视紫红质(一种在视杆细胞中发现的蛋白质)

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视紫红质（英文名：rhodopsin）是一种在视杆细胞中发现的蛋白质，由视蛋白和11-顺视黄醛结合而成，每个视杆细胞外段中有近千个膜盘，每个膜盘所含的视紫红质分子约100万个。视紫红质对弱光敏感，是视觉形成的关键感光色素。

19世纪，德国生理学家Franz Christian Boll发现了视紫红质在视网膜视杆细胞上的表达。20世纪80年代，内森斯和撒迪厄斯·德里亚课题组的独立研究发现了视紫红质基因突变，这是视网膜色素变性的首个已知病因。1983年，Jeremy Nathans先后克隆出牛和人类的视蛋白基因，并随后阐明了色盲的分子基础。1993年，人们首次获得了动物视紫红质的三维结构。2019年8月7日，南加州大学生物学家戈麦斯·孔赛尔纳等人在《科学·进展》杂志发表论文称，拥有变形视紫红质的细菌能够通过视黄醛与视紫红质蛋白结合的方法来捕捉光线，从而形成更强大的捕光功能，可把更多光线转化为能量。2023年3月，格布哈特·舍特勒（Gebhard Schertler）团队利用时间分辨串行飞秒X射线晶体学首次直接观测到视紫红质在光照后1皮秒内的超快结构变化。

视紫红质转变为视黄醛和视蛋白是吸热反应，能量由吸收的光子供给。视紫红质的再生是散热反应，视蛋白与11‑顺视黄醛自发进行反应。光照时视黄醛由11‑顺型变化为全反型，引起视蛋白分子构型改变和视黄醛分子脱落；在暗处，视紫红质又重新合成，视黄醛由全反型变化为11‑顺型，再与视蛋白结合。其编码基因RHO的突变是导致视网膜色素变性的常见病因。

基本定义

视紫红质（英文名：rhodopsin）是一种在视杆细胞中发现的蛋白质，由视蛋白和11-顺视黄醛结合而成，每个视杆细胞外段中有近千个膜盘，每个膜盘所含的视紫红质分子约100万个。

研究历史

19世纪，德国生理学家Franz Christian Boll发现了视紫红质在视网膜视杆细胞上的表达。1967年，诺贝尔生理学或医学奖被授予了三位科学家——Ragnar Granit、Haldan Keffer Hartline 和George Wald，以表彰他们对眼睛主要生理和化学视觉过程的发现。其中，哈佛大学的生物学教授George Wald揭示了视网膜的化学组成，特别是视紫红质（rhodopsin）在光线下的变化。20世纪80年代，内森斯和撒迪厄斯·德里亚课题组的独立研究发现了视紫红质基因突变，这是视网膜色素变性的首个已知病因。1982年，科学家报道了牛视紫红质的第一个氨基酸序列。1983年，Jeremy Nathans先后克隆出牛和人类的视蛋白基因，并随后阐明了色盲的分子基础。1993年，人们首次获得了动物视紫红质的三维结构，并于2000年得到了其2.8埃的高分辨率结构。2017年，诺贝尔化学奖表彰的冷冻电镜技术曾用于解析菌紫红质的原子级分辨率结构。2019年8月7日，南加州大学生物学家戈麦斯·孔赛尔纳等人组成的一个研究小组，在《科学·进展》杂志发表论文称，他们发现，拥有变形视紫红质的细菌，能够通过视黄醛与视紫红质蛋白结合的方法来捕捉光线，从而形成更强大的捕光功能，可把更多光线转化为能量，这对细菌生存来说，在营养物质匮乏的海域尤其显得重要。

2023年3月22日，格布哈特·舍特勒等人在《自然》杂志发表论文，报告了第一个直接可视的哺乳动物视紫红质中视黄醛的异构化。该研究使用时间分辨的串行飞秒X射线晶体学方法，揭示了视觉产生的第一个分子事件在1皮秒内完成。

结构

视紫红质存在于杆体细胞外节中，它是一种复合蛋白质，即视蛋白和11-顺视黄醛结合而成。其蛋白骨架包含七段贯穿细胞膜的α‑螺旋跨膜结构，跨膜螺旋由胞外、胞内环状肽段相互连接，胞质端还存在一段平行于细胞膜的第八螺旋，用于结合下游G蛋白转导素。11‑顺视黄醛借助希夫碱键共价结合于第七跨膜螺旋保守的赖氨酸残基位点，被包裹在跨膜螺旋围成的疏水结合口袋内，该口袋偏向胞外侧；胞外区保守二硫键维系受体静态构象，胞内侧结构域负责与转导素发生相互作用，完成光信号的跨膜传递。处于暗适应静息状态时，11‑顺视黄醛将整个视蛋白锁定在非激活构象；光子被视黄醛吸收后，分子发生顺反异构转变为全反视黄醛，引发跨膜螺旋发生位移，胞内侧构象随之改变，受体被激活，进而启动下游信号级联反应。

