網膜

レチナール（レチナールデヒドとも呼ばれる）はポリエン発色団である。オプシンと呼ばれるタンパク質に結合したレチナールは、視覚（視覚）における光検出段階である視覚光伝達の化学的基盤となっている。

一部の微生物は、光を代謝エネルギーに変換するためにレチナールを使用します。ある研究では、約30億年前、地球上のほとんどの生物は、太陽光をエネルギーに変換するためにクロロフィルではなくレチナールを使用していたと示唆されています。レチナールは主に緑色の光を吸収し、紫色の光を透過するため、これが紫色の地球仮説の起源となりました。^{[ 2 ]}

動物が摂取すると、レチナール自体はビタミンAの一種とみなされます。ビタミンAには多くの形態があり、それらはすべてレチナールに変換されますが、レチナールはそれらなしでは生成できません。レチナールに変換できる分子の種類は、種によって異なります。レチナールはもともとレチネンと呼ばれていましたが^{[ 3 ]}、ビタミンAアルデヒドであることが発見された後、改名されました^{[ 4 ]}。^{[ 5 ] [ 6 ]}

脊椎動物は、肉から直接レチナールを摂取するか、カロテノイド（α-カロテンまたはβ-カロテンのいずれか）からレチナールを生成します。これらはどちらもカロテンです。また、キサントフィルの一種であるβ-クリプトキサンチンからもレチナールを生成します。これらのカロテノイドは、植物または他の光合成生物から摂取する必要があります。他のカロテノイドは動物によってレチナールに変換されません。一部の肉食動物は、カロテノイドを全く変換できません。ビタミンAの他の主要な形態であるレチノールと、部分的に活性な形態であるレチノイン酸は、どちらもレチナールから生成される可能性があります。    

昆虫やイカなどの無脊椎動物は、視覚系においてレチナールの水酸化型を使用しており、これは他のキサントフィルからの変換によって得られる。

生物はカロテノイドの不可逆的な酸化的開裂によってレチナールを生成する。^{[ 7 ]}

例えば：

β-カロテン15,15'-モノオキシゲナーゼ^{[ 8 ]}またはβ-カロテン15,15'-ジオキシゲナーゼ^{[ 9 ]}によって触媒される。

カロテノイドがレチナールの前駆体であるのと同様に、レチナールは他のビタミンAの形態の前駆体です。レチナールは、ビタミンAの輸送および貯蔵形態であるレチノールと相互変換可能です。

レチノール脱水素酵素（RDH）^{[ 10 ]}およびアルコール脱水素酵素（ADH）^{[ 11 ]}によって触媒される。

レチノールはビタミンAアルコール、あるいは単にビタミンAとも呼ばれる。レチナールは酸化されてレチノイン酸になることもある。

網膜脱水素酵素^{[ 12 ]} （網膜アルデヒド脱水素酵素（RALDH）^{[ 11 ]}とも呼ばれる）および網膜酸化酵素^{[ 13 ]}によって触媒される。

レチノイン酸は、ビタミンA酸とも呼ばれ、脊椎動物において重要なシグナル伝達分子およびホルモンである。

レチナールは共役発色団です。脊椎動物の眼では、レチナールは11-シス-レチナール構造で始まり、適切な波長の光子を捕捉すると、オールトランス-レチナール構造に変化します。この構造変化によって網膜のオプシンタンパク質が押し付けられ、化学的なシグナル伝達カスケードが引き起こされ、脳による光や画像の知覚につながります。発色団の吸収スペクトルは、結合しているオプシンタンパク質との相互作用に依存するため、異なるレチナール-オプシン複合体は異なる波長（つまり、異なる色の光）の光子を吸収します。  

オプシン

レチナールは、 Gタンパク質共役受容体（GPCR）であるオプシンに結合します。^{[ 14 ] [ 15 ]}オプシンは、他のGPCRと同様に、6つのループで連結された7つの膜貫通αヘリックスを持っています。これらは、眼の網膜の光受容細胞に存在します。脊椎動物の桿体細胞のオプシンはロドプシンです。桿体は円盤を形成し、その膜にはロドプシン分子が含まれており、円盤は完全に細胞内にあります。分子のN末端ヘッドは円盤の内部に伸び、 C末端テールは細胞の細胞質に伸びています。錐体細胞のオプシンは、 OPN1SW、OPN1MW、およびOPN1LWです。錐体は、細胞膜の一部である不完全な円盤を形成するため、N末端ヘッドは細胞の外側に伸びています。オプシンでは、レチナールはシッフ塩基を介して第 7 番目の膜貫通ヘリックス^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}のリジン^{[ 16 ]}に共有結合します。^{[ 20 ] [ 21 ]}_{シッフ塩基結合の形成には、レチナールから酸素原子を、リジンの遊離アミノ基から 2 つの水素原子を除去して H 2} Oを得ることが含まれます。レチニリデンは、レチナールから酸素原子を除去することによって形成される二価基であるため、オプシンはレチニリデンタンパク質と呼ばれています。

