结构生物化学/类维生素 A
类维生素 A 和类胡萝卜素是其化学和代谢与特定加工蛋白协同作用，帮助解释视觉的化学基础的分子。由于类维生素 A 和类胡萝卜素都被归类为异戊二烯，它们在化学转化方面有限。有趣的是，由于这些基因被发现在昆虫和脊椎动物视觉的形成中高度保守，并且参与生色团的产生和循环，因此人们提出了关于视觉化学共同祖先起源的概念，并得到了发展。
视觉生色团的顺式到反式异构化循环是动物视觉的内在机制。
G 蛋白信号传导是一种信号转导途径，其中七次跨膜受体，如视紫红质，响应各种化学信号（激素、神经递质等），激活异三聚体 G 蛋白，并帮助执行一系列事件，这些事件负责整个身体的许多生理过程。
人们发现，视觉色素构成了一类 G 蛋白偶联受体，并具有视蛋白（完整的跨膜蛋白）和一个共价连接的视黄醛生色团等组分，该生色团参与光转导过程。
视觉 GPCR 信号传导需要一种饮食来源的生色团，该生色团是通过类胡萝卜素（C40）氧化裂解成类维生素 A（C20）自然产生的。然后，类维生素 A 被转化为 11-顺式视黄醛衍生物（脊椎动物为 2-脱氢视黄醛，昆虫为 3-羟基视黄醛）。然后，这些视黄醛衍生物会与视蛋白中 Lys 残基形成席夫碱键，以创建功能性视觉色素。当光被吸收时，所有顺式生色团将异构化为反式异构体，随后将视紫红质转化为称为 Meta II 的激活状态。Meta II 结合转导蛋白（感光器特异性 G 蛋白），启动导致质膜超极化的级联反应。
为了再生顺式生色团，人们研究了一种称为类维生素 A 循环的酶促途径。该循环涉及杆状感光细胞和锥状感光细胞。杆状感光细胞消耗顺式异构体，尽管在强光下被锥状感光细胞饱和。因此，人们提出了一种锥状感光细胞特异性再生途径，以避免这两种受体之间的竞争。如果发生在编码重要组分（例如促进生色团饮食前体（类胡萝卜素和类维生素 A）的吸收、运输、代谢和储存途径的蛋白质）的基因中发生突变，可能会导致失明疾病和更致命的疾病，如马修-伍德综合征。
循环过程的第一步由视黄醇脱氢酶 (RDHs) 完成，其中所有反式视黄醛都被还原为反式视黄醇。主要的 RDH 是外节 (OS) 感光细胞中的 RDH8 和感光细胞内节中的 RDH12（还有其他 RDH）。所有反式视黄醇都被从 OS 运输到 RPE，在那里它们被酯化。这一过程由两种类维生素 A 结合蛋白促进，称为感光间视黄醇结合蛋白 (IRBP) 和细胞视黄醇结合蛋白 1 (CRBP1)。这些反式视黄醇酯形成维生素 A 和称为视黄醇体的油滴结构的稳定储存形式。然后，酶 RPE65 催化将所有反式类维生素 A 转化为 11-顺式视黄醇的吸热反应。在最后一步，RDH5、RDH10 和 RDH11 等酶催化将 11-顺式视黄醇氧化为维持视觉所需的原始 11-顺式视黄醛。然后，这些 11-顺式视黄醛与细胞视黄醛结合蛋白 (CRALBP) 结合，CRALBP 介导其运输回感光细胞 OS 和视蛋白。
在锥状感光细胞再生途径中，从锥状感光细胞 OS 释放的所有反式视黄醇都被运输到穆勒细胞而不是 RPE。在那里，它们被异构化为 11-顺式异构体形式，并通过酰基辅酶 A：视黄醇酰基转移酶 (ARAT) 酯化为 11-顺式视黄醇酯。这些酯在 11-顺式视黄醇酯水解酶 (REH) 的帮助下转化为 11-顺式视黄醇，然后它们与 CRALBP 结合并被带回锥状感光细胞受体。在最后一步，NADP+/NADPH 依赖性 11-顺式 RDH 活性促进了视觉生色团的再生。
