视网膜的生理生化与代谢

视网膜是眼球的感光部分，其生理功能主要是外界光线通过屈光间质，经视网膜内界膜，穿过中间的细胞层，直接到达光感受器层，被分布在光感受器外段膜盘上的视色素吸收。视网膜的生化代谢是视觉活动中最重要的组成之一，在视觉形成中参与的代谢包括有蛋白质、脂类以及糖类等各种重要的代谢。同时在视觉传递中还有其他神经传递化学成分和因素，如儿茶酚胺、胆碱等。而视觉活动中最基本的视色素代谢，正是视网膜生化和代谢中的主要构成部分。本章重点阐述视网膜的生理和生化功能。

（一）色素上皮的生理生化与代谢

由于色素上皮有特殊的解剖学部位，在视网膜中起到重要的生理功能作用。色素上皮也起生物滤过器作用。由于它插入远端视网膜和脉络膜毛细血管基底层之间，组成一连串的血－视网膜屏障，因此对视网膜代谢特别是光感受器起一个基本作用。代谢物进入和离开感觉视网膜都要经色素上皮运输或加工过程，如葡萄糖、维生素A（视黄醇）和其他代谢物牛磺酸、胆碱等都如此，一些分子为色素上皮活性溶酶体系统降解，相当部分保留下来重新使用。

1．色素上皮的生理特性

（1）转运物质的功能：视网膜外层的营养，主要来自脉络膜血液循环系统的供给，由脉络膜毛细血管带来的代谢物质和氧等通过玻璃膜，经色素上皮转运到光感器，而代谢产物和二氧化碳也是经色素上皮以同样路径到达脉络膜毛细血管，因而色素上皮是物质交换的中转站，为了充分进行物质交换，色素上皮的基底膜有很多皱褶，以增加细胞的表面积。

（2）血－视网膜屏障：色素上皮不仅仅起转运物质的功能，而且有一定的屏障功能，即色素上皮的细胞膜有选择性地透过水、电解质和其他必需物质。现在的研究表明位于色素上皮基底部的细胞侧膜上的闭合小带起血－视网膜屏障作用，已测到闭合小带的跨色素上皮的高电阻（350～600Ω/cm2），这是防止血液成分从色素上皮细胞间的间隙中进入到神经视网膜的部位。而裂隙连接对屏障功能的作用很小，它代表低电阻通路，在裂隙连接中，内径约1nm的微小细胞间的管道连接起来，离子和小分子在允许的情况下可以通过这些管道，成为细胞之间传递信息的场所。粘连小带在屏障通路上的作用也很小。

（3）储存和参与维生素A的代谢：色素上皮直接参与维生素A代谢，维生素A通过三个途径出现在色素上皮，有：血循环；消化光感受器外段物质；当视色素在光感受器漂白时所致。视黄醛是视色素的重要组成部分，它来自于视黄醇，血液中的全反—维生素A首先与从肝脏中分泌出来的血浆维生素A结合蛋白以1∶l相结合，尔后，此结合物再与前蛋白相结合，构成足够大的分子量物质，以免在运输过程中被滤过，当到达色素上皮时，被细胞基底膜和侧膜上的维生素A结合蛋白受体所接受，并释放出全反—维生素A进入色素上皮细胞，再供给光感受器。过多的维生素A，则被酯化并储存在色素上皮中，一旦需要时，则视黄醇脂又可转变成维生素A或不转换仍以视黄醇脂形式进入光感受器外段。由于维生素A的醛和醇形式是膜溶解化合物，可能在色素上皮存在一系列转运蛋白介导的维生素A和邻近外段之维生素A交换。近来已分离出大量维生素A转运蛋白和了解到其在色素上皮、视网膜下腔、光感受器的特征。另外色素上皮利用脂肪酸酯化视黄醛而储存。由于维生素A作为酯来储存，过量维生素对色素上皮有小的毒性。

（4）吸收光：色素上皮含有大量椭圆形含黑色素蛋白的黑色素颗粒，主要位于色素上皮微绒毛突的顶部，此突交错于光感受器外段形成套销，黑色素颗粒在吸收弥散光中居主要角色。对色素上皮发生的光化学进程提供与自由基的结合。另外对类似反应中产生的过氧化物，由与黑色素溶酶体复合物结合一起的过氧化酶除去其毒性。在哺乳动物，黑色素颗粒于暗适应时不能移动，爬行动物的黑色素仅能轻度移动，而在一些鸟类、两栖动物则观察到明显的黑色素运动。黑色素的主要作用是吸收不能被光感受器捕获的光子，减少光的散射和反射。

黑色素是由酪氨酸合成，酪氨酸最先由含铜的酪氨酸酶转化到DOPA，随着DOPA转变到一系列吲哚和醌体中间物，形成黑色素。酪氨酸酶缺乏可导致一类白化病。尚未完全了解到黑色素的化学特性，但它属一个和一组多聚体，黑色素颗粒则是由黑色素与蛋白质复合而成。在成人色素上皮可见如前色素体的明显结构溶解。在色素上皮也见到很多代表色素体和溶酶体的聚合物色素溶酶体。其最终产物对黑色素颗粒本身更新起一定作用，这可能提示着在整个一生，色素上皮中有一个慢而稳定的黑色素更新过程。

（5）吞噬作用：色素上皮最重要的作用之一是对光感受器外段不断更新脱落的顶端起吞噬作用。色素上皮顶端的细长突起似微绒毛，他们以薄片状套进视杆细胞和视锥细胞外段的远端，当外段盘膜发生脱落和更新时，层状突起参与吞噬作用，这种吞噬作用在一些种属中按生理节律进行，即白天比黑夜旺盛，在病理性的光感受器外段崩解增加时，其细胞内的吞噬体增多，吞噬活动亦增强。此过程包括对脱落物质的识别，进入色素上皮细胞内和在致密结构溶噬体内对此物质最后消化。色素上皮的肌动蛋白质和微管与吞噬过程有关。每一光感受器每10d更新1次它的外段，要消化的物质和沉着于色素上皮的量是惊人的。每个色素上皮细胞需每天吞噬每个视杆细胞外段的10%。因为有些色素上皮细胞1对有100～200个光感受器，如每天消化100个顶端，也就是每天相当于消化10个完整的视杆细胞外段。虽然还未得到最后证实，但这一过程失去平衡或缺乏对应消化物质的识别力，可能是导致几种视网膜变性的原因之一。