オプシンは、Gタンパク質共役受容体（GPCR）の典型例です。^{[ 22 ]}桿体細胞のオプシンであるウシロドプシンは、アミノ酸配列^{[ 23 ]}と3D構造（X線結晶構造解析による）が決定された最初のGPCRでした。^{[ 18 ]}ウシロドプシンは348個のアミノ酸残基から構成されています。レチナールはLys ²⁹⁶に発色団として結合します。^{[ 18 ] [ 23 ]}このリジンはほとんどすべてのオプシンで保存されており、進化の過程で失われたオプシンはごくわずかです。^{[ 24 ]}レチナール結合リジンを持たないオプシンは光感受性がありません。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}このようなオプシンは他の機能を持つ可能性があります。^{[ 26 ] [ 24 ]}

哺乳類はオプシン発色団としてレチナールのみを使用するが、他の動物群はレチナールに密接に関連する4つの発色団、すなわち3,4-ジデヒドロレチナール（ビタミンA2 _）、( 3R )-3-ヒドロキシレチナール、(3S ) -3-ヒドロキシレチナール（いずれもビタミンA3 _）、および(4R ) -4-ヒドロキシレチナール（ビタミンA4 _）も使用する。多くの魚類と両生類は、デヒドロレチナールとも呼ばれる3,4-ジデヒドロレチナールを使用する。双翅目環縫亜目（いわゆる高等ハエ）を除いて、調査したすべての昆虫は3-ヒドロキシレチナールの( R )-エナンチオマーを使用する。3-ヒドロキシレチナールがキサントフィルカロテノイドから直接生成される場合、( R )-エナンチオマーが存在することは予想される。ショウジョウバエを含む環縫亜目は( 3S )-3-ヒドロキシレチナールを使用する。^{[ 28 ] [ 29 ]}ホタルイカは(4 R )-4-ヒドロキシレチナールを使用していることがわかっています。

視覚サイクル

視覚サイクルは、光伝達の先端部である環状の酵素経路です。これは11-シス-レチナールを再生します。例えば、哺乳類の桿体細胞の視覚サイクルは以下のとおりです。

1. オールトランスレチニルエステル+ H ₂ O → 11-シスレチノール +脂肪酸; RPE65イソメロヒドロラーゼ; ^{[ 30 ]}
2. 11-シス-レチノール+ NAD ⁺ → 11-シス-レチナール + NADH + H ⁺ ; 11-シス-レチノール脱水素酵素;
3. 11-シス-レチナール+アポロドプシン→ロドプシン+ H ₂ O;リジン、-CH=N ⁺ H-にシッフ塩基結合を形成;
4. ロドプシン + hν →メタロドプシンII (すなわち、11-シスが全トランスに光異性化する) :

   (ロドプシン + hν → フォトロドプシン → バソロドプシン → ルミロドプシン → メタロドプシン I → メタロドプシン II);

5. メタロドプシンII + H₂O _→アポロドプシン + オールトランスレチナール;
6. オールトランスレチナール+ NADPH + H ⁺ → オールトランスレチノール + NADP ⁺ ; オールトランスレチノール脱水素酵素;
7. オールトランスレチノール + 脂肪酸 → オールトランスレチニルエステル + H ₂ O;レシチンレチノールアシルトランスフェラーゼ(LRAT)。^{[ 31 ]}

ステップ3、4、5、6は桿体細胞の外節で起こり、ステップ1、2、7は網膜色素上皮（RPE）細胞で起こる。

RPE65イソメロヒドロラーゼはβ-カロテンモノオキシゲナーゼと相同性があり、 ^{[ 7 ]}ショウジョウバエの相同なninaB酵素は網膜形成カロテノイドオキシゲナーゼ活性と全トランスから11-シスへのイソメラーゼ活性の両方を持つ。^{[ 32 ]}

オールトランスレチナールは、バクテリオロドプシン、チャネルロドプシン、ハロロドプシンなどの微生物オプシンの必須成分でもあり、これらは細菌や古細菌の無酸素光合成において重要である。これらの分子では、光によってオールトランスレチナールが13-シスレチナールに変化し、暗所ではオールトランスレチナールに戻る。これらのタンパク質は動物オプシンとは進化的に関連しておらず、GPCRでもない。両者がレチナールを使用しているという事実は、収斂進化の結果である。^{[ 33 ]}

アメリカの生化学者ジョージ・ウォルドらは1958年までに視覚サイクルを概説した。ウォルドはその業績により、1967年のノーベル生理学・医学賞をハルダン・ケファー・ハートライン、ラグナル・グラニットと共に受賞した。^{[ 34 ]}

• 紫色の地球仮説
• 感覚神経系
• 視覚
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• ビジョンへの第一歩- 国立健康博物館
• 視覚と光誘発性分子変化
• 網膜の解剖学的構造と視覚能力
• 網膜、インペリアル・カレッジ v-chemlib