投稿類別 : 生物類 篇名 : 維生素 A 缺乏引起夜盲症的探討 作者 : 劉叡嶸 臺中市私立衛道高級中學 高一甲班 羅國平 臺中市私立衛道高級中學 高一戊班 指導老師 : 劉士傑老師
壹 前言 一 研究動機 缺乏維生素 A 會引起夜盲症 是從小耳熟能詳的一句話, 但是學校教科書或坊間參考書籍都沒有進一步說明其原因 經詢問同學與師長, 也無法得到很明確的答案 於是我們秉持著追根究柢的精神及對生物學奧妙的好奇心, 決定一探其背後的致病機轉 二 研究方法 利用課餘時間, 上網及至圖書館查詢資料, 並詢問學校老師以及相 關專業人士, 進行文獻收集 分析與研討 三 研究目的 了解缺乏維生素 A 引發夜盲症之原理, 並探討維生素 A 的補充與治療 貳 正文 一 維生素 A 簡介 維生素 A 是人體必需的脂溶性維生素, 早在 1915 年就由 Elmer McCollum 於魚肝油中分離出來 在自然界中, 維生素 A 主要存於動物體內, 植物並不含維生素 A, 但含有類胡蘿蔔素 類胡蘿蔔素包含胡蘿蔔素與葉黃素, 其中的 β- 胡蘿蔔素具有與維生素 A 相似的化學結構, 是哺乳動物合成維生素 A 的前驅物質, 又稱為維生素 A 原 如圖一所示, 當植物被動物攝取後, 植物所含的 β- 胡蘿蔔素會在十二指腸經膽汁乳化, 形成乳糜微粒, 再由動物的小腸黏膜吸收, 再轉化為維生素 A, 貯藏在肝臟中, 通常這種維生素 A 是以醇類的方式存在, 稱作視黃醇或維生素 A 醇 (retinol) 維生素 A 並非指單一的一種化合物, 而是具有多種不同的型態 有一部分屬於醛類, 稱為視黃醛或維生素 A 醛 (retina-ldehyde); 另外一些屬於酸類, 稱作視黃酸或維生素 A 酸 (retinoic acid) 視黃酸與人體上皮細胞的分化有關, 因此, 視黃酸的衍生物 ( 如維生素 A 酸 ) 可用於治療皮膚病 另一種稱為視黃酯或維生素 A 酯 (retinyl ester), 是維生素 A 在人體淋巴組織內輸送的主要型式 視黃醇 視黃醛 視黃酯與視網膜的桿狀細胞的視循環 (visual cycle) 有關, 這正是這篇論文所要探討闡明的機制 1
圖一 β- 胡蘿蔔素經由酵素轉變為維生素 A 的反應過程 圖片來源 :Ingredient Spotlight: Vitamin A in Skin Care http://rachaelpontillo.com/ingredient-spotlight-vitamin-a-in-skin-care/ 二 缺乏維生素 A 之症狀 人體缺乏維生素 A, 除了會造成兒童生長發育遲緩甚或死亡外, 還容易引起味覺喪失 貧血 男性不孕 感染 皮膚及黏膜乾燥 乾眼症與夜盲症 夜盲症患者之症狀是夜間視力不佳, 例如 : 在晚上開車時易導致車禍 ; 光線昏暗時, 容易發生跌倒意外 ; 在無雲的晚上看星星會有困難 小孩罹患夜盲症, 其暗適應會變差, 亦即由明亮背景進入黑暗環境中, 需要較長時間才能看清周遭環境, 比如說其在黑暗的電影院行走會有困難 在營養不良地區的民眾, 缺乏維生素 A 是很常見的, 而夜盲症是早期診斷維生素 A 缺乏的重要依據 若能早期發現夜盲症, 早期確定維生素 A 缺乏的診斷而予以治療, 的確能拯救許多兒童的健康 三 眼球的構造與光的傳導 如圖二所示, 光線進入眼球後會直接穿透視網膜 (retina), 到達視網膜色素上皮細胞 (pigment epithelium) 入射光線碰觸視網膜色素上皮細胞後, 因為色素上皮細胞的色素層阻擋, 光線並無法穿越, 反而會被色素上皮細胞反射, 進入視網膜錐狀細胞 (cones) 與桿狀細胞 (rods), 進而引發一連串的生化反應, 從而產生視覺神經衝動, 最後再經由視神經 (optic nerve) 將此神經訊號傳回大腦之枕葉以形成視覺 2
圖二 光線進入眼球到達視網膜色素上皮細胞之示意圖 圖片來源 :http://www.astropix.com/html/observing/20_fun_naked_eye_doubles.html 四 視網膜分層與感光細胞之構造 如圖三所示, 視網膜是由多層的神經構造所組成, 其中 (1) 為視網膜色素上皮細胞,(2) 為視網膜感光細胞 ( 包括主要分布在視網膜中央的錐狀細胞與分布在視網膜周邊的桿狀細胞 ), 這三種細胞是產生視覺神經訊號的最初場所 如圖四所示, 是視網膜桿狀細胞與錐狀細胞放大的構造, 其中, 外節 (Outer segment) 是桿狀細胞的感光部分, 其內含有感光物質, 是進行暗視力視循環的場所 圖三 視網膜分層構造圖 圖片來源 :http://instruct.uwo.ca/anatomy/530/retina.jpg 3
