視覚光伝達

視覚光変換は、視覚系の感覚変換プロセスであり、脊椎動物の網膜にある光受容細胞(桿体細胞と錐体細胞) によって光が検出されます。光子は網膜色素分子(それぞれオプシンに結合)によって吸収され、いくつかの中間細胞を経て、視神経を構成する 網膜神経節細胞(RGC)を通過する信号カスケードが開始されます。

光は目に入り、光学媒体を通過し、網膜の内側の神経層を通過し、最終的に網膜の外層の光受容細胞に到達します。光はオプシンに結合した発色団によって吸収され、発色団を光異性化します。これにより、発色団を「リセット」する視覚サイクルと、視覚信号を脳に伝達する光伝達カスケードの両方が開始されます。カスケードは、興奮した光受容細胞の段階的分極（アナログ信号）から始まり、その膜電位は光の強度に比例して静止電位の -70 mVから増加します。静止時には、光受容細胞はシナプス末端でグルタミン酸を継続的に放出して電位を維持します。^[1]伝達物質の放出率は、光の強度が増加するにつれて低下します（過分極）。各シナプス末端は、水平細胞および双極細胞と最大 500 の接触を行います。^{[1]これらの中間細胞は（}アマクリン細胞とともに）受容野内で光受容体信号の比較を行うが、その正確な機能はよくわかっていない。信号はRGCに到達するまですべての細胞で段階的な分極のままであり、RGCで活動電位に変換されて脳に伝達される。^[1]

脊椎動物の視覚に関与する光受容細胞は、桿体、錐体、および光感受性神経節細胞(ipRGC) です。これらの細胞には、細胞膜タンパク質であるオプシンに結合した発色団( 11-シス-レチナール、ビタミン A1のアルデヒドで光吸収部分) が含まれています。桿体細胞は、低照度での視覚とコントラストの検出を担っています。桿体細胞は周波数にわたって同じ応答を示すため、たとえば低照度条件の場合など、桿体細胞のみから色情報を推測することはできません。一方、錐体細胞はさまざまな種類があり、周波数応答も異なるため、異なる種類の錐体細胞の出力を比較することで色を認識できます。各錐体タイプは、わずかに異なるオプシンを持っているため、特定の光の波長、つまり色に最もよく反応します。錐体にはL錐体、M錐体、S錐体があり、それぞれ長波長（赤みがかった色）、中波長（緑がかった色）、短波長（青みがかった色）に最適に反応します。人間は、色覚を可能にする3つの反対のプロセスチャネルで構成される三色型明所視を持っています。^[2] 桿体光受容体は網膜で最も一般的な細胞タイプであり、かなり遅く発達します。ほとんどの細胞は出生前に有糸分裂後になりますが、分化は出生後に起こります。出生後1週間で細胞が成熟し、目が開いた時点で目が完全に機能するようになります。視覚色素ロドプシン（rho）は、桿体における分化の最初の既知の兆候です。^[3]

光強度に対する光受容体の挙動を理解するには、さまざまな電流の役割を理解する必要があります。

非ゲート型 K ^{+選択チャネルを通じて、外向きの}カリウム電流が継続的に流れています。この外向き電流は、光受容体を約 -70 mV (K ⁺の平衡電位) で過分極させる傾向があります。

また、 cGMP依存性ナトリウムチャネルによって運ばれる内向きナトリウム電流もあります。この「暗電流」により、細胞は -40 mV 程度まで脱分極します。これは、他のほとんどのニューロンよりも大幅に脱分極しています。

高密度のNa ⁺ -K ⁺ポンプにより、光受容体は細胞内の Na ⁺と K ⁺の濃度を一定に保つことができます。

光の強度が増加すると、膜電位は低下します（過分極）。強度が増加すると、光受容体の刺激神経伝達物質グルタミン酸の放出が減少するためです。光の強度が低下すると、つまり暗い環境では、光受容体によるグルタミン酸の放出が増加します。これにより膜電位が増加し、膜の脱分極が発生します。^[1]

光受容細胞は、刺激の欠如または暗所条件（暗闇）に反応して脱分極するという点で珍しい細胞です。明所条件（明）では、光受容体は -60 mV の電位まで過分極します。

暗闇では、cGMP レベルが高く、cGMP 依存性ナトリウム チャネルが開いたままになり、暗電流と呼ばれる安定した内向き電流が流れます。この暗電流により、細胞は約 -40 mV で脱分極され、ニューロンの興奮を抑制する グルタミン酸が放出されます。

暗所条件での細胞膜の脱分極により、電位依存性カルシウムチャネルが開きます。細胞内の Ca 2+ 濃度が上昇すると、神経伝達物質であるグルタミン酸^を含む小胞が細胞膜と融合し、シナプス間隙(1 つの細胞の端と別のニューロンの始まりの間の領域) にグルタミン酸が放出されます。グルタミン酸は通常は興奮性ですが、ここでは抑制性神経伝達物質として機能します。

