolites and nutrients, the age-related decrease in the
transmembrane potential of the lens may have important
consequences for lens metabolism and ionic homeostasis.
Elevated calcium levels can also lead to metabolic disturbances
and destruction of cell components through the activation
of calcium-sensitive proteases.256
Like all cells, lens epithelial and fiber cells maintain a
much lower concentration of free calcium ions in their cytoplasm
than is found in the extracellular space. However, free
calcium levels measured in fiber cell cytoplasm are substantially
higher than the levels in epithelial cells.255,257 In addition,
there appears to be a gradient of free calcium that
decreases from the posterior to the anterior ends of lens fiber
cells.257 These observations are consistent with the view that
calcium slowly leaks into lens fiber cells and is removed by
membrane pumps at the lens surface. The activity of these
pumps in maintaining low cytoplasm calcium concentrations
is important, because treatments that abruptly raise
free calcium levels lead to rapid degradation of the lens fiber
cell cytoskeleton, uncontrolled proteolysis, cell swelling, and
opacification.256,258–262
Lens epithelial cells transport nutrients into their cytoplasm
from the aqueous humor. Although the transport of
small molecules from epithelial cells to fiber cells has been
demonstrated,154,193 the relative importance of this pathway
in providing nutrients to the fiber cells, compared to transport
directly across the surface membranes of superficial
fiber cells, has not been determined. When metabolite transporters
have been examined in lens fiber cells, these molecules
have usually been found. The distribution of glucose
transporters in the lens illustrates this issue. Lens epithelial
cells express abundant levels of the glucose transporter,
glut1, that is presumably used for the uptake of glucose from
the aqueous humor.263 Although fiber cells express little
glut1, they express large amounts of the higher-affinity
glucose transporter, glut3. Therefore, fiber cells can transport
glucose into their cytoplasm from the extracellular milieu, a
finding that raises questions about the relative importance
of the epithelial cells in providing glucose to the fiber cells.
Янов
BIOCHEMISTRY
The lens, like most tissues, requires energy to drive thermodynamically
unfavorable reactions. Adenosine triphosphate (ATP) is the principal
source of this energy within the cell. The majority of ATP produced
within the lens comes from the anaerobic metabolism of glucose. Other
important components required by the lens include the reduced form
of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), which is
produced principally by the pentose phosphate pathway and acts as a
source of readily available reducing agent used in the biosynthesis of
many essential cellular components, such as fatty acids and glutathione.
Because the lens is susceptible to oxidative damage, it also must
maintain sufficient antioxidant defenses to protect against the accumulation
of this damage and the development of cataract.
Метаболизм углеводов в хрусталике. Биохим с. 127
Carbohydrates are polyhydroxy compounds containing aldehydes,
ketones, and other functional groups. In solution they are capable of
forming closed ring structures and most contain at least one reactive
carbon (C-1 when free). These compounds may form short or long chain
polymers. Ocular tissues use carbohydrates in monosaccharide form as
sources of cellular ATP (a high-energy compound that drives many reactions
in the cell). The glycolytic reactions that are involved can occur in
the presence and absence of oxygen although some oxygen is always
required for cell survival. Ocular cells use varying proportions of aerobic
and anaerobic metabolism in glycolysis to achieve their particular energy
demands. Photoreceptors require the highest levels of ATP and lens fiber
cells require the least. Glycogen is a long branched polymer of glucose,
which exists as a cellular storage form of glucose. The metabolic
pathway known as the pentose shunt is useful in the production of pentoses
(for nucleic acids) and lipids (for cell membranes). It also is coupled
to reactions that detoxify cells from intracellular hydrogen peroxide.
When carbohydrates are unable to enter insulin-dependent cells of the
body, the body suffers in a diabetic state. This can occur either due to a
lack of insulin (type 1 diabetes) or from a malfunction of insulin receptor
proteins (type 2 diabetes). In the diabetic state, those cells not receiving
sufficient amounts of glucose develop pathological metabolic substitutions:
increased protein and lipid catabolism. Those cells and extracellular
areas exposed to excessive levels of glucose in diabetes are subject to
the toxicity of protein glycation, the osmotic stress of polyol formation,
and other biochemical pathology. In the eye, the retina can develop degenerative
blood vessels with a loss in vision. In the lens, cataract formation
may take place. Furthermore, corneal epithelial cells can fail to reattach
to their basement membrane while the whole cornea may swell.
Some carbohydrate derivatives are useful in forming polymers as part of
the tissue structures that occur in the extracellular matrix. These derivatives
are classified as glycosaminoglycans (GAGs). Many GAGs combine
with core proteins to form proteoglycans. In the eye, these polymers are
found in the vitreous, cornea, lens capsule, sclera, and blood vessels.
When the catabolism of these polymers is incomplete, due to an enzyme
defect, the resulting storage disease, a mucopolysaccharidosis, can
adversely affect many bodily functions as well as those of the cornea and
retina.