圖四 視網膜桿狀細胞與錐狀細胞放大圖圖片來源 : http://www.psiwebsubr.org/subr/studyguides/381/psyc381exam2studyguide.html 五 視循環的生化反應維生素 A 缺乏與夜盲症到底有何關聯? 首先, 我們要探討維生素 A 在視循環所扮演的生化反應角色 視力可分為明視力與暗視力, 明視力就是在明亮環境下的視力, 與視網膜的錐狀細胞有關 ; 暗視力則指在昏暗環境下的視力, 與視網膜的桿狀細胞有關 如圖五所示, 在微弱光線下, 視網膜桿狀細胞中的視紫質 (rhodopsin) 會轉變為全 - 反式視黃醛 (all-trans-retinal) 與視蛋白 (opsin), 接著全 - 反式視黃醛會被還原成全 - 反式視黃醇 (all-trans-retinol) 全- 反式視黃醇會進入視網膜色素上皮細胞中再轉變為全 - 反式視黃酯 (all-trans-retinyl ester), 再轉變為 11- 順式視黃醇 (11-cis-retinol),11- 順式視黃醇會再轉變為 11- 順式視黃醛 (11-cis-retinal),11- 順式視黃醛再次進入視網膜桿狀細胞中與視蛋白結合成視紫質 再度遇到光線時, 視紫質會迅速分解為視蛋白和全 - 反式視黃醛, 此刻因視紫質分子的幾何形狀的改變, 會誘發視覺神經衝動, 產生暗視覺, 並重新開始下一個視循環過程 以上反應過程均需專一的酵素參與 圖五 視循環的生化反應途徑圖片來源 : http://projectasha4you.blogspot.tw/2012/08/pathogenesis-and-pathophysiology-of.html 4
六 富含維生素 A 的食物 ( 一 ) 植物性食物 ( 含有 β- 胡蘿蔔素的綠色 黃色蔬菜與水果 ), 如菠菜 青花菜 羽衣甘藍 牛皮菜 苜蓿 刀豆 綠花椰菜 紅心蕃薯 胡蘿蔔 青椒 南瓜 杏 山藥 豌豆 芹菜 萵苣 蘆筍 哈密瓜 藍莓 蕃茄 木瓜 芒果等等 ( 二 ) 動物性食物, 如動物的肝臟 腎臟 魚肝油 奶 未脫脂之奶製品 與禽鳥蛋黃等等 七 維生素 A 的建議攝取量 維生素 A 的含量有兩種表示單位 : 國際單位 (IU) 與視網醇當量數 (RE) 其換算法為 1 RE 相當於 1 微克 (μg) 視網醇, 或 6 微克 β- 胡蘿蔔素, 或 12 微克其他類胡蘿蔔素成分 國際單位最常用在補充劑的標示, 與食物含量換算的原則是視網醇 3.33 IU 相當於 1 RE,β- 胡蘿蔔素 10 IU 相當於 1 RE 維生素 A 是脂溶性維生素, 食用過量也會中毒 每日維生素 A 的建議攝取量, 成年男性為 5000 國際單位, 女性為 4000-4200 國際單位 兒童約為 2000-2500 國際單位 成年人的攝取量上限為視網醇 3000 微克即 10000 國際單位 參 結論 依據世界衛生組織 (WHO) 的報告, 維生素 A 缺乏是全球最常見的營養素缺乏情形之一, 維生素 A 缺乏是採用血清中視黃醇濃度小於 0.70 µmol/l 或小於 20 µg/dl 來定義, 依照這個定義, 據估計, 全球約有 2.5 億人為缺乏維生素 A 所苦, 其中包括 40% 居住在開發中國家的五歲以下學齡前幼童 而根據聯合國兒童基金會統計, 每年約有 1 百萬至 2 百萬可預防的死亡是因為維生素 A 缺乏而產生, 這是因為缺乏維生素 A 會損害免疫系統, 讓嬰兒和兒童處於高度的死亡風險 ( 尤其是腹瀉和麻疹 ) 維生素 A 缺乏也是兒童失明的首要原因, 每年影響 25 萬到 50 萬名兒童, 其中有一半的兒童會在失去視力的一年內死亡 依照聯合國糧食與農業計劃指出, 在 2050 年以前, 全球食品與飼料的生產量大約需要增加一倍, 以滿足不斷增長的全球人口的需求 目前全世界發展中國家缺乏維生素 A 的盛行率為 15% 到 60%, 其中盛行率最 5
