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In dieser Arbeit wurden zwei Systeme der biologischen Energiewandlung mit verschiedenen spektroskopischen Methoden untersucht und es wurden neue Erkenntnisse über die Funktion und Aktivierung der Proteine Proteorhodopsin und RuBisCO gewonnen. Zusätzlich konnte eine neue methodische Herangehensweise zur Untersuchung von Carboxylierungsreaktionen etabliert werden. Dieser Ansatz bietet in Zukunft breite Anwendungsmöglichkeiten zur Studie dieser biologisch so bedeutenden Reaktionsklasse. Mit Hilfe der Infrarotspektroskopie und vor allem durch den Einsatz von Tieftemperaturmessungen konnte der bisher kontrovers diskutierte Photozyklus von Proteorhodopsin (PR) eingehend charakterisiert werden. Jenseits des gut verstandenen aktiven Transports bei pH 9,0 wurde vor allem der pH 5,1 Photozyklus untersucht. Erstmals konnte auch in Infrarotspektren das M-Intermediat bei pH 5,1 nachgewiesen werden. Dieses Intermediat ist von entscheidender Bedeutung für den aktiven Transport über die Zellmembran und seine Existenz wurde bisher vielfach angezweifelt. Zudem konnte Glu-108 als ein möglicher Protonenakzeptor des Photozyklus bei pH 5,1 identifiziert werden. Durch einen pH-Indikator ließ sich der Nachweis erbringen, dass auch im sauren pH-Bereich Protonen freigesetzt werden. Damit steht fest, dass ein aktiver Protonentransport bei pH 5,1 möglich ist. Zusammen mit Informationen zu protonierbaren Aminosäureseitenketten (vornehmlich Asp und Glu) lässt sich zudem mit Einschränkungen die These unterstützen, dass PR ober- und unterhalb des pKa-Werts von Asp-97 in verschiedene Richtungen Protonen pumpt. Damit ergibt sich ein differenziertes Bild für den pH-abhängigen Photozyklus von PR mit drei pH-Bereichen (pH 9,0, 8,5 bis 5,5 und 5,1) in denen PR unterschiedliche Protonentransportwege zeigt. Als weiteres biologischen System wurde RuBisCO genauer untersucht. Im Fokus der Arbeit war dabei die Aktivierung durch die Bildung eines Lysin-Carbamats im aktiven Zentrum. Obwohl RuBisCO das am häufigsten vorkommende Enzym unseres Planeten ist, in der Kohlenstofffixierung eine bedeutende Rolle spielt und obwohl mehrere Dutzend Kristallstrukturen existieren, gibt es noch immer genügend offene Fragen zur Aktivierung. Mit Hilfe eines Käfig-CO2 konnte die Carbamatbildung im Enzym direkt verfolgt und der Einfluss von Magnesiumionen auf die Aktivierung beobachtet werden. Damit ließ sich ganz klar ausschließen, dass Magnesium bereits für die Carbamatbildung erforderlich ist. Die Koordination von Mg2+ ist erst für die Endiol-Bildung im weiteren Reaktionszyklus essentiell. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Azid eine Inhibierung des Enzyms durch die Konkurrenz mit CO2 um die Bindungsstelle auslöst, allerdings verdrängt CO2 das Azidion im Laufe der Zeit. Mit den Ergebnissen für RuBisCO konnte klar gezeigt werden, dass die Kombination aus Käfig-CO2 und Rapid-Scan IR-Spektroskopie ein völlig neues Feld für die Untersuchung von Carboxylierungsreaktionen eröffnet. Gerade die offenen Fragen zu Biotin bindenden Carboxylasen bieten ein breites Anwendungsgebiet für diese Methodik.
The geomagnetic field provides directional information for birds. The avian magnetic compass is an inclination compass that uses not the polarity of the magnetic field but the axial course of the field lines and their inclination in space. It works in a flexible functional window, and it requires short-wavelength light. These characteristics result from the underlying sensory mechanism based on radical pair processes in the eyes, with cryptochrome suggested as the receptor molecule. The chromophore of cryptochrome, flavin adenine dinucleotide (FAD), undergoes a photocycle, where radical pairs are formed during photo-reduction as well as during re-oxidation; behavioral data indicate that the latter is crucial for detecting magnetic directions. Five types of cryptochromes are found in the retina of birds: cryptochrome 1a (Cry1a), cryptochrome 1b, cryptochrome 2, cryptochrome 4a, and cryptochrome 4b. Because of its location in the outer segments of the ultraviolet cones with their clear oil droplets, Cry1a appears to be the most likely receptor molecule for magnetic compass information.
The desensitized channelrhodopsin-2 photointermediate contains 13 -cis, 15 -syn retinal Schiff base
(2021)
Channelrhodopsin-2 (ChR2) is a light-gated cation channel and was used to lay the foundations of optogenetics. Its dark state X-ray structure has been determined in 2017 for the wild-type, which is the prototype for all other ChR variants. However, the mechanistic understanding of the channel function is still incomplete in terms of structural changes after photon absorption by the retinal chromophore and in the framework of functional models. Hence, detailed information needs to be collected on the dark state as well as on the different photointermediates. For ChR2 detailed knowledge on the chromophore configuration in the different states is still missing and a consensus has not been achieved. Using DNP-enhanced solid-state MAS NMR spectroscopy on proteoliposome samples, we unambiguously determined the chromophore configuration in the desensitized state, and we show that this state occurs towards the end of the photocycle.