Метаболизм белков в хрусталике.
TABLE 5-1-1 PROPERTIES OF DIFFERENT CRYSTALLINS Янов с. 388
Биохим с. 225
Nucleic acids exist in two forms: DNA and RNA. DNA preserves the cellular
genome while RNA translates the code of the genome into proteins.
The process of DNA synthesis is called replication while the process of
RNA synthesis is called transcription. When RNA produces proteins, by
a process known as translation, four kinds of RNA are involved: heterogeneous
nuclear (hn), messenger (m), transfer (t), and ribosomal (r). The
genetic code consists of specific three base sequences for each amino acid
as well as some start and stop sequences. Protein synthesis involves the
formation of peptides at ribosomes as the code sequence of mRNA is
passed through each ribosome. A peptide bond is formed between each
amino acid by the catalytic activity of rRNA after it is brought to the
ribosome by tRNA. Several steps are involved in the process. Peptide and
protein syntheses occur identically in both ocular and nonocular tissues.
Damage to DNA in all cells can occur from both UV and ionizing radiation
as well as from some types of chemicals. Such damage may cause
cell death or uncontrolled cell division such as in retinoblastoma.
However, reparative processes can fix some kinds of DNA damage.
In the eye, extensive investigations have shown the genetic location and
some control mechanisms for the synthesis of different kinds of lens
crystallins. The high synthetic rate of lens crystallins can explain how
lens development takes place in embryos. Although complete information
is lacking, the formation of defective crystallins in hereditary animal
models of cataract formation has directed efforts to the investigation of
human hereditary cataracts. Much more is known about congenital
human cataract because of gene mapping. Mutations of the ocular development
gene PAX-6 have also been associated with congenital cataract
formation.
Viruses are relatively simple organisms consisting, essentially, of a
protein capsid containing nucleic acids in one of several forms. Viruses
enter cells and take charge of their genetic machinery in order to reproduce
themselves. One example, herpesvirus, may invade corneal cells and
reproduce itself on the corneal surface. Unfortunately, herpes and other
viruses destroy the cells that they infect. In the case of herpes viruses, the
virions may enter a dormant stage (latency) in nerve ganglia and then
become reactivated after a traumatic stimulus. The replication of herpes
DNA may be prevented by using base analogues that become incorporated
into the viral DNA and prevent further synthesis. Recent interest
in the molecular biology of retinal genes has progressed with possible
gene therapy as its objective. Although this has been frustrated by the
temporary nature of the present therapeutic applications, it is hoped that
corrective gene cassettes, inserted into artificial chromosomes, may
someday enact permanent cures. Presently, studies have been conducted
on gene sequences possibly associated with retinitis pigmentosa as well
as methods of delivering corrective genes into retinal cells.
Метаболизм липидов в хрусталике. Биохим, с. 154
Although predominately hydrophobic, lipids have hydrophilic regions
that allow them to interact with aqueous media. This amphipathic characteristic
of lipids is ideal for their important role in defining cell boundaries
as membranes. Lipids also function as hormones, sources of energy,
and are an important part of visual transduction. There are seven major
lipid classes: fatty acids, triacylglycerols, phospholipids, isoprenoids,
esters, eicosanoids, and glycolipids. The lipids that make up cell membranes
have a varied composition to suit the requirements of the cell. In
photoreceptor discs, for example, a high percentage of cervonic acid
(22:6) is used to maintain maximal fluidity of the membrane. The precorneal
tear film lipids consist largely of waxes and cholesteryl esters.
This unique and complex mixture assures optimal spreading and stability
of the tear film. Vitamin A is important for ocular function in two
ways. It combines with opsin, forming rhodopsin, in the form of 11-cis
retinal. This holoprotein reacts with light to initiate visual transduction.
Second, it maintains the proper development of corneal epithelial and
conjunctival tissues. A lack of vitamin A in the diet can lead to night
blindness and keratinization of the cornea. Glycolipid metabolic enzyme
deficiencies can lead to visual impairment or blindness.
Аниоксиданты хрусталика.
Орган зрения - это один из органов чувств организма человека, часть тела человека, периферическое звено зрительной сенсорной системы, объект управления зрительной системы.
Назначение органа зрения состоит в получении зрительной информации о среде и передаче этой информации в сенсорные области головного мозга. Орган зрения включает глаз и вспомогательный аппарат глаза.
2_184/Adlers Physiology of the Eye 11ed2011.pdf p. 381
2_184/Adlers Physiology of the Eye 11ed2011.chm
2_184/Introduction to Ophthalmic Optics_Meister, Sheedy2002.pdf
2_157/Histology Text Atlas_Ross_6ed2011.pdf
2_184/Ophtalmic Assistant8ed2006 = The Ophtalmic Assistant: A Text for Allied and Associated Ophtalmic Personnel, 8th ed., Elsevier, 2006, 877 p.
