German Title: Kohärente Femtosekunden Schwingungsdynamik vom Anabaena Sensory Rhodopsin

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Abstract

The photo-induced isomerization of retinal protonated Schiff base (RPSB) inside the protein pocket is one of the fastest (<ps) and most stereo-selective photochemical reactions in nature. The ground state structure of the RPSB and its surrounding protein constructions are thought to be the two most crucial factors to drive this reaction. The investigation of each factor individually was the main goal of this thesis. Anabaena Sensory Rhodopsin (ASR), a recently discovered microbial retinal protein, serves as an ideal system for this study as it binds two structural isomers (all-trans: AT and 13-cis: 13C) of the RPSB within the same protein constructions in its photocycle. In the present work, the photo-induced dynamics of the RPSB in ASR has been explored with the help of time resolved coherent vibrational spectroscopic methods, which monitor the photo-induced sub-ps structural changes of the RPSB. These studies have helped to shed light on the intricate relationship between electronic and vibrational dynamics of the RPSB. In the first half of this thesis, a comparative study showed both electronic and vibrational dynamics are widely distinct for the AT and 13C isomers of the RPSB in ASR. In particular, the 13C isomer exhibited more than five folds faster dynamics than the AT isomer. One possible molecular origin behind this dynamical difference was found by comparing the ground state Raman spectra of the two isomers. It depicted an increase in the amplitude of hydrogen-out-of-plane (HOOP) modes for the 13C isomer, which is usually considered to be an evidence of distortion in the ground state structure for the retinal system. The ground state pre-distortion has been reported as a potential element for the acceleration of the isomerization reaction for the 13C isomer, in analogy with the cis isomers of visual rhodopsin and bacteriorhodopsin. The second half of this work explored the role of the part of protein helix inside the retinal pocket as well as that far away from the pocket. In particular, the replacement of the amino acid residues in vicinity of the RPSB by point mutation caused an acceleration of the reaction rate for the AT isomer, but it had only a minor effect for the 13C isomer of the RPSB. Furthermore, the truncation of the part of the protein, embedded into the cytoplasmic region, affected the formation of the primary photoproduct. All these experimental results lead to two major conclusions of this thesis: (i) the protein constructions govern the retinal isomerization dynamics and (ii) the same protein cage exerts differential interactions on two structural isomers of the RPSB.

Translation of abstract (German)

Die photoinduzierte Isomerisierung von retinaler protonierter Schiff-Base (RPSB) in der Proteintasche ist eine der schnellsten (<ps) und stereoselektivsten photochemischen Reaktionen in der Natur. Die Grundzustandstruktur des RPSB und die umgebenden Proteinkonstruktionen gelten als die beiden wichtigsten Faktoren, die diese Reaktion antreiben. Die Untersuchung jedes einzelnen Faktors war das Hauptziel dieser Arbeit. Anabaena Sensory Rhodopsin (ASR), ein kürzlich entdecktes mikrobielles Retinalprotein, dient als ideales System für diese Studie, da es zwei Strukturisomere (all-trans: AT und 13-cis: 13C) des RPSB innerhalb derselben Proteinkonstruktionen in seinem Photozyklus bindet . In der vorliegenden Arbeit wurde die photoinduzierte Dynamik des RPSB in ASR mit Hilfe zeitaufgelöster kohärenter schwingungsspektroskopischer Methoden untersucht, die die photoinduzierten sub ps- Strukturänderungen des RPSB nachverfolgen. Diese Studien halfen, die komplizierte Beziehung zwischen elektronischer und Schwingungsdynamik des RPSB aufzuklären. In der ersten Hälfte dieser Arbeit zeigte eine vergleichende Studie, dass sowohl die elektronische als auch die Schwingungsdynamik für die AT- und 13C-Isomere des RPSB in ASR sehr verschieden sind. Insbesondere das 13C-Isomer zeigte eine mehr als fünffach schnellere Dynamik als das AT-Isomer. Ein möglicher molekularer Ursprung dieses dynamischen Unterschieds wurde durch Vergleich der Ramanspektren beider Isomere im Grundzustand gefunden. Für das 13CIsomer stellte dies eine Zunahme der Schwingungsamplitude von Wasserstoffatomen aus der Molekülebene heraus dar, was normalerweise als Hinweis auf eine Verdrillung der Grundzustandsstruktur des Retinalsystems gesehen wird. Die Vorverzerrung im Grundzustand wurde als potentielles Element für die Beschleunigung der Isomerisierungsreaktion für das 13CIsomer beschrieben, analog zu den cis-Isomeren von Sehpigment Rhodopsin und Bakteriorhodopsin. Die zweite Hälfte dieser Arbeit untersuchte die Rolle des Teils der Proteinhelix in der Retinaltasche sowie des weit vom RPSB entfernten Teils. Insbesondere der Austausch der Aminosäurereste nahe des RPSB durch Punktmutation führte zu einer Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit beim AT-Isomer, hatte jedoch nur einen geringen Einfluss auf das 13CIsomer des RPSB. Darüber hinaus beeinflusst die Verkürzung des in die cytoplasmatische Region eingebetteten Teils des Proteins die Bildung des primären Photoprodukts. All diese experimentellen Befunde führen zu zwei wichtigen Schlussfolgerungen dieser Arbeit: (i) die Proteinkonstruktionen bestimmen die Dynamik der retinalen Isomerisierung und (ii) derselbe Proteinkäfig übt auf zwei Strukturisomere des RPSB unterschiedliche Wechselwirkungen aus.