被色素上皮吞噬的物质有赖于细胞内溶酶体系统将之消化，其中有些物质可能再用于感光细胞，但另有—些需要经玻璃膜运出。为消化这些吞噬物，色素上皮合成蛋白水解和脂质分解的酶，许多酶包裹在溶酶体中，经移动及融合到新的被吸收外段顶端形成吞噬体，并开始在基底部移动和消化，然后将消化的内容物释放到色素上皮，许多物质重新被利用，有些不能消化或消化很慢的物质则存在细胞内，呈细小的荧光性色素颗粒，即脂褐质，色素上皮脂褐质的量与年龄有关，到老年，脂褐质的量可超过黑色素，沿着老人眼的基底缘可以看到这类颗粒。

（6）黏多糖基质作用：色素上皮分泌黏多糖基质，使其充满在光感受器外段和色素上皮之间，这种黏多糖基质不会被透明质酸酶所消解。对这种基质的功能有多种推测，有人认为可能是一种机械润滑剂，以防止外段与色素上皮之间在眼球运动时受损，也可能与调节局部的离子浓度有关，参与光感受器外段视冲动的激发和传导。

（7）保持视网膜下腔：色素上皮也起到保持视网膜下腔的作用。光感受器－色素上皮界面的完整性对正常视网膜功能来说是必需的，此界面如果分离将导致视网膜脱离。色素上皮微绒毛顶端相互交错和围绕，插入光感受器外段起保持界面完整性的主要作用，而且一些黏多糖物亦是由色素上皮合成和分泌的。色素上皮的离子运输系统动态的维持视网膜下腔的液体循环，很多离子如K＋、Ca2＋、Na＋、经色素上皮做活性转运，并按一定方向进行。如Na＋从脉络膜毛细血管向视网膜下腔，而K＋则相反，碳酸氢盐的转运系统则在色素上皮膜部位，光能影响视网膜下腔离子的组成和色素上皮转运功能。

2．色素上皮的生化代谢　在生理条件下，色素上皮非有丝分裂组织，但在某些病理条件和组织培养下，这些细胞可能有丝分裂，为了修复和替代其他的各种成分和细胞器，色素上皮有稳定的自我消化和成分再合成过程。吞噬活动也有助于更新。

色素上皮是需能相当高的组织，以承担化合物和代谢物的运输过程，它含柠檬酸循环、三羧酸循环和磷酸葡萄糖这三种主要生物化学通道的所有酶。同大部分神经组织一样，葡萄糖是能量代谢的主要碳原和转化成蛋白质。虽然色素上皮对含黏多糖的光感受器间嵌合有一点作用，但葡萄糖在色素上皮内不转变成糖原。

脂类和磷脂大约占色素上皮湿重的3%，而磷酯酰胆碱和磷酯酰乙醇胺构成总磷酯量的80%以上。通常虽有相对高的花生四烯酸水平，色素上皮比外段接合处有较高的饱和脂肪酸。棕榈酸、硬脂酸等饱和脂肪酸用于酯化视黄醛和色素上皮线粒体的能量代谢，也有很少量多不饱和脂肪酸。某些多不饱和脂肪酸可能过氧化相同蛋白质及其他分子交联，继续有助于增加随年龄出现的脂溶素，表明视网膜可不受必需脂肪酸缺乏的影响。因为色素上皮有效的隔开从血液来的脂肪酸以及主动保存和再利用，而不允许它们作为废物丧失的作用。色素上皮中维生素E有助于改善脂肪酸氧化，氧化的脂肪酸不能为色素上皮再代谢，可增加脂溶素积聚。当维生素E缺乏时，就见到色素上皮的脂溶素增加。

核苷酸合成仅限于RNA，此由色素上皮的活性核合成。色素上皮的蛋白质更新是很活跃的，虽然蛋白质合成考虑广泛发生于细胞体而不是绒毛突。在视网膜光感受器层有很高浓度的牛磺酸，通过色素上皮才能有效地进出视网膜。

色素上皮的水解酶有溶酶体、酸性脂酶、酸性磷酸酶等10多种，在色素上皮的除毒素酶是谷胱苷肽过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶。色素上皮特别富有过氧化物微体，它们的存在说明色素上皮在清除高氧、大量自由基和脂质氧化物是非常活跃的。

（二）光感受器的生理和生化代谢

1．光感受器的生理特性　光感受器是接受光线的主要部分，有其特殊的结构，由之而形成固有的物理特性和特有的生理功能。

（1）盘膜结构的流动性：与一般生物膜一样，盘膜的主要成分是类脂和蛋白质。在正常生理情况下，类脂和蛋白质分子都是处在不断的运动之中，它们沿着膜的表面做横向运动和转动，即处于液晶的状态，这对视色素完成光一电转换效应是很重要的。因为视色素的生色团（视黄醛）是平躺在视蛋白的分子上，并与盘膜的表面平行，为了更多吸收光量子，生色团在膜的表面不能只取某一定的方向，而应随机取向，这种随机取向的排列既可能是固定的，也可以由于视色素分子不断地随机的转动或运动所引起。在正常情况下，由于盘膜是液晶状态，视紫红质能绕着与盘膜表面垂直的纵轴旋转，因而使生色团的取向不断改变，另外视紫红质还能沿着盘膜的平面进行横向的扩散，使其在盘膜上重新分布，也有人认为由于热运动，视紫红质分子还可能由类脂双分子膜的一面，“振荡”到另一面，但尚未有充分的实验证据。另外，在视觉激发过程中，盘膜的状态会发生改变，例如类脂分子的排列可由片层的状态突然改变成胶粒球形状态，提供对各种离子通透性的改变的结构基础。