2_74/Ophthalmology3ed2009.CHM
2_74/Ophthalmology3ed2009.pdf
Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. 7th ed., W H Freeman, 2012, 1224 p.
5_3/Biochemistry7ed2012.pdf
Biochemistry of the Eye. 2nd ed., Elsevier, 2003, 331 p.
citat2_184/Biochemistry of the Eye2ed2003.pdf
Yanoff M., Duker J.S., Eds. Ophthalmology. Mosby, 2009, 1552 p. .
Схема. Взаимоотношения хрусталика с другими структурами глазного яблока. Модификация: Levin L.A., Nilsson Siv F.E., Ver Hoeve J., Wu S., Kaufman P.L., Alm A., Eds. Adler's Physiology of the Eye, 11th ed., Elsevier, 2011, 820 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
Цинн Иоганн Готфрид (Johann Gottfried Zinn, 1727-1759) - офтальмолог, Германия.
|
|
Схема. Ранние эмбриональные стадии образования и развития хрусталика.
Модификация: Levin L.A., Nilsson Siv F.E., Ver Hoeve J., Wu S., Kaufman P.L., Alm A., Eds. Adler's Physiology of the Eye, 11th ed., Elsevier, 2011, 820 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
The early stages of lens formation. (A) The lens vesicle contacts the surface ectoderm. (B) The optic vesicle adheres to the surface ectoderm and the prospective lens cells elongate to form the lens placode. (C) The lens placode and the outer surface of the optic vesicle invaginate to form the lens pit and the optic cup, respectively. (D) The lens vesicle separates from the surface ectoderm. (E) The primary lens fibers elongate and begin to occlude the lumen of the vesicle. The posterior of the lens vesicle separates from the inner surface of the optic cup. Capillaries from the hyaloid artery invade the primary vitreous body. (F) The configuration of the lens as it begins to grow. Secondary fiber cells have not yet developed and organelles are still present in all fiber cells. |
|
Схема. Внутренняя структура левого глазного яблока. Вид сверху. Модификация: Gray H., (1821–1865), Standring S., Ed. Gray's Anatomy: The Anatomical Basis of Clinical Practice. 39th ed., Churchill Livingstone, 2008, 1600 p. см.: Анатомия человека: Литература. Иллюстрации |
 |
Примечание:
|
The organization of the eye, viewed from above. In this illustration the left eye and part of the lower eyelid are depicted in horizontal section and also cut away to show internal structure. |
|
Схема. Структура хрусталика = Structure of the lens. Модификация: Ross M.H., Kaye G.I., Pawlina K.W., Eds. Histology: A Text and Atlas. 4th ed., Lippincott Williams & Wilkins, 2002, 864 p., см.: Гистология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
A. This schematic drawing of the lens indicates its structural components. Note that the
capsule of the lens is formed by the basal lamina of the lens fibers and the subcapsular epithelium located on the anterior surface of
the lens. Also note the location of the germinal zone at the equatorial area of the lens. B. This high-magnification photomicrograph
of the germinal zone of the lens (near its equator) shows the active process of lens fiber formation from the subcapsular epithelium.
Note the thick lens capsule and the underlying layer of nuclei of lens fibers during their differentiation. The mature lens fibers do not
possess nuclei. ×570.
|
|
Схема. Хрусталик взрослого человека - 1.
Модификация: Levin L.A., Nilsson Siv F.E., Ver Hoeve J., Wu S., Kaufman P.L., Alm A., Eds. Adler's Physiology of the Eye, 11th ed., Elsevier, 2011, 820 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
The expanded regions show the relationships
between the elongating lens fiber cells and the
posterior capsule as the basal ends of the fibers
reach the posterior sutures and the changes in cell
shape and orientation that occur as lens epithelial
cells differentiate into lens fibers at the lens
equator.
Цинн Иоганн Готфрид (Johann Gottfried Zinn, 1727-1759) - офтальмолог, Германия. |
|
Примечание:
The lens is ensheathed by an elastic acellular envelope, which serves to contain the epithelial cells and fibers as a structural unit and allows the passage of small molecules both into and out of the lens. The lens capsule is composed of a number of lamellae stacked on top of each other. The lamellae are narrowest near the outside of the capsule and widest near the cell mass. Major structural proteins and a small amount of fibronectin are found within the lamellae. This structure is continuously synthesized and represents one of the thickest basement membranes in the body. The capsule is produced anteriorly by the lens epithelium and posteriorly by the elongating fiber cells.
|
|
Примечание:
The structure of the fetal (A) and adult (B) human lens, showing the major details of arrangement of the lens cells or fibres. The anterior (a) and posterior (b) triradiate sutures are shown in the fetal lens. Fibres pass from the apex of an arm of one suture to the angle between two arms at the opposite pole, as shown in the coloured segments. Intermediate fibres show the same reciprocal behaviour. The suture pattern becomes much more complex as successive strata are added to the exterior of the growing lens, and the original arms of each triradiate suture show secondary and tertiary dichotomous branchings. |
 |
|
|
Схема. Усложнение швов хрусталика в процессе его роста.
