Die Umwandlung von Lichtenergie in Veränderungen des Membranpotentials der Photorezeptoren beginnt mit der Absorption von Photonen durch lichtempfindliche Pigmentproteine in den Scheiben der äußeren Segmente der Photorezeptoren. Diese Pigmentproteine gehören zu einer Familie, die als Opsine bekannt ist. Das Pigmentprotein in den Stäbchen heißt Rhodopsin, während das Pigmentprotein in den Zapfen Jodopsin genannt wird. Ein einzelnes Stäbchen kann bis zu 100 Millionen Moleküle Rhodopsin in seinen äußeren Segmentscheiben enthalten.
Rhodopsin-Moleküle enthalten sieben Transmembrandomänen und ähneln in ihrer Struktur metabotropen synaptischen Rezeptoren. Tatsächlich kann Rhodopsin als ein Rezeptorprotein betrachtet werden, dessen Agonist bereits an es gebunden ist. Dieser Agonist ist ein Molekül namens Retinen (oder Retinal), das aus Vitamin A gewonnen wird. Genauer gesagt handelt es sich um die 11-cis-Form von Retinen, die bei der Absorption von Licht in die all-trans-Form isomerisiert. Diese Isomerisierung wandelt das Rhodopsin in seine aktive Form, das Metarhodopsin II, um. Diese Rekonfiguration des Retinenmoleküls hat somit die gleiche Wirkung, als ob ein Neurotransmitter plötzlich an einen Rezeptor gebunden wäre.
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Als nächstes stimuliert das Metarhodopsin II ein bestimmtes G-Protein namens Transducin. Wie alle G-Proteine aktiviert das Transducin dann ein anderes Enzym, in diesem Fall die Phosphodiesterase (PDE). Wenn die PDE aktiviert wird, wandelt sie das cGMP, das in Abwesenheit von Licht im Zytoplasma der Stäbchen vorhanden ist, in normales GMP um. Der daraus resultierende Rückgang von cGMP schließt die Natriumkanäle in der Zellmembran der Stäbchen und führt so zu einer Hyperpolarisation der Zelle. Infolgedessen werden weniger Neurotransmittermoleküle (höchstwahrscheinlich Glutamat) aus den synaptischen Endigungen des Photorezeptors freigesetzt.
Es ist zu beachten, dass in dieser biochemischen Kaskade an zwei Stellen eine Signalverstärkung stattfindet. Jedes Metarhodopsin-II-Molekül aktiviert etwa 100 G-Protein-Moleküle, und jedes Phosphodiesterase-Molekül hydrolysiert etwa 1 000 Moleküle cGMP zu GMP. Dieses Verstärkungsphänomen ermöglicht es den Stäbchen, die Anwesenheit eines einzigen Lichtphotons zu erkennen.