Analyse von Photorezeptoren und Antennenpigmenten mit Ultraschneller Polarisationsaufgelöster Infrarotspektroskopie
Linke, Martin - Freie Universität Berlin (2012)
Diese Arbeit entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 498 "Protein-Kofaktor-Wechselwirkungen in biologischen Prozessen" als Teil des Projektes B11 "Analyse der lichtinduzierten Schwingungsstrukturen der Photorezeptoren und Antennenpigmente". Sie dient dem besseren Verständnis der geometrischen Strukturen, ihrer Veränderungen sowie der grundlegenden Wechselwirkungen der ersten Reaktionsschritte und der Signalweiterleitung von zyklischen und linearen Tetrapyrrolen.
Zu diesem Zweck wird eine modifizierte Methode der ultraschnellen polarisationsaufgelösten Infrarotspektroskopie vorgestellt, deren Verwendung die Analyse des Grundzustandes, des elektronisch angeregten Zustandes sowie der ersten Produktzustände der Photorezeptoren und Pigmente in struktureller sowie dynamischer Hinsicht erlaubt. So können z. B. relative Winkel zwischen den angeregten elektronischen Übergangsdipolmomenten und den abgetasteten Übergangsdipolmomenten der molekularen Schwingungen bestimmt werden. Da diese direkt mit der Konformation der Chromophore assoziiert sind, erhält man durch Kombinationen der bestimmten relativen Winkel mit Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen Zugriff auf weitergehendes geometrisches und dynamisches Wissen, welches mit der herkömmlichen Infrarotspektroskopie nicht zugänglich ist. Der hier realisierte experimentelle Ansatz fand seine Anwendung in der Analyse verschiedener Tetrapyrrole sowie dem Laserfarbstoff Coumarin 314, der eine detaillierte Charakterisierung ermöglichte.
Als bedeutendster Vertreter der zyklischen Tetrapyrrole wurde das Chlorophyll a (Chl a) untersucht, ein Pigment, dem eine wesentliche Rolle beim primären Energie- und Elektronentransfer der Photosynthese zukommt. Eine Voraussetzung für das Verständnis der Chlorophyll-Chlorophyll-Wechselwirkungen ist das Wissen der exakten Orientierung des elektronischen Übergangsdipolmoments μel der Qy-Bande innerhalb der Struktur des Chl a. Sie wurde erstmalig dreidimensional in gelöster Form der Pigmente bestimmt zu: μel = (0, 19/0, 98/0, 07). μel weicht um (12 ± 3)° von der Y-Achse ab und ragt um (4 ± 2)° aus der Ebene des Chlorinringes heraus. Die Eigenrotation der Chl a-Moleküle innerhalb des Lösungsmittels Toluol-d8 konnte mit einer Zeitkonstanten von t = (90 ± 10) ps beobachtet werden.
Die Forschungen auf dem Gebiet der bakteriellen Phytochrome sind ein relativ neues Feld. Deren Chromophore, die linearen Tetrapyrrole, zeichnen sich durch eine reversible Photoisomerisation aus, wodurch die Phytochrome als Photorezeptoren viele biologische Prozesse steuern können. Das Phytochrom Agp1 des Agrobacteriums tumefaciens (Wildtyp sowie sterisch gelockt) wurde in dieser Arbeit analysiert. Es konnte eine spektrale Heterogenität des Absorptionsspektrums von Agp1 zweifelsfrei belegt und erstmalig der elektronische Übergang S0 -> S2 der Absorptionsbande bei 644 nm zugeordnet werden. Es wurde demonstriert, dass die wahrscheinliche Konformation des Chromophors im Grundzustand der Konformation ZZZssa entspricht und die Konformation ZZZasa ausgeschlossen werden kann. Eine elektronische Anregung des Chromophors führt ferner zu einer bi-exponentiellen Dynamik. Ein Teil der Anregungsenergie wird mit einer Zeitkonstanten von t = 5, 5 ps (mit Fehlerbereich von 4 bis 8 ps) durch lokal begrenzte Schwingungsrelaxation am Ring D im elektronisch angeregten Zustand abgeleitet.