Модификация: Levin L.A., Nilsson Siv F.E., Ver Hoeve J., Wu S., Kaufman P.L., Alm A., Eds. Adler's Physiology of the Eye, 11th ed., Elsevier, 2011, 820 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации.
Примечание:
Diagram illustrating the increasing complexity of the sutures
as the lens grows. The sizes of the lenses depicted are to scale.
(A), (B), (C)
The tripartite “Y” suture that forms during embryogenesis as a result of
secondary fiber cell formation is converted into a six-pointed star suture by
the continued deposition of new fiber cells. If one were to peel away the
fibers from the lens depicted in (C), the initial tripartite suture pattern would
be revealed. |
 |
|
(D), (E) Further growth results in the formation of additional suture planes.
|
|
Примечание:
Increase in lens weight and cell numbers with age. Note the
correlation between these two parameters. |
 |
|
|
Примечание:
Increase in lens weight and cell numbers with age. Note the
correlation between these two parameters. |
 |
|
|
Changes in transmission (UV and visible) of the normal aging
human lens |
 |
|
Примечание:
The cornea and lens act as spectral filters absorbing the more energetic
wavelengths of the electromagnetic spectrum (i.e., ultraviolet (UV) radiation)
that have the potential to damage the retina. The cornea absorbs
wavelengths below 295 nm while the lens absorbs strongly in the
long UV-B (300–315 nm) and most of the UV-A (315–400 nm) wavelengths.
However, in children under 10 years there is a transmission
band centered around 320 nm of about 8% which is reduced to 0.1%
by age 22 years and by age 60 years no UV radiation transmits across
the lens. The total transmittance of the young lens begins increasing
rapidly at about 310 nm and reaches 90% at 450 nm, compared with
the older lens (e.g., 63 years), which begins transmitting at 400 nm but
does not reach 90% total transmittance until 540 nm (Fig. 5-1-5). The
overall transmission of visible light decreases with increasing age, a
feature that arises largely from age-related changes and brunescence in
the lens
|
|
Примечание:
Light rays that pass through the periphery of an optical lens have a focal length shorter than that of light rays that pass through the center. This occurs because the refractive power is greater at the periphery, so the light rays are refracted to a greater degree as they pass through this region. The lens of the human eye is designed to minimize this spherical aberration since: (1) refractive index increases from the periphery to the center of the lens; (2) curvature of both the anterior and the posterior capsule increases towards the poles; and (3) curvature of the anterior capsule is greater than that of its posterior counterpart.
As a result of these structural features the focal points of the peripheral and central rays are similar, which ensures that the reduction in the quality of the image is minimal (see Fig. 5-1-6 ). The pupil diameter also affects the amount of spherical aberration, because light rays do not pass through the periphery of the lens (unless the pupil is dilated). The optimal size of the pupil needed to minimize this imperfection is 2–2.5mm.
|
 |
|
|
Схема. Механизм аккомодации, описанный (1855) Гельмгольцем.
Модификация: Levin L.A., Nilsson Siv F.E., Ver Hoeve J., Wu S., Kaufman P.L., Alm A., Eds. Adler's Physiology of the Eye, 11th ed., Elsevier, 2011, 820 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации.
Примечание:
Diagram showing the Helmholtz accommodative mechanism.
In the upper half of the diagram the eye is in the unaccommodated state.
In the lower half the eye is in the accommodated state. The left side shows
a sagittal section and the right side a frontal section through the anterior
segment of the eye. In the unaccommodated state resting tension on the
zonule at the lens equator holds the lens in a relatively flattened and
unaccommodated state. When the ciliary muscle contracts, this resting
zonular tension is released and the lens is allowed to round up through the
force exerted on the lens substance by the lens capsule. |
 |
|
Lens axial thickness increases, lens equatorial diameter decreases, anterior chamber depth decreases and vitreous chamber depth decreases with accommodation
The lens anterior and posterior surface curvatures increase to increase the optical power of the lens. Герман Гельмгольц (Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821-1894), физик и психофизиолог, Германия.
|
Схема. Изменение формы хрусталика при аккомодации.
Модификация: Dai E., and Boulton M.E. Basic Science of the Lens. Part 5.1, p. 381-393. In: Yanoff M., Duker J.S., Eds. Ophthalmology. 3rd ed., Mosby, 2009, 1552 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
Change in form of the lens on accommodation in a person of age 29 years. (A) Relaxed. (B) Accommodated. (Grid squares 0.4 mm.) Note the change in curvature of the anterior surface. |
|
|
Схема. Изменения преломляющей силы хрусталика при аккомодации глаза.