錐体経路では、グルタミン酸は：

• 中心双極細胞を過分極させます。暗闇の中で光受容体から放出されるグルタミン酸は代謝型グルタミン酸受容体 ( mGluR6 ) に結合し、G タンパク質結合機構を介して細胞内の非特異的陽イオンチャネルを閉じ、双極細胞を過分極させます。
• 中心から外れた双極細胞を脱分極します。グルタミン酸がイオンチャネル型グルタミン酸受容体に結合すると、内向きの陽イオン電流が発生し、双極細胞が脱分極します。

要約すると、光はcGMP 依存性ナトリウムチャネルを閉じ、Na ⁺イオンと Ca ^{2+イオンの両方の流入を減らします。Na +}イオンの流入を止めると、暗電流が効果的にオフになります。この暗電流が減少すると、光受容体が過分極し、グルタミン酸の放出が減少し、網膜神経の抑制が減少して、これらの神経が興奮します。光変換中の Ca ²⁺流入が減少すると、以下の § 光変換カスケードの不活性化で説明するように、光変換の不活性化と回復が可能になります。

1. 光子は光受容細胞内のオプシン複合体のレチナール分子と相互作用します。レチナールは異性化を起こし、11-シス-レチナールから全-トランス-レチナール構成に変化します。
2. したがって、オプシンはメタロドプシン II への構造変化を起こします。
3. メタロドプシン II はトランスデューシンと呼ばれるG タンパク質を活性化します。これにより、トランスデューシンは結合しているGDPから解離し、GTPに結合します。その後、トランスデューシンのアルファサブユニットはベータサブユニットとガンマサブユニットから解離しますが、 GTP はアルファサブユニットに結合したままです。
4. アルファサブユニット-GTP 複合体は、PDE6 としても知られるホスホジエステラーゼを活性化します。これは、PDE の 2 つの調節サブユニットの 1 つ (それ自体はテトラマー) に結合し、その活性を刺激します。
5. PDEはcGMPを加水分解してGMPを形成します。これによりcGMPの細胞内濃度が低下し、ナトリウムチャネルが閉じます。^[5]
6. ナトリウムチャネルが閉じると、カリウムイオンが継続的に流出し、細胞の過分極が起こります。
7. 細胞の過分極により、電位依存性カルシウムチャネルが閉じます。
8. 光受容細胞内のカルシウム濃度が低下すると、細胞から放出される神経伝達物質グルタミン酸の量も低下します。これは、グルタミン酸を含む小胞が細胞膜と融合して内容物を放出するためにカルシウムが必要であるためです ( SNARE タンパク質を参照)。
9. 光受容体から放出されるグルタミン酸の量が減少すると、中心にある双極細胞（桿体と錐体の双極細胞）の脱分極と、中心から外れた錐体の双極細胞の過分極が起こります。

明るい場所では、cGMP レベルが低いため Na ⁺および Ca ²⁺チャネルが閉じ、細胞内の Na ⁺および Ca ²⁺が減少します。回復中 (暗順応) には、Ca ²⁺レベルが低いため、次のように回復 (光伝達カスケードの終了) が誘発されます。

1. 細胞内 Ca ²⁺が低下すると、Ca ^2+がグアニル酸シクラーゼ活性化タンパク質(GCAP)から解離します。解放された GCAP は最終的に枯渇した cGMP レベルを回復し、cGMP 依存性陽イオン チャネルを再び開きます (暗電流を回復します)。
2. 細胞内の Ca ²⁺が低下すると、Ca ^{2+ が}GTPase 活性化タンパク質(GAP)から解離します。GAP はG タンパク質シグナル伝達の調節因子としても知られています。遊離した GAP はトランスデューシンを不活性化し、光変換カスケードを終了させます (暗電流を回復します)。
3. 細胞内 Ca ^{2+ が}低いと、細胞内 Ca-リコベリン-RK が Ca ²⁺とリコベリンおよびロドプシンキナーゼ(RK) に解離します。解放された RK はメタロドプシン II をリン酸化して、トランスデューシンに対する結合親和性を低下させます。その後、アレスチンはリン酸化メタロドプシン II を完全に不活性化して、光変換カスケードを終了させます (暗電流を回復します)。
4. 細胞内Ca ²⁺が低いと、cGMP依存性カチオンチャネル内のCa ²⁺ /カルモジュリン複合体は低cGMPレベルに対してより敏感になる（その結果、低cGMPレベルでもcGMP依存性カチオンチャネルが開いたままになり、暗電流が回復する）^[6]

