Ultraschnelle Schwingungsdynamik von biologischen Photosystemen mit trans-cis-Isomerisierungsreaktionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Vorhaben wurde mittels Femtosekunden-zeitaufgelöster IR-Schwingungsspektroskopie die schnelle molekulare Dynamik biologisch relevanter, lichtinduzierter cistrans-Isomerisierungsreaktionen untersucht. Dabei handelt es sich zum einen um Phytochrome (Photosensoren mit Bilin-Chromophor), zum anderen um Retinalproteine (Photosensoren, Ionenpumpen). Im Fokus stand die ultraschnelle Dynamik des Chromophors und seiner (Protein-) Umgebung, sowie die Wechselwirkung zwischen beiden. Letztere entscheidet über Variabilität und Effizienz der Reaktion als Voraussetzung für die jeweilige biologische Funktion. Phytochrom: Erstmals konnten beide Primärreaktionen (Pr und Pfr) eines Phytochroms (Agp1-Biliverdin) in Echtzeit schwingungsspektroskopisch beschrieben werden. Dadurch gelang es, Elementarprozesse zu identifizieren und konkrete Aussagen über Isomerisierungsquantenausbeute, Zeitbereich der Isomerisierung und Schwingungsrelaxationsschritte zu treffen. Für die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Chromophor und Protein ergaben sich weiterführende Ansatzpunkte wie z. B. strukturelle Inhomogenitäten im Pr- und Pfr-Grundzustand sowie das Protonierungsgleichgewicht des Biliverdin-Chromophors in Pr-Agp2. Retinalproteine: Durch diverse Isotopen-markierte bzw. artifizielle Varianten von Bakteriorhodopsin (bR), Sensorrhodopsin II (sRII) und Halorhodopsin (hR) konnten Beiträge in den transienten Schwingungsspektren identifiziert werden die nicht dem Chromophor sondern seiner Umgebung zugeordnet werden müssen. Ihre Kinetik beschreibt also die "Antwort" des Proteins (Peptidgruppen, Aminosäurereste, intrinsische Wassermoleküle) auf die elektronische Anregung des Chromophors. Interessanterweise finden sich in bR und in bR5.12 (bR mit sterisch blockiertem, nichtisomerisierenden Chromophor) ganz ähnliche Signale. Diese Beobachtung weist auf einen gemeinsamen Mechanismus in beiden Systemen hin, der nicht in der Isomerisierung bestehen kann und wohl auch kein ausschließlicher Temperatureffekt ist. Vielmehr wird dafür eine instantane, mit der Franck-Condon-Anregung des Chromophors erfolgende Polarisation des Proteins vorgeschlagen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Primary Reaction Dynamics of Halorhodopsin, observed by sub-Picosecond IR - Vibrational Spectroscopy. Chem. Phys. 323, 109-116 (2006)
F. Peters, J. Herbst, J. Tittor, D. Oesterhelt and R. Diller
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Transcis Isomerization Reaction Dynamics in Sensory Rhodopsin II by Femtosecond Time-Resolved Mid-IR Spectroscopy: Chromophore and Protein Dynamics. Biopolymers 82, 358–362 (2006)
R. Diller, R. Jakober, C. Schumann, F. Peters, J. P. Klare and M. Engelhard
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Sub-Picosecond Mid-Infrared Spectroscopy of Phytochrome Agp1 from Agrobacterium tumefaciens. ChemPhysChem 8, 1657-1663 (2007)
C. Schumann, R. Groß, N. Michael, T. Lamparter, and R. Diller
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Primary Reactions in Retinal Proteins. In: Ultrashort Laser Pulses in Biology and Medicine (M. Braun, P. Gilch, W. Zinth, eds.), 34 pages, Springer Berlin ISBN-13: 978-3540735656 Heidelberg 2008
R. Diller
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Sub-Picosecond Mid-Infrared Spectroscopy of the Pfr reaction of Phytochrome Agp1 from Agrobacterium tumefaciens. Biophys. J. 94, 3189-3197 (2008)
C. Schumann, R. Groß, M. M. N. Wolf, N. Michael, T. Lamparter and R. Diller
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Primary Photoinduced Protein Response in Bacteriorhodopsin and Sensory Rhodopsin II. Journal of the American Chemical Society 131, 14868-14878 (2009)
R. Groß, M. Wolf, C. Schumann, N. Friedman, M. Sheves, L. Li, M. Engelhard, O. Trentmann, H. Neuhaus and R. Diller
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Ultrafast Protein Conformational Alterations in Bacteriorhodopsin and its Locked Analogue BR5.12. J. Phys. Chem. B. 113, 7851-7860 (2009)
R. Groß, C. Schumann, M.N.N. Wolf, J. Herbst, R. Diller, N. Friedman and M. Sheves
