06.06.2023

Polaron im Phytochrom

Quasiteilchen aus der Festkörperphysik in biologischem System nachgewiesen.

In der Festkörperphysik führen energetische Anregungen, zum Beispiel Licht­absorption an Molekül-Kristallen, zu Verzerrungen der räumlichen Struktur oder zu einer Verschiebung von elektrischer Ladung. Diese angeregten Zustände werden oftmals als Quasi­teilchen beschrieben. Ein Polaron ist zum Beispiel eine positive Ladung mitsamt seiner Umgebung, in der sich negative Ladungen formiert haben. Wie aber ist das bei biologischen Photo­rezeptoren?

 

Abb.: Georgeta Salvan, Professur Halbleiterphysik (TU Chemnitz), und Jörg...
Abb.: Georgeta Salvan, Professur Halbleiterphysik (TU Chemnitz), und Jörg Matysik, Institut für Analytische Chemie (Universität Leipzig), waren an der Studie beteiligt. (Bild: J. Müller)

Die Funktion von Photorezeptoren wird in der Photobiologie erforscht. Diese enthalten immer ein Pigment, das das Licht absorbiert. Wie funktioniert das lichtempfindliche Rezeptor­molekül Rhodopsin im Auge? Wieso können Bakterien in Richtung einer Lichtquelle wandern? Woher wissen Zugvögel ihre gewünschte Flugrichtung so genau? Die Photobiologie beantwortet diese Fragen mit Konzepten der theoretischen organischen Chemie. Das Rhodopsin enthält als Pigment Vitamin A (Retinal), in dem eine C=C-Doppel­bindung photochemisch gedreht wird. Flavin-Proteine, so vermutet man, erlauben den Augen der Zugvögel unter Belichtung chemische Prozesse zu starten, die Magnetfeld-abhängig sind und als Radikalpaar-Mechanismus bezeichnet werden.

Und was machen Pflanzen? Deren „Auge“ ist ein Photorezeptor namens Phytochrom. Er teilt den Pflanzen und Cyanobakterien mit, wie hell es ist und ob sich Photosynthese lohnt. Dieses Photorezeptor-Protein enthält einen offenkettigen Tetrapyrrol-Kofaktor als Pigment, dass das Licht absorbiert. Auch beim Phytochrom erkannte man zuerst, dass Licht eine C=C-Doppelbindung umdreht, wodurch eine Kaskade von kleinen Bewegungen in der Umgebung ausgelöst wird.

Eine neue Studie untersuchte diesen durch Licht ausgelösten Schaltprozess in einem cyanbakteriellen Phytochrom. Mit Hilfe einer besonderen neuen Proben­präparations­methode, von Doktorandin Lisa Köhler (Universität Leipzig) eingeführt, konnten auch die Zwischen­schritte des Reaktionsverlaufs beobachtet werden. Im Arbeitskreis von Jörg Matysik (Institut für Analytische Chemie der Universität Leipzig) konnten auf diese Weise mit der Methode der Kernspinresonanz (NMR) von allen Reaktions­schritten detaillierte Daten aufgenommen werden. „Tatsächlich zeigen die Daten eine C=C-Doppel­bindungs­isomerisierung. Die führt zu einer Störung des Doppel­bindungs­systems, einem positiv geladenen Defekt, der sich eigentlich entlang des Doppel­bindungssystems bewegen können sollte“, sagt Matysik. Durch seine Ladung ziehe er aber negative Ladung an und wird so auf einer bestimmten Stelle fixiert. Hier liegt also ein Polaron, wie man es aus der Festkörper­physik kennt, und es ist „self-trapped“ (lokalisiert).

Georgeta Salvan von der Professur für Halbleiterphysik der Technischen Universität Chemnitz, die an der Interpretation der Daten beteiligt war, erläutert: „Die molekulare Struktur des offenkettigen Tetrapyrrols ähnelt einigen Molekülen, wie dem α-Sexithiophen, die als organische Halbleiter verwendet werden. Daher konnte man schon vermuten, dass auch in diesem Photo­rezeptor ähnliche Phänomene beobachtet werden können. Es stellt sich uns die Frage, ob Phänomene der Festkörper­physik in biologischen Systemen nicht häufiger vorkommen, aber nicht gefunden werden, weil man nicht nach ihnen sucht“.

TU Chemnitz / DE

 

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