詳細:

RGS（Gタンパク質シグナル伝達調節因子）のGTPase加速タンパク質（GAP）はトランスデューシンのアルファサブユニットと相互作用し、結合したGTPをGDPに加水分解し、ホスホジエステラーゼの作用を停止させ、cGMPからGMPへの変換を停止します。光伝達カスケードのこの不活性化ステップ（Gタンパク質トランスデューサーの不活性化）は、光伝達カスケードの不活性化における律速段階であることがわかりました。^[7]

言い換えると、グアニル酸シクラーゼ活性化タンパク質 (GCAP) はカルシウム結合タンパク質であり、細胞内のカルシウム レベルが減少すると、GCAP は結合したカルシウム イオンから解離し、グアニル酸シクラーゼと相互作用して活性化します。次に、グアニル酸シクラーゼは GTP を cGMP に変換し、細胞の cGMP レベルを補充して、光変換中に閉じられていたナトリウム チャネルを再び開きます。

最後に、メタロドプシン II が不活性化されます。別のカルシウム結合タンパク質であるリカベリンは、カルシウムが存在すると通常ロドプシン キナーゼに結合します。光変換中にカルシウム レベルが低下すると、カルシウムはリカベリンから解離し、ロドプシン キナーゼが放出されてメタロドプシン II をリン酸化します。これにより、トランスデューシンに対する親和性が低下します。最後に、別のタンパク質であるアレスチンがリン酸化メタロドプシン II に結合して、完全に不活性化します。このようにして、最終的に光変換が不活性化され、暗電流とグルタミン酸の放出が回復します。メタロドプシン II がリン酸化されてアレスチンに結合し、不活性化されるこの経路が、暗順応の S2 成分の原因であると考えられています。S2 成分は、すべての退色強度に対する暗順応の開始時に存在する暗順応機能の線形セクションを表します。

視覚サイクルは、視覚オプシンと発色団11-シス-レチナールからなるレチニリデンタンパク質と呼ばれるG タンパク質結合受容体を介して発生します。11-シス-レチナールは、シッフ塩基を介してオプシン受容体に共有結合しています。光子を吸収すると、11-シス-レチナールは光異性化してオールトランス-レチナールになり、オプシンGPCRの構造が変化してシグナル伝達カスケードが発生し、環状 GMP 依存性カチオン チャネルが閉じ、光受容細胞が過分極します。光異性化の後、オールトランス-レチナールはオプシン タンパク質から放出され、オールトランス-レチノールに還元され、網膜色素上皮に移動して「再充電」されます。まずレシチンレチノールアシルトランスフェラーゼ（LRAT）によってエステル化され、次にイソメロヒドロラーゼRPE65によって11-シス-レチノールに変換されます。RPE65のイソメラーゼ活性は示されていますが、ヒドロラーゼとしても機能するかどうかは不明です。^{[8]最後に、11-}シス-レチナールに酸化されてから、光受容細胞の外節に戻り、そこで再びオプシンと結合して、新しい機能的な視覚色素（レチニリデンタンパク質）、つまりフォトプシンまたはロドプシンを形成します。

ショウジョウバエのような無脊椎動物の視覚光変換は、これまで説明してきた脊椎動物の視覚光変換とは異なります。無脊椎動物の光変換の基本的な基盤は、PI(4,5)P ₂サイクルです。ここでは、光がロドプシンの構造変化を誘発し、メタロドプシンに変換します。これは、G タンパク質複合体の解離に役立ちます。この複合体のアルファサブユニットは、PIP2 をDAGに加水分解するPLC酵素 (PLC-beta)を活性化します。この加水分解により、TRPチャネルが開き、カルシウムが流入します。^[要出典]

無脊椎動物の光受容細胞は、形態学的にも生理学的にも脊椎動物のものとは異なります。脊椎動物の視覚刺激は光受容膜電位の過分極（弱化）を引き起こしますが、無脊椎動物は光強度によって脱分極を経験します。無脊椎動物で同じ条件下で生成される単一光子イベントは、時間経過とサイズが脊椎動物とは異なります。同様に、無脊椎動物では、多光子イベントは単一光子応答よりも長くなります。ただし、脊椎動物では、多光子応答は単一光子応答に似ています。どちらの門にも光順応があり、単一光子イベントはより小さく高速です。カルシウムはこの順応に重要な役割を果たします。脊椎動物の光順応は主にカルシウムフィードバックによるものですが、無脊椎動物では、環状AMPが暗順応のもう1つの制御因子です。^{[9] [検証が必要]}

• 視覚色素と視覚伝達（med.utah.edu）
• 光の伝達 Prezi
• brynmawr.edu の視覚知覚に関する概要
• 米国国立医学図書館医学件名標目(MeSH)における光変換