视觉循环酶是一系列微粒体酶，它们促进反式视黄醇向顺式视黄醛的转化。它们通常是膜结合酶，这使得它们难以研究，因为在 X 射线晶体学进行之前需要使用去垢剂。类胡萝卜素氧化酶 (ACO) 是一种 RPE65 酶的水溶性同源物，属于类胡萝卜素裂解氧化酶 (CCO) 家族。ACO 的结构表明 CCO 含有 7 叶 β-螺旋桨通用折叠，并且亚铁离子辅因子通过四个高度保守的 His 残基配位。来自牛的天然 RPE65 的结构表明，将蛋白质插入活性位点只有一种方式。这是通过在 RPE65 中发现的单个通道来识别的，该通道允许底物的进入和产物的释放。根据这种结构推断，科学家们提出类维生素 A 底物从膜中进入活性位点，产物从活性位点进入膜中的另一个组分 (RDH5) 进行进一步加工。这些过程恰好在内质网膜中发生，不涉及类维生素 A 结合蛋白。
有四种主要的视黄醇/视黄醛结合蛋白；它们是 RBP、CRBP、IRBP 和 CRALBP。RBP 和 CRBP 是具有单个结构域的杯形蛋白。配体结合的活性位点由疏水性反平行 β-桶折叠组成，这些折叠只对反式视黄醇分子具有亲和力。结合的视黄醇在 RBP 和 CRBP 中的取向不同。当在 RBP 中发现时，它们往往会聚集在空腔入口周围。相反，它们在 CRBP 中的空腔底部被发现。
IRBP 是一种由感光细胞神经元产生的可溶性脂蛋白。它的主要功能被认为是促进类维生素 A 在感光细胞和 RPE 的细胞层之间的运输。与 RBP 和 CRBP 中观察到的单个结构域相反，该蛋白质包含大约三到四个类维生素 A 结合位点。该蛋白质采用杆状结构，并且在配体结合时，构象发生改变为弯曲的分子结构。在进一步的结构分析中，揭示了两个疏水性空腔是潜在的配体结合位点。
CRALBP 属于一个蛋白质家族，这些蛋白质在自然状态下结合疏水配体，并且由一簇高度碱性氨基酸残基组成。高分辨率结构分析表明，11-顺式视黄醛深深地结合在蛋白质空腔中，配体中心最靠近空腔入口。与在视紫红质中其顺式双键发生扭曲（在光触发时转化为反式）相反，视黄醛分子在与 CRALBP 结合时采用完美的顺式构型。这使得顺式到反式异构化极不稳定。因此，视黄醛可以在运输到视蛋白和感光细胞 OS 时保持其顺式构型。
类维生素 A 中的共轭双键在光触发时进行异构化。在光感知下，11-顺式视黄醛被转化为全反式视黄醛。在该反应机制中，双键通过光子提供的能量暂时断裂。为了再生光敏生色团，需要一个称为异构水解酶（也称为类维生素 A 异构酶）活性的过程。该酶催化水与碳正离子的反应。在光化学途径的情况下，该酶催化再生顺式构型视黄醛的过程。然而，从理论化学机制的角度来看，水对该分子的异构化和水解似乎并不可行。虽然已经提出了许多反应机制，但 Sn1 亲核取代似乎是最合理的机制。在该反应中，在酯基通过三价铁/二价铁离子辅因子和 RPE65 的烷基裂解后，会生成一个非常稳定的双键共轭碳正离子。亲核试剂的加入完成了将全反式视黄醇酯转化为 11-顺式视黄醇的转化。
1. Von Lintig J, Kiser PD, Golczak M, Palczewski K. "类维生素 A 在视觉化学中的反式到顺式异构化的生化和结构基础。" Trends Biochem Sci. 2010 Jul;35(7):400-10. Epub 2010 Feb 24.
2. 维基百科贡献者。"转导蛋白。" 维基百科，自由的百科全书。维基百科，自由的百科全书，2012 年 11 月 7 日。网络。2012 年 12 月 6 日。
3. 维基百科贡献者。 “生色团”。 维基百科，自由的百科全书。 维基百科，自由的百科全书，2012年8月26日。 网页。 2012年12月6日。
4. 维基百科贡献者。 “视黄醇结合蛋白”。 维基百科，自由的百科全书。 维基百科，自由的百科全书，2012年7月7日。 网页。 2012年12月7日。