Vielkanal-Femtosekunden- Spektroskopie der Primaerreaktionen von archaebakteriellen Retinalproteinen im sichbaren Spektralbereich

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Primaerreaktion der
Photosensoren Sensorrhodopsin I und II aus dem Archaebakterium
Halobacterium salinarum und Sensorrhodopsin II aus Natronobacterium
pharaonis sowie die Durchfuehrung vergleichender Messungen an dem
zur selben Familie gehoerenden Membranprotein Bakteriorhodopsin.
Spektral aufgel�oste Anreg-Abtast-Experimente im sichtbaren
Spektralbereich ermoeglichten dabei einen umfassenden Einblick in
die schnellsten Prozesse nach der Lichtanregung. Da
Femtosekundenlasersysteme mit den erforderlichen Spezifikationen zu
Beginn dieser Arbeit noch nicht kommerziell erhaeltlich waren,
musste zur Realisierung der Experimente ein
Ti:Saphir-Laseroszillator und ein CPA-Verstaerker entwickelt
werden, der die benoetigten Lichtimpulse von ca. 100 fs Dauer und 1
mJ Ausgangsleistung bei hoher Stabilitaet lieferte. Erste Hinweise
auf das Verhalten der elektronisch angeregten Zustaende der
Sensorrhodopsine vermittelten die in einem modifizierten
hochempfindlichen Ramanspektrometer aufgenomenen
Fluoreszenzspektren. Dabei konnten erstmalig die
Fluoreszenzquantenausbeuten der Sensorrhodopsine bestimmt werden
und unter gewissen Annahmen auch die Lebensdauern ihrer
elektronisch angeregten Zustaende abgeschaetzt werden. Die
Anreg-Abtast-Experimente wurden mit einer Zeitau �osung von ca. 100
fs im Spektralbereich von etwa 400 nm bis 700 nm durchgef�uhrt,
wobei Absorptionsaenderungen im Promillebereich aufgeloest werden
konnten. Innerhalb der ersten 200 fs nach der Lichtanregung wurden
bei allen untersuchten Proben schnelle, nichtexponentielle
Reaktionskinetiken beobachtet, die durch eine stark gedaempfte
Abwaertssbewegung des auf der Potential flaeche des elektronisch
angeregten Zustands praeparierten Wellenpakets interpretiert werden
koennen. Diese Ergebnisse stuetzen mehrdimensionale Modelle der
Primaerreaktion, bei denen der Isomerisierung des Retinals eine
schnelle Relaxation hochfrequenter Schwingungsmoden vorausgeht. Die
Rueckreaktion in den elektronischen Grundzustand und die damit
verbundene Isomerisierung des Retinals verlaeuft im Fall des
Photosensors Sensorrhodopsin II trotz der unterschiedlichen
Grundzustandsspektren sehr aehnlich zu Bakteriorhodopsin. Bei
Sensorrhodopsin I wurde jedoch eine sehr langsame Rueckreaktion
innerhalb einiger Pikosekunden beobachtet, die bei dem
eingestellten pH-Wert vermutlich zumindest teilweise durch eine
veraenderte elektrostatische Wechselwirkung mit dem Gegenion der
Schiss- schen Base verursacht wird. Ueber den Vergleich mit
Literaturdaten an Halorhodopsin und BR-Mutanten konnten
Vermutungen, dass die Geschwindigkeit der Primaerreaktion stark von
dieser Wechselwirkung beein usst wird, weiter bestaetigt werden.
Aus den aufgenommenen Daten konnten weiterhin die erst lueckenhaft
bekannten Photozyklen der Sensorrhodopsine um einige Schritte
ergaenzt werden und die Absorptionsquerschnite der gefundenen
Zwischenzust�ande berechnet werden. Schliesslich konnte ein
qualitatives Modell fuer die Prim�arreaktion der Familie der
Retinalproteine vorgeschlagen werden, das als Grundlage fuer
zuk�unftige Arbeiten dienen kann.