合成与分解

视紫红质是一种由RHO基因编码的G蛋白偶联受体(GPCR)蛋白质，可触发视杆细胞中的视觉光转导。之所以被称为视紫红质是由于它是一种色素蛋白,具有一定的光谱吸收特性，在暗中呈粉红色。在结构上，它由视蛋白（一种无色蛋白质）和 11-顺式视黄醛组成，这是一种从维生素 A 中提取的色素分子。当眼睛暴露在光线下时，视紫红质中呈扭曲形的 11-顺式视黄醛成分转化为直线形的全反式，反式－己二烯二酸视黄醛，后者不再能和视蛋白相结合，经过一系列不稳定的中间产物后，视黄醛与视蛋白相分离。在这一过程中，视紫红质失去其颜色，称为漂白。视紫红质蛋白质构象的变化在视杆内启动光转导级联，从而将光转换为电信号，然后沿着视神经传输到大脑中的视觉皮层。漂白限制了视杆细胞受到刺激的程度，降低了它们对强光的敏感性，并允许视锥细胞（视网膜中的另一种光感受器）在明亮的环境中调节视觉。

暗处在酶的作用下，视黄醛又变为11-顺式，并重新与视蛋白相结合，使视紫红质再生（复生），完成视觉循环。在强光照射后，视紫红质大部分被漂白，其重新合成需要约1小时。随着视紫红质的复生，视网膜的对光敏感度逐渐恢复，这是暗适应的光化学基础。视紫红质在亮处分解，在暗处又可重新合成。人在暗处视物时，实际上既有视紫红质的分解，又有它的合成。光线愈暗，合成过程愈超过分解过程，这是人在暗处能不断看到物质的基础。相反在强光作用下，视紫红质分解增强，合成减少，视网膜中视紫红质大为减少，因而对弱光的敏感度降低。故视杆细胞对弱光敏感，与黄昏暗视觉有关。视紫红质在分解和再合成过程中，有一部分视黄醛将被消耗，主要靠血液中的维生素a补充。如维生素A缺乏，则将影响人在暗处的视力称为夜盲症。

当视紫红质被光照射时，视黄醛从顺式到反式，反式－己二烯二酸的变化引起视紫红质蛋白构象的变化，从而激活下游感受器G蛋白。G蛋白的激活会启动 GTP 和 GDP 的交换，并释放其 α 亚基。与 GTP 结合的α亚基反过来激活 cGMP 磷酸二酯酶(PDE complex)。 cGMP 磷酸二酯酶水解（分解）cGMP，降低其局部浓度。 cGMP 浓度的降低将关闭 cGMP 门控通道。由于该通道通过 Na+ 和 Ca2+ 的流入使杆状双极细胞的膜电位去极化，cGMP 浓度降低引起的通道关闭导致杆状细胞超极化，从而改变它们释放递质的速率。

视紫红质具有G蛋白偶联受体的经典7次跨膜螺旋结构，形成3个胞外环和3个胞内环。与视紫红质具有相似结构的GPCR被称为类视紫红质 GPCR。类视紫红质 GPCR 代表了一个分布广泛的蛋白质家族，也是成员最多的GPCR家族，包括激素、神经肽、神经递质和光受体，所有这些受体都通过与G蛋白相互作用来转导细胞外信号。尽管它们的激活配体在结构和特征上差异很大，但受体的氨基酸序列非常相似，并且被认为具有 7 次跨膜螺旋的共同结构框架。

变形视紫红质

变形视紫红质是一种利用视黄醛捕捉光线的结合蛋白，在海洋细菌中被发现。它能利用光将质子泵出细胞，从而在质子回流时产生能量，帮助细菌在低营养条件下生存。2019年《科学—进展》的一项研究，在地中海和大西洋的研究中发现，视紫红质蛋白的浓度与叶绿素a的分布呈负相关，在营养匮乏的水域含量较高。评估表明，变形视紫红质吸收的光能至少与叶绿素a一样多，并且这种光能足以维持细菌的基础代谢。在某些海域，例如地中海东部，变形视紫红质捕获的太阳能可能超过叶绿素a，成为该区域海洋表面主要的太阳能转导机制。

菌紫红质是早期结构生物学，特别是冷冻电子显微镜技术发展过程中的重要研究对象。在20世纪70年代，研究人员首次将其连同所在的细胞膜一起置于电子显微镜下观察，并于1975年获得了其三维立体结构图像。到1990年，科学家发布了分辨率达到原子层面的细菌视紫红质结构，证明了冷冻电镜技术能够拍摄出分辨率媲美X射线晶体学传统方法的图像。

基本定义

研究历史

结构

合成与分解

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变形视紫红质

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