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Sobotta, Constanze (2007): Retinalbasierte Ionenpumpen - Ultrakurzzeitspektroskopie der Primärreaktion in unterschiedlichen Umgebungen. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Manipulation der Primärreaktion von Bakteriorhodopsin (BR). Dazu wurde die Primärreaktion mittels Ultrakurzzeitspektroskopie im Femto- und Pikosekundenbereich eingehend untersucht und erste kohärente Kontrollexperimente an einem Modellsystem durchgeführt. Zuerst wurde der Einfluss der Proteinumgebung, den das Gegenion zur Schiffschen Base des Retinals (Aspartat (D) Position 85) auf die Primärreaktion von BR ausübt, untersucht. Dabei wurde BR mit Halorhodopsin (HR) (fehlendes Gegenion, Threonin (T)) und der BR-Mutante D85T verglichen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass nur in dem Fall, wenn ein Anion exakt in einem eingeschränkten Bereich um die Position 85 lokalisiert ist, eine BR-ähnliche stationäre Absorption und eine schnelle Primärreaktion mit der BR-typischen Zeitkonstante von 0.5 ps hervorgerufen wird. Fehlt dagegen das Anion oder befindet es sich außerhalb dieses eingeschränkten Bereichs, tritt eine Primärreaktion analog zur Primärreaktion von HR mit einer biexponentiellen Kinetik von 1 bis 10 ps auf. Da in der Literatur widersprüchliche Ergebnisse bezüglich der initialen Bewegungen im angeregten Zustand von BR vorliegen, wurde die Auswirkung der Anregungsdichten auf die Fluoreszenzdynamik analysiert: Bei hohen Anregungsdichten treten spektrale und dynamische Änderungen in der Fluoreszenz auf, die Mehrphotonenprozessen zugeordnet werden können. Diese Mehrphotoneneffekte erklären bestehende Diskrepanzen in der Literatur. Nur für niedrige Anregungsdichten sind lineare und native Anregungsbedingungen gewährleistet, unter denen sich ein biexponentielles Verhalten ergibt. Dabei wurde zum ersten Mal ein dynamischer Stokesshift beobachtet, der auf einen schnellen Umordnungsprozess auf der reaktiven Potentialfläche hindeutet. Ferner wurde der erste schnelle Prozess (<200 fs) in BR sowie in den BR-Mutanten D85T im grünen Spektralbereich untersucht. Dazu wurde BR am isosbestischen Punkt bei 534 nm erstmals im Detail analysiert, was zu einer genaueren Charakterisierung des ersten Prozesses führte. Bei dieser Wellenlänge wurde die Bildung und Auswirkung eines spektralen Loches beobachtet. Zuerst wird die Absorption aus dem angeregten Zustand sichtbar, die instantan mit der Anregung auftritt. Das Ausbleichen des Grundzustandes erscheint hier mit 50 fs verzögert. Daran schließt sich der dynamische Stokesshift an. Zuletzt wurde zur Vorbereitung der kohärenten Kontrolle an BR ein kohärentes Kontrollexperiment am Modellsystem Oxazin 1 realisiert. Als Kontrollziel diente die Optimierung der Grundzustandswellenpakete mit Hilfe linear gechirpter Anregungsimpulse, deren linearer Chirp durch einen computergesteuerten Impulsformer variiert wurde. Für die dominanten Schwingungsmoden bei 560 cm^{-1} und 609 cm^{-1} konnte ein optimaler Chirpparameter ermittelt werden, bei dem effizient Wellenpakete im Grundzustand erzeugt werden.