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 Ca 2+ 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。
相关疾病
视紫红质 突变 是导致遗传性视网膜疾病，特别是常染色体显性视网膜色素变性（adRP）的最常见原因之一，也是视网膜色素变性的首个已知病因。
RHO基因定位于3q21-24，包含5个外显子和4个 内含子 。在常染色体显性视网膜色素变性患者中，RHO基因突变约占25%，而国内研究报道约占7%。常见的突变热点包括P23H和C端347编码区的突变如P347L，其中P23H是首个被发现的RHO突变，P347L是中国较常见 位点 。
RHO突变的致病机制主要为功能获得性，导致视紫红质蛋白错误折叠、聚集和运输异常，引发 内质网 应激和感光细胞凋亡，并影响 视黄醛 结合、G蛋白偶联及蛋白内吞等过程。
RHO突变可分为A类和B类，A类突变导致疾病早期快速进展，B类突变进展更缓慢。P347L突变较P23H突变临床表型可能更严重。
针对RHO突变的基因治疗策略包括siRNA/shRNA、反义寡核苷酸（ASO）以及CRISPR/Cas9基因编辑等。例如，ProQR公司的ASO药物QR-1123已进入临床试验，Editas公司开发了基于CRISPR/Cas9的基因编辑疗法EDIT-103。这些疗法旨在抑制突变基因表达并补充正常基因功能。相关药物研发依赖于P23H等 转基因小鼠 或人源化小鼠疾病模型。
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。
相关事件
北京时间10月5日17时30分，2026年 诺贝尔生理学或医学奖 揭晓，授予科学家卡尔·戴瑟罗特（Karl Deisseroth）、 彼得·黑格曼 （Peter Hegemann）和 格奥尔格·内格尔 （Georg Nagel），以表彰其“在光门控离子通道和光遗传学方面的发现”。 彼得·黑格曼 与格奥尔格·纳格尔一起发现了通道视紫红质，这是直接光门控离子通道的一个家族。