高也就是維生素 A 缺乏最嚴重的地方是在非洲和東南亞地區, 其次是西 太平洋地區 而人口膨脹, 最主要也是發生在上述地方, 因此維生素 A 缺乏的情況應該是會越來越嚴重的 維生素 A 是視循環生化反應的主要反應物, 缺乏維生素 A, 會影響整個視循環的進行, 繼而影響暗視力, 導致夜盲症 因為夜盲症是早期診斷維生素 A 缺乏的重要依據, 所以借由夜盲症的診斷來評估維生素 A 缺乏, 是非常重要的 而適當補充維生素 A 即能治療夜盲症甚至一些維生素 A 缺乏的致命疾病 植物性食物提供的是維生素 A 的前驅物質, 主要就是類胡蘿蔔素, 類胡蘿蔔素本身不具有維生素 A 的活性, 但吸收後可在小腸細胞代謝成視網醇 因為只有在身體需要時才會將類胡蘿蔔素代謝成維生素 A, 因此食用類胡蘿蔔素並不會過量, 也沒有毒性, 但是, 大量攝取時皮膚卻可能會變黄 主要含有類胡蘿蔔素的作物是深綠色蔬菜與橘黃色蔬果 個人認為, 為能有效解決貧窮落後國家的兒童或人民維生素 A 缺乏的問題, 可以考慮在非洲與東南亞這些較貧困的國家大量種植這類富含類胡蘿蔔素的蔬果, 供民眾食用, 這與動輒龐大的醫療費用或孩童生命安全相比, 相對方便 容易, 也必定經濟實惠, 是很值得推廣的 當然, 過量的脂溶性維生素 A 是無法由尿液排出, 易儲存在體內, 有中毒的危險, 常見的中毒症狀有頭痛 食慾不振 皮膚發癢 毛髮脫落 脱皮 骨骼異常 嘔吐和肝損傷等多種器官傷害 所以服用或注射維生素 A 時必須遵從醫師的指示 無論臨床症狀嚴重與否, 若懷疑維生素 A 缺乏, 都應盡快的補充維生素 A, 因為多數的病症都能因治療而獲得改善與痊癒 肆 引註資料 1. Albert L. Lehninger.(1982). Principles of Biochemistry.Worth Publishers, Inc. 2. 圖片來源 :Rachael Pontillo 2017 年 01 月 29 日, 取自 http://rachaelpontillo.com/ingredient-spotlight-vitamin-a-in-skin-care/ 3. 維基百科 2017 年 01 月 29 日, 取自 http://zh.wikipedia.org/wiki/%e7%b6%ad%e7%94%9f%e7%b4%a0a 4. A+ 醫學百科 2017 年 01 月 29 日, 取自 http://cht.a- hospital.com/w/%e7%bb%b4%e7%94%9f%e7%b4%a0a 5. 中華民國每日營養素攝取建議量表 2017 年 01 月 29 日, 取自 http://www.mmh.org.tw/nutrition/rdna20.htm 6
6. The University of Western Ontario 2017 年 01 月 29 日, 取自 http://instruct.uwo.ca/anatomy/530/retina.jpg 7. HechtGS 2017 年 01 月 29 日, 取自 http://www.psiwebsubr.org/subr/studyguides/381/psyc381exam2studyguide.html 8. Leber Congenital Amaurosis 2017 年 01 月 29 日, 取自 lebercongenitalamaurosis.blogspot.com 9. Thomas A. Weingeist. (1998-1999). Fundamentals and Principles of Ophthalmology. American Academy of Ophthalmology. 10. R.K. Murray. (1988). HARPER'S BIOCHEMISTRY. APPLETON&LANGE. 11. Wyngaarden., &Smith., &Bennett M.D. (1992). Cecil Textbook of Medicine. W.B. SAUNDERS. 12. Catching the Light 2017 年 01 月 29 日, 取自 http://www.astropix.com/html/observing/20_fun_naked_eye_doubles.html 13. 超過 100 位諾貝爾獎得主支持基改科技幫助人類, 譴責綠色和平組織 2017 年 03 月 08 日, 取自 www.croplifetaiwan.org/news/7-3-1.php 7