Модификация: Levin L.A., Nilsson Siv F.E., Ver Hoeve J., Wu S., Kaufman P.L., Alm A., Eds. Adler's Physiology of the Eye, 11th ed., Elsevier, 2011, 820 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации.
Примечание:
The accommodative optical changes in the
eye occur through an increase in optical power of the
crystalline lens.
A The unaccommodated emmetropic
eye is focused on a distant object with the lens in an
unaccommodated state.
B A near object subtends
divergent rays and in the unaccommodated eye the
image would be formed behind the retina and is therefore
out of focus when the lens remains unaccommodated.
C In the accommodated eye, the in focus image of the
near object is formed on the retina when the lens is in an
accommodated state. |
 |
|
|
Схема. Сагиттальное сечение аккомодационного аппарата ресничной области глаза.
Модификация: Levin L.A., Nilsson Siv F.E., Ver Hoeve J., Wu S., Kaufman P.L., Alm A., Eds. Adler's Physiology of the Eye, 11th ed., Elsevier, 2011, 820 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации.
Примечание:
Schematic representation of a sagittal section of
the anatomy of the accommodative apparatus at the ciliary
region of the eye.
A In relation to a mid-sagittal section of the
eye as a whole.
B The schematic shows that the lens capsule,
zonule, ciliary muscle and choroid constitute a single elastic
“sling” anchored at the posterior scleral canal where the optic
nerve leaves the globe, and anteriorly at the scleral spur.
The action of accommodation results in a movement of the
ciliary body forward and towards the axis of the eye against
the elasticity of the posterior attachment of the ciliary
muscle and the posterior zonular fibers. With a cessation
of an accommodative effort, the ciliary muscle is returned
to its unaccommodated configuration through the elasticity
of choroid and posterior zonular fibers. |
 |
|
Схема. Возможные метаболические превращения глюкозы в организме человека.
Модификация: Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. 7th ed., W H Freeman, 2012, 1224 p. см.: Биохимия человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
The first metabolic pathway that we encounter is glycolysis, an ancient
pathway employed by a host of organisms. Glycolysis is the sequence of
reactions that metabolizes one molecule of glucose to two molecules of pyruvate
with the concomitant net production of two molecules of ATP. This process is
anaerobic (i.e., it does not require O2) because it evolved before substantial
amounts of oxygen accumulated in the atmosphere. Pyruvate can be further
processed anaerobically to lactate (lactic acid fermentation) or ethanol
(alcoholic fermentation). Under aerobic conditions, pyruvate can be completely
oxidized to CO2, generating much more ATP, as will be described in
Chapters 17 and 18. Figure 16.1 shows some possible fates of pyruvate
produced by glycolysis.
Because glucose is such a precious fuel, metabolic products, such as
pyruvate and lactate, are salvaged to synthesize glucose in the process of
gluconeogenesis. Although glycolysis and gluconeogenesis have some
enzymes in common, the two pathways are not simply the reverse of each
other. In particular, the highly exergonic, irreversible steps of glycolysis are
bypassed in gluconeogenesis. The two pathways are reciprocally regulated
so that glycolysis and gluconeogenesis do not take place simultaneously in
the same cell to a significant extent.
Our understanding of glucose metabolism, especially glycolysis, has a
rich history. Indeed, the development of biochemistry and the delineation of
glycolysis went hand in hand. A key discovery was made by Hans Buchner
and Eduard Buchner in 1897, quite by accident. The Buchners were interested
in manufacturing cell-free extracts of yeast for possible therapeutic
use. These extracts had to be preserved without the use of antiseptics such
as phenol, and so they decided to try sucrose, a commonly used preservative
in kitchen chemistry. They obtained a startling result: sucrose was rapidly
fermented into alcohol by the yeast juice. The significance of this finding
was immense. The Buchners demonstrated for the first time that fermentation
could take place outside living cells. The accepted view of their day, asserted
by Louis Pasteur in 1860, was that fermentation is inextricably tied to living
cells. The chance discovery by the Buchners refuted this dogma and opened
the door to modern biochemistry. The Buchners’ discovery inspired the
search for the biochemicals that catalyze the conversion of sucrose into
alcohol. The study of metabolism became the study of chemistry.
Studies of muscle extracts then showed that many of the reactions of
lactic acid fermentation were the same as those of alcoholic fermentation.
This exciting discovery revealed an underlying unity in biochemistry. The complete
glycolytic pathway was elucidated by 1940, largely through the pioneering
contributions of Gustav Embden, Otto Meyerhof, Carl Neuberg,
Jacob Parnas, Otto Warburg, Gerty Cori, and Carl Cori. Glycolysis is also
known as the Embden–Meyerhof pathway. |
|
Таблица.