（2）光感受器的双折射：双折射是指光线从第一种媒质向第二种媒质入射，如果第二种媒质是各向异性的，那么光入射到第二种媒质时会产生两种不同的折射光线，其偏振面是彼此相互垂直的，这种现象称为双折射。对处于液晶体的物质，一般都是各向异性的，因而光感受器的盘膜也具有双折射的特性。外段有两种双折射，一是正的固有双折射，它是由盘膜纵向排列的类脂分子层引起，另一是负的形状双折射，它是由折叠盘膜上的蛋白质分子层引起，因蛋白质本身基本上是各向同性的，其负向的双折射极小，因此在完整的外段，只观察到正双折射。当因化学和物理因素作用，使类脂分子溶解或排列紊乱，可使固有双折射消失，整个视杆细胞外段出现负的双折射。现已有一些实验表明，当光刺激时，可引起光感受器外段双折射的瞬时可逆变化。

（3）光感受器的二向色性：二向色性表示一些物质能选择性地吸收某一方向的偏振光，进而使自然光变成偏振光的特性。视色素的生色团是直线形的多烯分子，它能有选择性地吸收电矢量与它的长轴互相平行的偏振光，因而可利用它有选择地吸收偏振光的特性，作为视色素分子取向的固有标记。实验表明，将一偏振光垂直于外段长轴方向射入，当偏振面平行于长轴时，几乎不被吸收，而垂直于长轴时，吸收最大，这说明吸收光波电矢量的偶极子是垂直于长轴的，也即平行于盘膜表面。由于平行于长轴的偏振光的吸收没有方向性，偶极子在盘膜表面的分布是随机的，当有一定方向的偏振光平行于长轴方向射入外段，可引起一个暂时的光致二向色性，在这段时间里，对原来方向的偏振光的吸收最少，对垂直这个方向的偏振光吸收最大，不过这个暂时的二向色性持续的时间很短，约60μs内完全消失，只有用极短的激光脉冲，降低温度或用戊醛固定标本，才能观察到。二向色性的研究表明，视紫红质分子在双脂质分子层里，是可以沿外段长轴方向旋转的，旋转速度和在橄榄油里一样，为同温度水的黏度的100倍左右。视色素生色基团吸收偶极子平行于盘膜的排列，有利于对入射光的吸收，这个吸收在长度和色素浓度与外段相同的溶液里的吸收增加50%，为对垂直于长轴方向光的吸收的3倍，因此有利于减少散光的影响。

（4）光感受器的再生：光感受器的另一个重要的特性是它的再生即自我更新。应用放射自显影是动态观察外段盘膜更新过程的好方法。Hol等报道了蛙的视杆细胞外段的再生，在注射标记的3H－亮氨酸和3H－苯丙氨酸后，首先在视杆细胞内段的粗面内质网中观察到放射性的蛋白存在，在30min内，于高尔基器上也观察到放射性蛋白，在2h内，于外段可见放射带，生化测定表明是在视色素上有放射性，以后8．5周，放射带逐渐移动到外段的顶端。这些研究证实，视蛋白在视杆细胞的内段合成，并转送到外段的基部，在基部生成的视蛋白结合到最基底的盘膜中。一旦视蛋白存在于盘膜中，11－顺型视黄醛被加入以形成光敏视色素。

基底部盘膜的新生，从目前的研究来看，最可能补位的是从高尔基器中派生出来的囊泡。囊泡含有视蛋白和类脂，位于光感受器的内、外段连接纤毛周围，与此处的原生质膜融合，在原生质膜的表面积增大时，外段基部的原生质膜弯曲内陷，并发生膜外翻到细胞外的空间，形成似“开放的盘膜”，这种“开放的盘膜”逐渐生长，当长到一个成熟盘膜大小时，原生质膜自身融合，盘膜与原生质膜分离，成为“游离—可移动”的盘膜。外段盘膜的更新速度与动物种类有关，哺乳动物更新较快，一般9～13d完成外段的全部更新，鼠的视网膜主要为视杆细胞，每天光照后脱落100个盘膜（约外段长度的1/10），两栖动物的更新率与体温有关，在24～25℃，一般40d内全部更新外段。

视锥细胞外段的更新情况不如视杆细胞了解得那样详细，主要的困难是很难得到好的视锥细胞材料进行生化分析。早期的放射自显影表明，随着注射放射性的蛋白质后，观察到放射颗粒弥散分布在视锥细胞的外段。这是因为视锥细胞的原生质膜与盘膜是相连的，放射性蛋白质沿着原生质和盘膜弥散开来，不能形成如视杆细胞外段的放射带。以后Bunt用3H—岩藻糖（是一种糖类，在视杆细胞的视色素中没有发现过）标记的蛋白质在兔的视锥细胞外段随机分布。

总之，光感受器外段是处于动态的情况，它的结构一直在更新。在内段，分子被合成，并以囊泡转运到外段底部，在底部囊泡插入到原生质的基底皱褶中，并逐渐生长成熟。光感受器的膜类脂是游离的，弥散分布在视杆和视锥细胞的盘膜中，并在盘膜间交换。

与盘膜更新相关的是外段顶端的盘膜脱落。初期认为视杆细胞外段脱落过程是随意的，以后观察鼠的色素上皮中吞噬体的量与光照周期有关，最少量的时间是在早晨，即动物刚开始受光照时，最大量的是在光照后1～3h。如果24h光照，则节律性的脱落消除，但也发现在恒定暗环境中3d的动物，也还有外段的脱落。另外在蛙的实验中发现，在正常每日光照下，20%～25%蛙的视杆细胞将脱落一个顶端，如果遮盖蛙的一个眼，对侧眼给予每日周期性光照，接受光照这一眼的信息不能传递到另一眼，说明蛙顶端的脱落表现于本身受光之眼，不影响对侧眼。视锥细胞外段顶端的脱落仅在几种动物中证实，脱落的时间过程，在鸡的视网膜上正好发生在暗的开始时，与视杆细胞的观察情况相反。但两者均是在其功能降低时候开始。

（5）视网膜突触生理特性：视网膜突触的复杂联系，其核心作用是将光感受器的信息传至神经节细胞，并在传递过程中进行信息处理，此种基本类型的信息处理发生在突触连接处，一种是在外丛状层，另一种是在内丛状层，最后在神经节细胞处反映出这两种处理的结果，即从神经节细胞中，测得有给光—中心，撤光—中心，给光—撤光、给光方向敏感性，朝向选择性，运动选择性，局部边缘检测器和均匀性检测器，颜色感觉等神经节细胞的感受野。

