The first event in vision is the absorption of a photon by a visual pigment molecule in a retinal photoreceptor cell. Activation of the molecule triggers a chemical amplification cascade, which finally leads to a change in the membrane potential of the cell. However, a visual pigment molecule may also be spontaneously activated by thermal energy. The resulting electrical response is identical to that caused by a photon. Such false light signals form a background noise limiting the detection of dim light.
The absorption spectrum of a visual pigment (its ability to use different wavelengths of light) and its propensity for thermal activation both depend on the minimum amount of energy required for activation (the activation energy Ea). These properties of the pigment can be tuned on an evolutionary time scale by changes in the amino acid sequence of the protein part (the opsin) or on a physiological time scale by changing the light-sensitive cofactor bound to the opsin, the chromophore. The latter option is accessible only to poikilothermic vertebrates having two alternative chromophores (retinal A1 and A2).
In this thesis, functional consequences of the A1-A2 exchange were investigated. In the first part, the relation between the changes of the absorption spectrum and the activation energy was quantitatively measured in several species of amphibians and fishes using both chromophores. The A2-induced shift of the absorption spectrum towards longer wavelengths was found always to correlate with a decrease in Ea. Later investigations have confirmed that decreasing Ea increases the rate of thermal activations. Thus the switch from A1 to A2 in the same opsin gives a more red-sensitive but noisier pigment.
Against this background, the second part of the thesis investigates chromophore usage in eight populations of nine-spined sticklebacks (Pungitius pungitius) from different light environments. The amino acid sequence of the rods was found to be identical in all populations, implying that variations in spectral sensitivity depended only on the A1:A2 ratios. The cone absorption spectra also suggested that the variation within each cone class was due to varying chromophore proportions alone. The differences between populations could not be consistently explained as adaptations to the different light environments. However, an important and quite unexpected result was that the same individual could have quite different chromophore proportions in rods and cones (more A2 in cones). This shows that there are mechanisms by which chromophore proportions in different photoreceptors can be regulated much more selectively than previously thought. Since pigment noise is sensitivity-limiting mainly in dim light, it may be suggested that cones (working mainly in brighter light) can better afford using the noisy A2 chromophore to shift their spectral sensitivities for a better match to a long-wavelength photic environment.Näkötapahtuma alkaa, kun verkkokalvon fotoreseptorisoluissa sijaitseva näköpigmenttimolekyyli absorboi fotonin. Molekyylin aktivoituminen käynnistää kemiallisen vahvistusketjun, jonka lopputuloksena solun kalvojännite muuttuu. Näköpigmenttimolekyyli voi kuitenkin aktivoitua myös spontaanisti lämpöenergian vaikutuksesta (termisesti), synnyttäen sähköisen vasteen joka on täysin samanlainen kuin fotonin aiheuttama. Tällaiset väärät valosignaalit muodostavat taustakohinan, joka rajoittaa heikkojen valojen havaitsemista.
Näköpigmentin absorptiospektri (sen kyky käyttää valon eri aallonpituuksia) ja sen taipumus aktivoitua termisesti riippuvat molemmat aktivaation vaatimasta minimienergiamäärästä (ns. aktivaatioenergiasta Ea). Pigmentin ominaisuuksia voidaan säätää joko evolutiivisella aikaskaalalla proteiiniosan (opsiinin) aminohapposekvenssiä muuttamalla tai fysiologisella aikaskaalalla opsiiniin sidotun valoherkän kofaktorin, ns. kromoforin, vaihdolla. Jälkimmäinen optio on vain vaihtolämpöisillä selkärankaisilla, joilla on käytössään kaksi vaihtoehtoista kromoforia (retinaali A1 ja A2).
Tässä väitöskirjassa tutkittiin A1-A2-vaihdon funktionaalisia seurauksia. Ensimmäisessä osassa mitattiin kvantitatiivisesti absorptiospektrin ja aktivaatioenergian muutosten suhdetta useilla sammakko- ja kalalajeilla. Todettiin että A2:een liittyvä absorptiospektrin siirtyminen pitempiin aallonpituuksiin korreloi aina Ea:n laskun kanssa. Myöhemmät tutkimukset ovat vahvistaneet, että Ea:n alentaminen lisää termisten aktivaatioiden määrää. A1-kromoforin vaihtaminen A2:een samassa opsiinissa antaa siis punaherkemmän mutta kohinaisemman pigmentin.
Tätä taustaa vasten väitöskirjan toisessa osassa tutkittiin kromoforin käyttöä kahdeksassa, eri valoympäristöissä elävässä kymmenpiikkipopulaatiossa (Pungitius pungitius). Sauvasolujen opsiinien aminohapposekvenssi todettiin identtiseksi kaikissa populaatioissa, joten spektraaliherkkyyden vaihtelu johtui yksinomaan vaihtelevista A1:A2 suhteista. Myös tappisolujen absorptiospektrit viittasivat siihen, että kunkin tappiluokan sisäinen vaihtelu johtui vain kromoforisuhteista. Populaatioiden välisiä eroja ei pystytty johdonmukaisesti selittämään adaptaatioina eri valoympäristöihin. Sen sijaan tärkeä ja täysin odottamaton tulos oli, että saman yksilön sauvoissa ja tapeissa saattoi olla aivan eri kromoforisuhteet (tapeissa enemmän A2). Tämä osoittaa, että on mekanismeja joilla eri reseptoreiden kromoforisuhteita voidaan säätää paljon yksilöidymmin kuin on tiedetty. Koska pigmenttikohina rajoittaa näön herkkyyttä lähinnä heikossa valossa, voidaan ajatella, että nimenomaan tappien spektraaliherkkyyksiä on varaa siirtää A2:lla paremmin vastaamaan keltaisen järven valospektriä, ilman että kohinasta johtuva hinta on liian korkea
