Ultraschnelle Dynamik Protein-gesteuerter Reaktionen in Bakteriorhodopsin und bakteriellem Phytochrom

Abstract

Die Umwandlung von Sonnenlicht in biochemisch nutzbare Energie wird in der Natur durch die Chromoproteine gewährleistet. Essentiell für deren Funktion ist, dass der lichtabsorbierende Bestandteil des Proteins, der Chromophor, auf spezifische Weise in das Protein eingebettet ist. Die resultierende Chromophor - Protein Wechselwirkung kann sowohl die Ausbeute, als auch den Reaktionskanal katalysieren. Um diese natürliche Reaktionssteuerung zu verstehen, werden in der vorliegenden Arbeit die ersten Schritte der Lichtabsorption und die damit verbundenen Änderungen in dem Chromoprotein untersucht. Es wurden zwei Chromoproteine untersucht: 1) Bakteriorhodopsin (bR) ist eine lichtgetriebene Protonenpumpe, die es dem Bakterium ermöglicht Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen. Der primaere Schritt der Energieumwandlung ist die Isomerisierung des Chromophors Retinal, die durch das Protein mindestens 3 fach beschleunigt wird. Die Quantenausbeute dieser Isomerisierung wird dabei ebenfalls deutlich erhöht. Wir haben nun gezielte Einfach- und Doppelmutanten untersucht, die Einfluss auf diese Reaktionssteuerung haben, um den Steuerungsmechanismus deutlicher herauszuarbeiten. 2) Bakterielles Phytochrom ist ein Photorezeptor, dessen Funktion noch nicht so gut bekannt ist, wie die des pflanzlichen Phytochroms. Eine hohe genetische Homologie und ein nur leicht unterschiedliches Verhalten bezüglich der Absorption von Licht machen bakterielles Phytochrom zu einem hervorragenden Vergleichssystem für pflanzliches Phytochrom. Charakteristisch für das photochemische Verhalten von Phytochrom ist, dass in demselben Chromoprotein zwei unterschiedliche Photoreaktionen ablaufen, die durch das Protein gesteuert werden. Wir haben erstmals die primäre Photoreaktion des bakteriellen Phytochroms charakterisiert und ein Modell für die Primaerreaktion aufgestellt.

In nature chromoproteins facilitate conversion of light to biochemical energy. Thereby the specific embedding of the light absorbing chromophore in the protein binding pocket is crucial for controlling the yield and the reaction channels of light conversion. In order to understand this optimized photoreaction, we examine the impact of chromophore - protein interaction on the primary photoreaction, e. g. the femtosecond to picosecond time span the photon is absorbed and first ground state intermediates arise. In this work two biological important chromoproteins are studied: 1) Bacteriorhodopsin (bR) is a light driven proton-pump, which enables the bacterium to produce ATP and prevent from starvation by lack of energy. The primary step of light conversion is the trans-to-cis isomerization of the retinal chromophore. The dynamic of this photoreaction is catalyzed at least by a factor of 3 due to the chromophore - protein interaction in comparison to the same reaction in solution. The quantum yield is drastically increased and due to the protein all other reaction channels are suppressed. We explore specific single and double mutants to find a crucial or minimal binding pocket for the catalytic reaction. 2) Bacterial phytochrome from Cyanobacterium Synechocystis (Cph1) is discovered only a few years ago and shows large genetic homology to phytochrome of plants. Spectroscopic features are similar, so that comparison of the two phytochromes give more insight in function and chromophore - protein interaction of phytochromes. Characteristic feature of phytochromes are two thermally stable states, which show different photoreactions in the same protein binding pocket. We characterize the primary photoreaction of Cph1 and propose a model with a distribution of potential surfaces to explain our data and in respect of published data.