人的眼可分為折光系統(tǒng)（角膜，房水，晶狀體和玻璃體）和含感光細(xì)胞（視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞）的視網(wǎng)膜兩部分。人眼能看清物體是由于物體所發(fā)出的光線經(jīng)過眼內(nèi)折光系統(tǒng)發(fā)生折射，成像于視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞——視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞能將光刺激所包含的視覺信息轉(zhuǎn)變成神經(jīng)信息，經(jīng)視神經(jīng)傳入至大腦視覺中樞而產(chǎn)生視覺。其適宜刺激是頻率為300~750太赫茲的電磁波，即可見光部分（1）。

視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)（2）

        視紫紅質(zhì)（rhodopsin）是一種在視桿細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)，每個視桿細(xì)胞外段包含109個視紫紅質(zhì)分子。它在光照射下發(fā)生的一系列光化學(xué)變化是整個視覺過程的起始點。
        視紫紅質(zhì)是一種由RHO基因編碼的G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)蛋白質(zhì)，可觸發(fā)視桿細(xì)胞中的視覺光轉(zhuǎn)導(dǎo)。之所以被稱為視紫紅質(zhì)是由于它是一種色素蛋白,具有一定的光譜吸收特性，在暗中呈粉紅色（3）。在結(jié)構(gòu)上，它由視蛋白（一種無色蛋白質(zhì)）和 11-順式視黃醛組成，這是一種從維生素 A 中提取的色素分子。當(dāng)眼睛暴露在光線下時，視紫紅質(zhì)中呈扭曲形的 11-順式視黃醛成分轉(zhuǎn)化為直線形的全反式視黃醛，后者不再能和視蛋白相結(jié)合，經(jīng)過一系列不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物后，視黃醛與視蛋白相分離。 在這一過程中，視紫紅質(zhì)失去其顏色，稱為漂白。視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化在視桿內(nèi)啟動光轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)，從而將光轉(zhuǎn)換為電信號，然后沿著視神經(jīng)傳輸?shù)酱竽X中的視覺皮層。漂白限制了視桿細(xì)胞受到刺激的程度，降低了它們對強光的敏感性，并允許視錐細(xì)胞（視網(wǎng)膜中的另一種光感受器）在明亮的環(huán)境中調(diào)節(jié)視覺（4）。

細(xì)胞膜（灰色）上視紫紅質(zhì)和其中11-順式視黃醛的示意圖

暗處在酶的作用下，視黃醛又變?yōu)?1-順式，并重新與視蛋白相結(jié)合，使視紫紅質(zhì)再生（復(fù)生），完成視覺循環(huán)。在強光照射后，視紫紅質(zhì)大部分被漂白，其重新合成需要約1小時。隨著視紫紅質(zhì)的復(fù)生，視網(wǎng)膜的對光敏感度逐漸恢復(fù)，這是暗適應(yīng)的光化學(xué)基礎(chǔ)。視紫紅質(zhì)在亮處分解，在暗處又可重新合成。人在暗處視物時，實際上既有視紫紅質(zhì)的分解，又有它的合成。光線愈暗，合成過程愈超過分解過程，這是人在暗處能不斷看到物質(zhì)的基礎(chǔ)。相反在強光作用下，視紫紅質(zhì)分解增強，合成減少，視網(wǎng)膜中視紫紅質(zhì)大為減少，因而對弱光的敏感度降低。故視桿細(xì)胞對弱光敏感，與黃昏暗視覺有關(guān)。視紫紅質(zhì)在分解和再合成過程中，有一部分視黃醛將被消耗，主要靠血液中的維生素A補充。如維生素A缺乏，則將影響人在暗處的視力稱為夜盲癥（5）。

在光照下視紫紅質(zhì)中的視黃醛變化（6）

視紫紅質(zhì)介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)（7）

        當(dāng)視紫紅質(zhì)被光照射時，視黃醛從順式到反式的變化引起視紫紅質(zhì)蛋白構(gòu)象的變化，從而激活下游感受器G蛋白。G蛋白的激活會啟動 GTP 和 GDP 的交換，并釋放其 α 亞基。 與 GTP 結(jié)合的α亞基反過來激活 cGMP 磷酸二酯酶(PDE complex)。 cGMP 磷酸二酯酶水解（分解）cGMP，降低其局部濃度。 cGMP 濃度的降低將關(guān)閉 cGMP 門控通道。由于該通道通過 Na⁺ 和 Ca²⁺ 的流入使桿狀雙極細(xì)胞的膜電位去極化，cGMP 濃度降低引起的通道關(guān)閉導(dǎo)致桿狀細(xì)胞超極化，從而改變它們釋放遞質(zhì)的速率（8）。

        視紫紅質(zhì)具有G蛋白偶聯(lián)受體的經(jīng)典7次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，形成3個胞外環(huán)和3個胞內(nèi)環(huán)。與視紫紅質(zhì)具有相似結(jié)構(gòu)的GPCR被稱為類視紫紅質(zhì) GPCR。類視紫紅質(zhì) GPCR 代表了一個分布廣泛的蛋白質(zhì)家族，也是成員最多的GPCR家族，包括激素、神經(jīng)肽、神經(jīng)遞質(zhì)和光受體，所有這些受體都通過與G蛋白相互作用來轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞外信號。 盡管它們的激活配體在結(jié)構(gòu)和特征上差異很大，但受體的氨基酸序列非常相似，并且被認(rèn)為具有 7 次跨膜螺旋的共同結(jié)構(gòu)框架（9）。

參考文獻

1. Michael F. Land, The Human Eye: Structure and Function, Nature Medicine, 1999

2. Cameron Lenahan, Rajvee Sanghavi, Lei Huang, and John H. Zhang, Rhodopsin: A Potential Biomarker for Neurodegenerative Diseases, Front Neurosci. 2020

3. K Palczewski, G protein–coupled receptor rhodopsin, Annu. Rev. Biochem., 2006

4. Wald G, Carotenoids and the Vitamin A Cycle in Vision, Nature. 1934

5. Deepshe Dewett, Khanh Lam-Kamath, Clara Poupault, Heena Khurana, Jens Rister, Mechanisms of vitamin A metabolism and deficiency in the mammalian and fly visual system, Developmental Biology, 2021

6. Lehninger Principles of Biochemistry, Fifth Edition

7. Lenahan C, Sanghavi R, Huang L, Zhang JH, Rhodopsin: A Potential Biomarker for Neurodegenerative Diseases, Front Neurosci. 2020

8. Kong Y, Karplus M., The signaling pathway of rhodopsin, Structure. 2007

9. Dixon RA, Sigal IS, Rands E, Register RB, Candelore MR, Blake AD, Strader CD, Ligand binding to the beta-adrenergic receptor involves its rhodopsin-like cor. Nature. March 1987