（6）黄斑生理特性：黄斑在视网膜中有其非常特殊功能，可辨别物体的颜色、精细形态、明亮程度及探测物体的距离和追随物体的运动等。在中央凹处，由于特殊结构，视锥细胞更易接受较强的光刺激，并避免光线的弥散，光学障碍减低到最小程度。吸收光线所引起的反应很快地传导，并同时进行信息处理，达到较大程度的信息加工。特殊的血管结构既保证黄斑区的血液供给，也减少血管对成像的阻碍，达到保持最佳功能状态。无血管区的面积与年龄有一定的关系，随年龄的增大而扩大。此处的色素上皮的色素比其他部位致密，这样也更有利对光线的吸收。

（7）视网膜的电活动：当视网膜的光感受器接受其适宜的光刺激后，在光感受器内引起一系列物理、化学变化，并产生电位变化，这个电位变化通常称之为感受器电位。这个电位经过双极细胞等的传递，可使神经节细胞产生脉冲信号，此信号通过神经传送于视觉中枢，经分析综合而产生视觉，因而，视网膜的电反应是视觉过程中最基础最重要的活动。

对视网膜的电活动的研究包括实验研究和临床研究二部分。实验研究主要在动物中完成，初期应用比较粗大的电极引出由多数细胞产生的综合电位，后来应用细胞外微电极，在细胞外记录一个或几个细胞的电活动，以后发展应用细胞内微电极，其尖端直径约1μm，插入单个细胞内，引出单细胞的电变化。临床研究包括眼电图，视网膜电图和视诱发电位，其中视网膜电图是临床视觉电生理中研究最早、较完善、内容较丰富的部分。

2．光感受器生化与代谢

（1）光感受器膜蛋白：光感受器外段主要是膜盘构成。视杆细胞外段含有大量固有蛋白、周围蛋白和可溶性蛋白，可以分离出的固有蛋白是视紫红质。视紫红质的分子量大约为36 000道尔顿（Da），每个分子含二个寡糖链，即N－乙酰葡糖胺和甘露糖，通过蛋白质的N端天冬酰胺残基与蛋白质分子连接，视紫红质的生色团是11－顺型视黄醛（维生素A醛），它经希夫基与蛋白质的一个赖氨酸残基的e－氨基相连。

视紫红质是跨膜蛋白，其N端暴露于盘内空间，而c端则在盘间（细胞浆）空间。视紫红质有足够的氨基酸和α螺旋的特征。视紫红质经过如螺旋帽的旋转在双层疏水面及横经光感受器盘整个平面展开侧弥散。在脂质双层内横穿7次，因糖类残基附着在N端，故它们暴露于盘内空间。共价结合的视黄醛位于视紫红质的疏水区域中。该区域又包埋在脂质双层的疏水区域内。生色团则与双层板平行，而与入射光子相垂直。这种排列具有捕获入射光子的最大可能性。在非常靠近c端位置上，在某些条件下，视紫红质能被磷酸化。

在外段还有另一个位于其缘和膜边的分子为290 000Da的蛋白。其分布的对称性尚不清楚，它的功能是为使膜盘紧紧的包裹一起，维持其高弯曲区以利于捕获光子的效益，在外段也载有很多可溶性蛋白。

（2）光感受膜的脂类：视杆细胞和视锥细胞的光感受膜的基本结构都含有脂质双层，这双层有以下几种功能。

①提供对离子被动浸透屏障，作为亚细胞间隔。

②提供可以稳固地包埋完整膜蛋白的稳定镶嵌物。在人视网膜视杆细胞外段，脂质占重量的50%，大多数脂质为磷脂。这些脂质含甘油骨架，在l，2位置有二个长链脂肪酸。在位3含有磷酸团，由一个连接到甘油的磷酸二酯链及一个有机分子相连。在视杆细胞外段最常见的有机分子大多数是胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇。在脂质双层，脂肪酸链邻接形成膜的疏水区；而甘油—磷酸—其他团在水界面上排列在双层的另侧。视杆细胞外段膜是流动的，有橄榄油样黏度，无疑此性质对外段的功能来说是重要的。由于固有蛋白和周围蛋白的分子间结合，使视紫红质在这一流动面上可能更易捕获光子。

视网膜脂质的独特性质是在所有磷酸脂质类中，可以发现甚高水平的长链多为不饱和脂肪酸，在检查过的脊椎动物中，主要的多不饱和脂肪酸是22碳6稀酸，缩写为22∶6w3，（22碳，6双键，第一个双键是来自甲基端的3个碳原子），在外段，高水平的22∶6w3使脂质双层保持高流动性。视网膜对22∶6w3的选择是相当特殊的，如对刚断奶的鼠做喂食22∶6w3前体或无脂肪酸两组比较，前者的ERGa 相b波均明显增高；另外对刚出生的猴不给予22∶6w3前体的喂食，则视力明显下降。

（3）光感受器外段的更新：在成熟的视网膜中，视杆细胞和视锥细胞不能进行有丝分裂，为保证长期生活和结构完整，通过变换方式，持续更新，新的膜在内、外段连接处形成，而老的膜在视杆细胞和视锥细胞末端顶部脱去，由色素上皮吞噬，越是高等的动物，其更新速度越快得多。

在蛙视网膜，经注入放射活性氨基酸后，在光感受器内段的高尔基体上可见到具有放射活性的蛋白质。含有视蛋白质的小泡移动到外段基底部，在连接纤毛区同细胞浆膜融合。2h内，在视杆细胞外段的大部分基底部分，可见到放射性带，此时，生化研究看到在视紫红质中有放射性表现，再经8周半后放射性带向顶移动，直到视杆细胞尖部。此放射性带存在不久，视紫红质的特殊放射性尚保持恒定。随着含有放射性带的尖顶部分脱落，由色素上皮吞噬，外段视紫红质的特殊放射性急剧下降。因此证明了，视蛋白在视杆细胞内段合成并运送到外段基底部，结合到很多基底盘。一旦视蛋白在盘中出现，11－顺型视黄醛就加入其中，形成光敏感色素，即视色素。在外段没有固有膜蛋白的盘间转移。