Метаболизм углеводов в структурах переднего сегмента глаза. Модификация: Whikehart D.R. Biochemistry of the Eye. 2nd ed., Elsevier, 2003, 331 p., см.: Биохимия человека: Литература. Иллюстрации.
|
Структура |
Тип клеток |
Анаэробный
гликолиз, (%) |
Аэробный
гликолиз, (%) |
Пентозофос- фатный цикл (пентозный
шунт), (%) |
Резервирование гликогена, (%) |
Роговица |
Эпителиальные |
57 |
8 |
35 |
Да |
Стромальные |
57 |
8 |
35 |
Нет |
Эндотелиальные |
70 |
23 |
7 |
Нет |
Хрусталик |
Эпителиальные |
81 |
4 |
15 |
Нет |
Волоконные |
83 |
2 |
15 |
Нет |
Стекловидное тело |
Пигментированные |
85% of EM |
15% of EM |
Имеет место |
Нет |
Непигментированные |
85% of EM |
15% of EM |
Имеет место |
Нет |
Примечание:
|
EM - Percentage of that glucose in the Embden-Meyerhof pathway. The actual percentage in glycolysis is unknown. Доля (%) глюкозы. Гликолиз, путь Эмбдена-Мейергофа. Реальная доля гликолиза неизвестна.
|
|
Схема. Главные пути метаболизма глюкозы в хрусталике.
Модификация: Dai E., and Boulton M.E. Basic Science of the Lens. Part 5.1, p. 381-393. In: Yanoff M., Duker J.S., Eds. Ophthalmology. 3rd ed., Mosby, 2009, 1552 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
Overview of the major pathways of glucose metabolism in the lens. Percentages represent the estimated amount of glucose used in the different pathways |
|
Схема. Транспорт аминокислот в хрусталике. Гамма-глутамиловый цикл.
Модификация: Dai E., and Boulton M.E. Basic Science of the Lens. Part 5.1, p. 381-393. In: Yanoff M., Duker J.S., Eds. Ophthalmology. 3rd ed., Mosby, 2009, 1552 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
Glutathione (L-γ-glutamyl-L-cysteinylglycine) is found at high concentrations
in the lens (3.5–5.5 mmol/g wet weight), especially in the epithelial
layer (in which levels are higher than in the nucleus; the cortex
contains an intermediate concentration). Glutathione has many important
roles in the lens, including the following.
• Maintenance of protein thiols in the reduced state, which helps
to maintain lens transparency by preventing the formation of highmolecular-
weight crystallin aggregates
• Protection of thiol groups critically involved in cation transport and
permeability; for example, oxidation of the –SH groups of the Na+,K+-
ATPase pump, which results in an increased permeability to these ions
• Protection against oxidative damage (see below)
• Removal of xenobiotics; glutathione-S-transferase catalyzes the conjugation
of glutathione to hydrophobic compounds with an electrophilic
center
Amino acid transport
Glutathione has a half-life of 1–2 days and, therefore, is recycled constantly
by the γ-glutamyl cycle; its synthesis and degradation occur at
approximately the same rate (Fig. 5-1-9). Glutathione is synthesized
from L-glutamate, L-cysteine, and glycine in a two-step process that uses
11–12% of lens ATP. Reduced glutathione also can be taken into
the lens from the aqueous humor. A reduced glutathione transporter that
allows
the uptake of glutathione by the lens epithelial cells has been characterized.
33 The breakdown of glutathione releases its constituent amino
acids, which subsequently are needed to synthesize more glutathione.
|
|
Схема. Взаимодействие аскорбиновой кислоты и глутатионовой системы в антиоксидантной защите хрусталика глаза = Coupling of the ascorbic acid and glutathione systems.
Модификация: Dai E., and Boulton M.E. Basic Science of the Lens. Part 5.1, p. 381-393. In: Yanoff M., Duker J.S., Eds. Ophthalmology. 3rd ed., Mosby, 2009, 1552 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
Highly reactive oxygen species have the capacity to damage the lens
in several ways
• Peroxidizing membrane lipids results in the formation of malondialdehyde,
which in turn can form cross-links between membrane
lipids and proteins.
• Introducing damage into the bases of the DNA, such as base modifications
(8-hydroxyguanosine), plana-lesions (cytosine glycols) and
lesions leading to major helical distortions of the DNA (8,5’ cyclopurine
deoxyribonucleosides), initiates DNA repair mechanisms.
• Polymerizing and cross-linking proteins result in crystallin aggregation
and inactivation of many essential enzymes, including those
with an antioxidant role (e.g., catalase and glutathione reductase).
Although these reactions would result rapidly in lens damage, the
presence
of a complex antioxidant system offers considerable protection.
This system, however, is not 100% efficient and a low level of cumulative
damage occurs throughout life.