光感受器膜中的脂类合成与更新在外段基底部则类似通过小泡融合的蛋白质。脂类由内段的平滑内质膜中的各种前体形成。由于视蛋白在插入外段前经常绷在膜上，同时由于所有膜含脂质，因此新合成的视蛋白和脂类形成小泡被送到外段的基底部，生化研究表明一旦结合到视杆细胞外段，磷脂的特殊放射性以指数方式消失。这与先前描述的视杆细胞外段蛋白质不同。同时在放射自显影研究中看到，在注射脂质前体3H－甘油和3H脂肪酸后，在外段出现弥散标记。不像蛋白质、脂质是弥散于整个外段。最近研究显示在视杆细胞外段的脂质有代谢活动，在膜上有属酰基转移酶的磷脂酶A和c，视紫红质可为棕榈酸酰化。视锥细胞的再生不如视杆细胞清楚，早期放射自显影研究显示，在蛋白质放射性先体注射后，视锥细胞外段为弥散标记。其固有膜蛋白自由弥散于整个视锥细胞外段。因为视锥细胞盘的浆膜伸展于整个外段，是连续的，因此上面这种情况也正是所希望的。自体放射研究还可见到视锥细胞用3H－光箔糖标记的蛋白质散在，未见有放射性带。

（4）视色素动力学与维生素A代谢：视色素是感受光的最基本物质。100年前，Kuhne（1878）最早用胆碱从感光细胞中提取了视紫红质，由于细胞学和分子生物学的进展，对于感光细胞和视色素逐有所认识。

视色素是由生色团和视蛋白两部分组成。不同种类的感光细胞可能含有不同种类的生色团和视蛋白。生色团是作为视色素的重要辅基，结构较简单，已经认识到生色团有视黄醛（或称视黄醛1）和视黄醛2两种，也就是相应于不同型的维生素A。视黄醛是维生素A1的醛型，而视黄醛2则为维生素A2的醛型。当它们与不同感光细胞的视蛋白结合，可能构成几种视色素。目前已认识的有：视紫红质、视紫质、视紫蓝质和视蓝质。他们分别具有各自的吸收光谱。

视紫红质是视杆细胞外段所含的色素，它由视黄醛与视杆细胞视蛋白组成，吸收光谱峰值在498nm，对暗光起作用。夜行动物也可见。

视紫质是由视黄醛2与视杆细胞视蛋白组成，吸收光谱峰值在522nm。

视紫蓝质是视黄醛与视锥细胞视蛋白结合而成，吸收光谱峰值为562nm。

视蓝质是视黄醛2与视锥细胞视蛋白结合而成，吸收光谱峰值为620nm。

维生素A是视色素生色团的先体，它储存于组织中，当人或动物食物中缺乏维生素A，原来储存于肝脏或血液中的维生素A2消耗尽，就会出现夜盲症状。维生素A要与视蛋白结合形成视色素，必须先在酶的作用下氧化而转变为它的醛型，即视黄醛。视黄醛有多种异构体，而参与视紫红质中和视蛋白结合的只有11－顺型视黄醛，即当视黄醛在某种特有的扭曲状态（即顺型）中，才能陷入视蛋白中，和视蛋白结合。在光子作用下，11－顺型视黄醛变成全反视黄醛，则不能再与视蛋白结合。视黄醛2的情况一般与视黄醛相同，只是在化学结构上各有不同。视黄醛2（亦称去氢视黄醛）在维生素A分子环中少两个氢原子而另有一个双键。

视色素分子吸收一个光量子后，发生分子的若干变换。首先在生色团，继之在视蛋白部分。这种变换最终导致视黄醛生色团和视蛋白分离。这个过程为漂白，使视色素分子失去颜色。如蛙视紫红质光照后，500nm处峰消失，为380nm峰值所取代。这是游离的视黄醛的吸收峰。当视黄醛转换为维生素A后，则视黄醛峰失去。为维生素A的308nm的吸收峰取代。

在完整视网膜可以观察到视紫红质的变换循环。视紫红质在吸收光量子后变成前光视紫红质和光视紫红质。在常温下，1ms内转为间视紫红质1。这转换似产生早期光感受器电位的R1成分，继之在几分之一毫秒内迅速衰变为半衰期可达几分钟的间视紫红质2，这个转换产生早期感受器电位的R2成分，间视紫红质2可直接分解为全反视黄醛和视蛋白，仅至少有一部分转换为第三中间产物一对视紫红质，此寿命较长，在强光照射后，可见及30min以上。与视蛋白分离的视黄醛，可在酶作用下转换成维生素A信息存起来，也可异构化变为11－顺型自发地再与视蛋白结合成视紫红质。在强光连续作用下，大部分分离的视黄醛还原为维生素A，并储存在色素上皮中。在暗适应时，又用于视色素的复生。

（5）光感受化学机制cGMP代谢：光引起视紫红质的代谢触发光感受器兴奋，通过光—电能转换，引起神经冲动。在这个兴奋的过称中，视紫红质必须释放一种化学信使或影响一种化学信使来控制细胞质膜的通透性。现在了解到控制质膜通透性的内部信使是环鸟苷酸（cGMP），在黑暗时cGMP使外段膜保持开放，cGMP直接实现这种功能，并非通过磷酸化或去磷酸化参与。光照时cGMP水平降低是以磷酸二酯酶（PDE）为中介的，PDE为转导蛋白所激活，导致cGMP裂解为一种非活性物质（GMP）。由于cGMP使外段膜上的通道保持开放，从而使Na和Ca在暗时进入细胞，这时色素外段的膜对Na是高度通透的。当光感受器受光照时，cGMP水平降低，从而引起外段膜上的cGMP激活通道关闭，细胞超极化，当cGMP水平增加，通道又开放，细胞除极化。Ca离子水平的降低将压抑PDE活动，并提高尿苷酸环化酶（GC）活动。这些作用对抗光的效应，使外段中cGMP水平增高，这对光感受器明适应可能起主要作用。