Protection against damage induced by reactive oxygen species in the
lens is achieved in a number of ways. The superoxide anion undergoes
dismutation by superoxide dismutase or interaction with ascorbate (see
below), which results in the formation of H2O2. This, along with the
high levels of exogenous H2O2, is detoxified by the enzyme catalase
or glutathione peroxidase or both.
Ascorbic acid (vitamin C) appears to play a major role in the antioxidant
system in the lens, although this may be species dependent,
because the human lens is rich in ascorbate (1.9 mg/kg wet weight or
1.1 mmol/kg), while it is almost absent in the rat lens (0.08 mmol/kg).
Ascorbate is present at high levels in the outer layers of the lens and
virtually absent from the nucleus. It rapidly reacts with superoxide
anions, peroxide radicals, and hydroxyl radicals to give dehydroascorbate.
It also scavenges singlet oxygen, reduces thiol radicals, and is
important
in the prevention of lipid peroxidation. The ascorbic acid
and glutathione systems are coupled in that dehydroascorbate reacts
with the reduced form of glutathione to generate ascorbate and GSSG
(oxidized glutathione). |
|
Таблица.
Свойства некоторых белков-кристаллинов.
Модификация: Dai E., and Boulton M.E. Basic Science of the Lens. Part 5.1, p. 381-393. In: Yanoff M., Duker J.S., Eds. Ophthalmology. 3rd ed., Mosby, 2009, 1552 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации.
|
Характеристика |
α |
β |
γ |
γs |
Subunits |
αA, αI, αB, αB1, up to nine minor subunits |
Basic: βB1, βB2, βB3 Acidic: βA1, βA2, βA3, βA4 |
γA–γF |
γs |
Subunit molecular weight |
20 kDa |
Basic: 26–32 kDa Acidic: 23–25 kDa |
20 kDa |
24 kDa |
Native molecular weight |
600–900 kDa |
βH: 150–200 kDa βL: c. 50 kDa |
20 kDa |
24 kDa |
Number of subunits |
30–45 |
βH: 0–8 βL: 2 |
1 |
1 |
Thiol content |
Low |
High |
High |
High |
N-Terminal amino acid |
Masked |
Masked |
Glycine or alanine |
Masked |
Secondary structure |
Predominantly в-pleated sheet |
β-pleated sheet |
β-pleated sheet |
β-pleated sheet |
Three-dimensional structure |
Unknown |
Two domains with four “Greek key” motifs |
Two domains with four “Greek key” motifs |
Two domains with four “Greek key” motifs |
Chromosome |
αA: 21 |
βB1–βB4: 22 |
2 αB: 11 |
3 βA1/βA3: 17
βA2: ? |
Примечание:
|
Up to 60% of the wet weight and most of the dry weight of the human
lens is composed of proteins. These lens proteins can be divided on
a laboratory basis into water-soluble (cytoplasmic proteins) and waterinsoluble
(cytoskeletal and plasma membrane) fractions. The watersoluble
crystallins constitute approximately 90% of the total protein
content of the lens.
The three groups of crystallins found in all vertebrate species can be
divided into the α-crystallin family and the β / γ-crystallin superfamily.
The properties of these crystallins are summarized in Table. The
α-crystallins have the largest molecular size of the crystallins.
The β-crystallins are composed of light (βL) (c. 52 kDa) and heavy
(βH) (150–210 kDa) fractions, which can be separated by gel chromatography.
The light fraction can be further subdivided into two fractions,
βL1 and βL2.
The smallest of the crystallins are the γ-crystallins. Six members of
this family, known as γA–γF, have a molecular weight of 20 kDa.
|
|
Схема. Главные реакции восстановления глутатиона (правая часть схемы) и использование глутатиона для уменьшения концентрации перекиси водорода (левая часть схемы).
Модификация: Levin L.A., Nilsson Siv F.E., Ver Hoeve J., Wu S., Kaufman P.L., Alm A., Eds. Adler's Physiology of the Eye, 11th ed., Elsevier, 2011, 820 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
Diagram showing the major reactions responsible for the reduction of glutathione
(right side) and the use of glutathione to reduce
hydrogen peroxide (left side).
Glutathione
Glutathione (L-г-glutamyl-L-cysteinylglycine) is found at high concentrations
in the lens (3.5–5.5 mmol/g wet weight), especially in the epithelial
layer (in which levels are higher than in the nucleus; the cortex
contains an intermediate concentration). Glutathione has many important
roles in the lens, including the following:28, 29, 32
• Maintenance of protein thiols in the reduced state, which helps
to maintain lens transparency by preventing the formation of highmolecular-
weight crystallin aggregates
• Protection of thiol groups critically involved in cation transport and
permeability; for example, oxidation of the –SH groups of the Na+,K+-
ATPase pump, which results in an increased permeability to these ions
• Protection against oxidative damage (see below)
• Removal of xenobiotics; glutathione-S-transferase catalyzes the conjugation
of glutathione to hydrophobic compounds with an electrophilic center. |
|
Таблица.