（三）视网膜的中间代谢

激发视觉需要的能量来自中间代谢中得到的ATP，中间代谢对细胞稳定机制有益，也是细胞生存所必需的。这包括活细胞组成成分的持续更新和维持在功能水平上所要求的特殊离子和氨基酸的细胞内浓度。在视网膜产生的ATP大部分来自葡萄糖代谢，葡萄糖从视网膜毛细血管和脉络膜循环弥散到视网膜细胞，并经历3个主要代谢：糖酵解；三羧酸循环；己糖单磷酸通道（AMP）。

1．糖代谢　多年来感光细胞代谢研究已证实视网膜有不寻常的高糖酵解和呼吸率，感光细胞的显著代谢性质之一是即使在有氧情况下从葡萄糖也能迅速地产生乳酸（1．12μM/mg干重/h），这推论像需氧糖酵解。三羧酸循环所致的丙酮酸氧化没有保持来自葡萄糖的丙酮酸产物。额外的丙酮酸转为在视网膜积聚的乳酸，过量乳酸经弥散而减少，但是机制尚不明。虽然糖酵解在产能上无效，但在缺氧下有益，在缺氧时由于Paster效应（糖酵解受氧抑制）导致葡萄糖利用增加。

在葡萄糖缺乏情况下，无氧产生的乳酸量是0．2～0．5μmol/mg，大部分是产生于培养开始的10～15min，此后在视网膜中储存糖类0．1～0．25μmol/己糖/mg干重当量，表明视网膜没有储存大量糖类，在很多动物包括人，其视网膜糖原十分低，少量糖原似乎最早位于Müller（胶质）细胞，作为葡萄糖代用品的各种糖试验显示不是半乳糖或果糖，仅甘露糖是糖酵解的底物。

在有氧下，葡萄糖总消耗量将近0．7μmol/（mg·h），而70%葡萄糖总重经无氧利用转变成乳酸，相比之下，角膜和睫状突消耗80%～85%葡萄糖，转成乳酸而色素上皮和晶体葡萄糖利用达95%，这差别表明在视网膜较依靠于三羧酸循环，并具有相对需高能量的特征。视网膜的氧摄入是角膜内皮、睫状突、色素上皮的2～5倍，而这些组织则比晶状体的氧摄入要高。

在视网膜呼吸底物是葡萄糖，因为接近70%的氧摄入是由于葡萄糖氧化成CO2，一种强有力的如磷酸丙糖脱氢酶这类酶抑制药碘乙酸，能完全破坏糖酵解浓度，抑制60%呼吸。在葡萄糖缺乏时，组织培养最初20min的呼吸率轻度高于有葡萄糖存在时，表示有少许Grabtree效应（葡萄糖对呼吸抑制作用）。由此提示内源性呼吸包括两种成分，主要的由己糖或乳糖储存，而少量为非糖类储存。糖类的性质尚不明，所以葡萄糖是视网膜上代谢能量（ATP）的最初源。

视网膜在与糖酵解无关的有氧机制下能利用葡萄糖以外的其他底物产生ATP，如丙酮酸和乳酸在缺葡萄糖下，都维持高水平的ATP浓度，其他底物包括三羧酸循环中间产物：谷氨酰胺、谷氨酸等都维持比视网膜在无底物下培养时要高的ATP浓度，可能谷氨酰胺和谷氨酸可作为视网膜呼吸的内源性非糖类底物。

视网膜中葡萄糖的利用是经过糖酵解和三羧酸循环，也可能经过单磷酸戊糖之路。用14c－1和14c－6标记的葡萄糖证实了此路的活性。因为葡萄糖的这些碳原子的代谢率不同于依靠葡萄糖代谢路线者，相对于己糖单磷酸途径的葡萄糖代谢为葡萄糖c－1位的优先氧化所特有。这类研究显示，在邻葡萄糖分子变成CO2中，约23%为己糖单磷酸（HMP）途径氧化，剩下77%由三羧酸循环氧化，而在晶体组织则大量CO2从HMP产生。

2．糖代谢与ERG电位　早年Granit发现猫视网膜的b波对氧的供应有高度敏感性，压迫颈动脉，此电位有选择性降低，在兔静脉注射碘乙酸几分钟后，a和b波振幅降至低水平且感光细胞功能丧失，在12～14h开始显示感光细胞死亡信号，最后细胞层消失，而其他细胞层很少或没有改变。当视网膜培养在含氧5μmol/L葡萄糖溶解中，ERG保持稳定几个小时。当葡萄糖低于1mmol/L时，a、b波不能保持稳定，故在缺乏葡萄糖时内源性能量储存已不足以支持视网膜的电活动。如葡萄糖和氧同时缺乏，ERG电位丧失非常迅速。

利用达到阻止糖酵解浓度的碘乙酸做实验，可在5～10min发生不能逆转的电位损害。几乎同时降低a和b波振幅。同缺乏葡萄糖的条件下相比，碘乙酸明显加速了下降率，说明ATP的氧化产物在底物缺乏下，支持光诱发电活动的发生很大程度上依赖于葡萄糖代谢得到的内源性储存。

在窒息5min后，b波振幅选择性减少，随之振荡电位消失。因此在缺氧时，这2种电位丧失。但窒息时，a波只降低20%，且持续30min以上。说明光感受器在缺氧代谢时仍能保持电活动，在5mmol/L葡萄糖时，以氮取代氧30min，可引起离体视网膜的a波振幅减少60%，这表示当葡萄糖浓度类似于血内的浓度时，单单糖酵解不能在体外支持a波提高水平。因此哺乳类视网膜的电活动是十分依赖于葡萄糖作为糖酵解和氧代谢的底物，同时氧供应和葡萄糖氧化在为视功能提供必要的能量上是十分重要的。

（四）视网膜的化学传递

视网膜神经元具有中枢和周围神经系统神经元的两种特殊性质。首先是沿着膜表面产生和传导生物电信号。其次是用化学信息兴奋和（或）抑制相关神经元的特殊装置。这电和化学两类传递有不同的机制，通常电传递是起始于对化学刺激的反应（除外光感受器这类基本感觉神经元）和浆膜的离子流引起的膜电位改变所促成，最后是沿着细胞整个浆膜对邻近细胞有电位改变的电扩散和在某些例子通过称为裂隙连接的低阻抗联系。化学传递是经电刺激触发，它引起化学成分（如神经递质）从突触前细胞释放和横经称为突触间隙的细胞外腔，递质弥散到靶细胞或突触后细胞，随之为神经递质所兴奋或抑制。

视信息的传递依视路的细胞组成，来自前一段所触发的一系列电和化学刺激反应。在视网膜最初触发是光感受细胞对光的电反应（超极化），最后从视网膜输出的是由节细胞发生的电子发射串或脉冲沿节细胞轴到大脑。在最初触发和最后输出间，在视网膜神经元内或其间有很多电和化学传递，其中间步骤则是反应于视网膜内的视信息“加工”。

偶联电刺激对神经递质分泌加工的机制称“刺激—分泌偶联”，突触前神经元的膜电位通过动作电位或极电位的逆转变为除极化，引起细胞内Ca离子增加，导致膜关闭。细胞内的传递成分储存装置称突触泡，它释放递质，然后递质作用在后触突细胞的受体位置。化学传递的最后一部分是从突触裂隙和下一步刺激系统的再建中去掉递质，由下列方法可达到：①位于后突触神经元特殊传递系统的活性递质摄入。②位于突触裂隙的酶对递质的分解。③从突触裂隙神经递质的单纯弥散。

在脑的其他部位，一般已确定有两种神经活动性物质在化学突触的终末被释放，即神经递质和神经调质。神经递质很快作用于突触后细胞，直接改变一对或几种离子的通透性，使这些细胞除极化或超极化。另一方面，神经调质以不同方式作用于突触后细胞，即激活细胞内酶系统和通过生化机制影响突触后细胞功能，既不直接影响膜电位，也不影响膜通透性。至今至少有15种物质列为视网膜神经递质或神经调质。如L－谷氨酸、r－氨基丁酸、甘氨酸、乙酰胆碱，在视网膜中起经典神经递质作用，而多巴胺似乎起神经调质的作用。

1．乙酰胆碱　从l930年中期起已知乙酰胆碱（Ach）是神经肌肉连接位的神经递质。广泛地可见到在神经元分泌。主要在（或近于）突触前区由一种胞浆酶——胆碱乙酰转移酶（CAT）所催化合成，按下列反应进行：

乙酞CoA＋胆碱——→ACh＋CoA

Ach储存于突触泡，由胞吐作用释放。释放后与突触后受体互相作用，Ach迅速为—种存在于细胞外浆膜上和细胞内内质网中的膜结合酶——乙酰胆碱酯酶水解，释放水、乙酸和胆碱。大多数释放出的胆碱吸收后可再循环及再合成为Ach。

视网膜的胆碱能系统已有很好研究，在很多种属中表现相似。胆碱能无长突细胞，终端在内丛状层下a的分离带，且在黑暗时释放Ach，移位的胆碱能无长突细胞终止在层下b和对光反应时释放Ach。胆碱能传递通过烟酸受体直接或间接地影响神经细胞。r－氨基丁酸（GABA）能无长突细胞抑制胆碱能无长突细胞释放Ach。

2．儿茶酚胺　在脑中递质有3种儿茶酚胺，即多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素。在视网膜只见到前两者。儿茶酚胺释放到裂隙后，作用于突触后受体上，为直接吸收到突触前终端，或酶降解和弥散所清除。大部分清除中有高亲和力系统起作用，在转运位对儿茶酚胺有很高亲和力。但在3种不同儿茶酚胺化合物中不能很好区别。摄取的递质和酶降解主要由单胺氧化酶（MAO）完成，单胺氧化酶使儿茶酚胺氧化脱氨成相应的醛。由醛脱氢酶将醛转为酸或还原至醇。

有两类多巴胺能细胞：一种是在内核层，伸出树状突到内、外丛状层，叫丛状层间细胞，构成至今仍知道不多的一类独特的神经元。第二类多巴胺触神经元，其树突仅在丛状层内成网状，并有无长突细胞的形态特征。视网膜多巴胺系统的特点与脑纹状体的“经典”多巴胺系统相似。许多多巴胺受体与腺苷酸环化酶相连，为Dl受体。位于水平细胞的多巴胺受体通过电偶联水平细胞，降低间隙连接的传导性，影响暗/光适应机制。近来D2或非偶联受体已被定位于光感受器，在某些种属中调节盘的脱落和视锥细胞膜生命的延长。

3．γ－氨基丁酸（GABA）　γ－氨基丁酸（GABA）在脑可能是主要抑制性神经递质，通常伴同小的中间神经元而不作为长投射通道的部分。γ－氨基丁酸（GABA）使用“旁路”跨过三羧酸循环，在中枢神经系统中，与糖类的氧化代谢密切相关。此旁路关系到谷氨酸脱羧酶的催化下，由谷氨酸产生GABA，再在GABA－α－酮戊二酸转移酶（GABA－T）作用下、GABA同α－酮戊二酸转氨基作用，产生琥珀酸半醛和新的谷氨酸，琥珀酸半醛氧化成琥珀酸再进入三羧酸循环，谷氨酸脱羧酶是少数有纯化形式、诱发出抗体的一种递质合成酶。免疫组织化学研究表明该酶明显位于推定的GABA能终端，而GABA分解酶位于神经胶质细胞中，如是GABA可能主要在后突触神经元和胶质代谢。

GABA位于无长突细胞群，在视网膜中对视网膜通道有明显抑制作用，可抑制多巴胺和胆碱酶的活性，并影响几条不同的通路。

4．甘氨酸　在哺乳类视网膜，甘氨酸集中于密集的无长突细胞。在金鱼视网膜无长突细胞群和间丛状细胞似乎也是甘氨酸能。甘氨酸对大多数甘氨酸受体细胞（如神经节细胞和水平细胞）有抑制作用，士的宁能阻断甘氨酸诱发抑制作用。

5．谷氨酸和天门冬氨酸　几十年来已知谷氨酸和天门冬氨酸在视网膜上有强的除极化作用，这个化合物在低浓度下就引起阻止视网膜兴奋，由于光感受器可能释放一种除极化神经递质，因此光感受器递质是甘氨酸和或天门冬氨酸。还没有清楚证实在暗处光感受器细胞会释放谷氨酸或天门冬氨酸，所以对光感受器细胞递质的验证，还是尝试性的。