Эмбриональные источники развития отдельных структур глаза. Модификация: Ross M.H., Kaye G.I., Pawlina K.W., Eds. Histology: A Text and Atlas. 4th ed., Lippincott Williams & Wilkins, 2002, 864 p., см.: Гистология человека: Литература. Иллюстрации.
|
№ |
Источник |
№ |
Производное |
I |
Поверхностный эктодерм |
1 |
Хрусталик |
2 |
Эпителий роговицы, конъюнктива, слёзные железы и их вспомогательные структуры
структуры |
II |
Нейроэктодерм |
1 |
Стекловидное тело (развивается частично из нейроэктодерма чаши глазного
яблока, а частично из мезенхимы) |
2 |
Эпителий сетчатки, радужки и ресничного тела |
3 |
Мышцы сфинктера зрачка и дилататора зрачка |
4 |
Зрительный нерв |
III |
Мезодерм |
1 |
Склера |
2 |
Строма роговицы, ресничное тело, радужка, хороидеа |
3 |
Внешние мышцы глазного яблока |
4 |
Веки (за исключением их эпителия и конъюнктивы) |
5 |
Гиалоидные структуры (большая часть дегенерирует до рождения) |
6 |
Оболочки зрительного
нерва |
7 |
Соединительные ткани и кровеносные сосуды глаза, костная орбита глаза,
стекловидное тело |
|
Схема. Пути доставки медикаментов при местном их применении.
Модификация: Levin L.A., Nilsson Siv F.E., Ver Hoeve J., Wu S., Kaufman P.L., Alm A., Eds. Adler's Physiology of the Eye, 11th ed., Elsevier, 2011, 820 p. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации. |
 |
Примечание:
|
A. Diagram of the eye with common drug delivery routes (solid arrows) and clearance pathways (dotted arrows) illustrated. The numbers refer
to the following processes: (1) transcorneal route from the tear film across the cornea into the anterior chamber, (2) transconjunctival route across the
conjunctiva, sclera, and anterior uvea into the posterior chamber, (3) intrastromal route directly into corneal stroma, (4) intracameral route directly into
anterior chamber, (5) subconjunctival route from the anterior subconjunctival space across the sclera and anterior uvea into the posterior chamber or across
the sclera, choroid, RPE, and retina into the anterior vitreous, (6) intravitreal drug injection directly into the vitreous, (7) sub-Tenon route from the posterior
sub-Tenon space across the sclera, choroid, RPE, and retina into the posterior vitreous, (8) elimination of drug in the aqueous humor across the trabecular
meshwork and Schlemm’s canal into the systemic vascular circulation, (9) elimination of drug in the aqueous humor across the uvea into the systemic
vascular circulation, (10) elimination of drug in the vitreous humor across the blood-retinal barrier to the systemic vascular circulation, (11) drug elimination
from the vitreous across anterior hyaloid face to the posterior chamber or vice versa , (12) drug elimination from subconjunctival and/or episcleral space to
systemic lymphatic or vascular circulation. B. Pharmacokinetics of topical eye drop drug delivery. |
|
ОРГАН ЗРЕНИЯ: ОГЛАВЛЕНИЕ
ОРГАН ЗРЕНИЯ: ТАБЛИЦЫ
ОРГАН ЗРЕНИЯ: ИЛЛЮСТРАЦИИ
ОРГАН ЗРЕНИЯ: ЛИТЕРАТУРА
«Я У Ч Е Н Ы Й И Л И . . . Н Е Д О У Ч К А ?» Т Е С Т В А Ш Е Г О И Н Т Е Л Л Е К Т А
Предпосылка: Эффективность развития любой отрасли знаний определяется степенью соответствия методологии познания - познаваемой сущности. Реальность: Живые структуры от биохимического и субклеточного уровня, до целого организма являются вероятностными структурами. Функции вероятностных структур являются вероятностными функциями. Необходимое условие: Эффективное исследование вероятностных структур и функций должно основываться на вероятностной методологии (Трифонов Е.В., 1978,..., ..., 2015, …).
Критерий: Степень развития морфологии, физиологии, психологии человека и медицины, объём индивидуальных и социальных знаний в этих областях определяется степенью использования вероятностной методологии.
Актуальные знания: В соответствии с предпосылкой, реальностью, необходимым условием и критерием...
... о ц е н и т е с а м о с т о я т е л ь н о: — с т е п е н ь р а з в и т и я с о в р е м е н н о й н а у к и, — о б ъ е м В а ш и х з н а н и й и — В а ш и н т е л л е к т !
|
♥ Ошибка? Щелкни здесь и исправь ее! Поиск на сайте E-mail автора (author): tryphonov@yandex.ru
|