6．肽　在脑组织中约有50多种肽神经递质，其中1/4可见于视网膜中。很多视网膜肽递质研究是为了判明无长突细胞特定位的免疫学和肽受体结合位。但甚少关于这些化合物的代谢和突触后效应的资料。

于很多动物的视网膜无触突细胞中已发现血管活性肠多肽（VIP）、P物质、促甲状腺释放激素（TRH）、脑啡肽、生长激素抑制因子、神经性肽Y、高血糖素、缩胆囊肽和神经紧张肽等。

（五）视网膜生物电活动

视网膜各类神经元对不同强度全视野闪光的生物电反应都有相同的特点：持续电位、分级（即幅度与光强改变正相关）、不产生动作电位。其中视锥、视杆细胞以及水平细胞的反应电位呈超极化；无长突细胞在给光和撤光时都出现除极化电位变化；双极细胞中一部分为超极化电位，另一部分为除极电位。

视网膜的各类神经元的感受野（能在某一神经元上引起光刺激反应的视网膜有关区域）有很大差异。视锥细胞和视杆细胞只有光点直接照射在细胞上才出现超极化反应，感受野较小，水平细胞和无长突细胞的感受野较大，而且一个感受野的不同区域都只对同种类型光刺激产生相同类型的电位变化。双极细胞与神经节细胞的感受野都是同心圆构型。它们对视野特定部位的一个大致是圆形的光点呈现最佳反应。光点的大小是很关键的，因为同心圆感受野分中心区（圆形）和周围区（环形）两个区，并且其作用是相互拮抗的。中心区对光刺激的反应，有两种类型：一种是光照射中心区，细胞反应增强，称为给光—中心细胞；另一种情况，光刺激中心区引起细胞反应抑制，称为撤光—中心细胞。如果用弥散光线同时照射整个感受野，细胞的反应倾向居中。节细胞这种拮抗性同心圆构型，主要同反差感受，即同视野中光亮水平与其周围的平均照明水平进行比较的功能有关。当然，节细胞也对光的亮度本身做出反应。亮度似乎被编码为冲动的频率。

根据给光—中心与撤光—中心的节细胞不同的放电型式，将它们区分为W、X、Y细胞三类。W细胞既对亮点、也对暗点做出通常的给－撤反应，然而主要是对一定方向的刺激点掠过感受野时反应最佳；X细胞在整个光刺激期间都做出持续的反应，其轴突的传导速度较慢，主要是提供有关刺激强度的信息；而Y细胞在给光时反应强，能做出瞬时反应，如光持续照射则反应衰减。神经传导速度上，X细胞为快，它主要是提供刺激给予或撤除的信息。X细胞多分布在视网膜中心区，而Y细胞在视网膜周边区。因此生物学家们推测，X细胞传达物体位置的信息，而Y细胞传达物体的移动信息。

（六）视网膜神经元回路

除光感受器外，与光信息处理有关的神经元有水平细胞、双极细胞、无足细胞和节细胞，新近又发现另一类神经元，称为网间细胞。它们形成两个突触层：光感受器、水平细胞和双极细胞的突触联接形成外网状层，参与了光电换能过程。双极细胞、无足细胞和神经节细胞的突触联接形成内网状层。光感受器接受光信息后，在视网膜内有可能经由两条途径传递：一条是纵向的，即从光感受器至双极细胞至神经节细胞的传递；另一条是横向的，由水平细胞和无足细胞完成。水平细胞在视网膜神经元回路中有独特的作用。水平细胞近端为中间水平细胞，远端为视网膜的各种神经元形成的回路。水平细胞、中间水平细胞只与视杆细胞联系，而外水平细胞只与视锥细胞联系。L型外水平细胞（LEHc）同时接受红敏和绿敏锥细胞输入，两种输入作用相互易化。无足细胞在复杂的视网膜神经元回路里，首先呈现神经冲动。无足细胞的潜伏期比一般的动作电位长得多，而且也不能做远距离传导。无足细胞接受来自双极细胞及其他无足细胞的输入，它的输出朝向节细胞，节细胞还从双极细胞接受输入。网间细胞在内网状层从无足细胞接受输入，将信息传送至外网状层的水平细胞和双极细胞，从而为视信息向视神经纤维的传递提供了一条离心反馈控制通路。

（七）视网膜神经纤维排列

视网膜的纤维排列经黄斑中央凹做一条垂直线，可将视网膜神经纤维分为颞侧非交叉纤维与鼻侧交叉纤维；视网膜上下纤维间亦有明显的水平缝分开，此水平线亦通过黄斑中央凹，把视网膜分为上、下两半。自视盘中心也可做一垂直线，把视盘分为鼻侧和颞侧两半视网膜神经节细胞的轴突从视网膜各方汇集至视盘，来自视网膜周边部的纤维，在视网膜神经纤维层的深层行走，排在视盘的周边；来自近视盘部的纤维，在神经纤维层的浅层，进入视盘的中央。因为视网膜中央血管占据了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层视盘中央部位，因此黄斑部交叉与非交叉纤维形成的黄斑视盘束直接至视盘颞侧的中分。另外，视盘和黄斑之间的纤维，因位于视网膜垂直线的鼻侧，其纤维经由黄斑视盘束的深层也集入视盘鼻侧。黄斑视盘束纤维细小，但数目多，黄斑仅占视网膜总面积的l/20，但黄斑纤维约占视网膜神经节细胞纤维总数的1/3，黄斑视盘束占据视盘颞侧半的2/3范围。在视网膜的周边部鼻上、鼻下的纤维呈放射状进入视盘鼻侧的上、下方；颞上、颞下的纤维呈弓形在黄斑的上、下方进入视盘颞侧的上、下方各约1/6的狭窄楔形区，且被黄斑视盘束分隔开。视神经纤维在视网膜平面进入视盘时排列的深浅层次不同，来自视网膜周边部的纤维在视网膜神经纤维层的深层中行走，排个视盘的周边，来自近乳头部的纤维在神经纤维层的浅层，进入视盘的中央。