Protonentransfer schützt Biomoleküle

Biomo­leküle wie die Erb­substanz DNA benötigen Schutz­mechanismen gegen energie­reiches Licht. Denn UV-Anteile aus dem Sonnen­licht würden sonst rasch dazu führen, dass Bindungen brechen und Moleküle zerfallen. Der Protonen­transfer spielt dabei eine wichtige Rolle. Mit ihm kann ein DNA-Molekül die über das Licht einge­strahlte Energie wieder abgeben. Dabei löst sich ein ein­zelnes Proton und andere chemische Bindungen bleiben erhalten.

Um den Prozess im Detail zu unter­suchen, hat eine inter­nationale Kooperation um Alexander Föhlisch, Instituts­leiter am Helm­holtz-Zentrum Berlin, in Kali­fornien am LCLS-Laser des SLAC National Acce­lerator Labora­tory und an der Berliner Synchrotron­quelle BESSY II des HZB Experi­mente durchgeführt: Sie unter­suchten ein verhältnis­mäßig einfaches Molekül, das 2-Thiopyridon (2-TP). Dieses Molekül hat ähnliche Eigen­schaften wie die Bausteine der DNA und dient in der Bio­forschung deshalb als Modell­molekül. Die Forscher­gruppe regte zunächst gezielt das Stickstoffatom im Molekül mit sehr kurzen Röntgen­pulsen im Femtosekunden­bereich an. Die Ergeb­nisse zeigen im Detail, wie sich nach der Anregung mit dem Lichtpuls das an das Stickstoffatom gebundene Proton ablöst.

„Erst einmal wollten wir diese Prozesse an einem einfachen Modell­system untersuchen,“ sagt Sebastian Eckert, der bei Alexander Föhlisch an der Univer­sität Potsdam und am Helmholtz-Zentrum Berlin seine Doktor­arbeit schreibt. „Das Modell­system 2-Thio­pyridon ist geeignet, weil das Molekül klein genug ist, um es zu verstehen und nur ein einziges Stick­stoffatom besitzt. Nur durch den Vergleich zwischen den FEL-Messungen und Experi­menten am Synchro­tron BESSY II ließ sich der Mecha­nismus ein­deutig zuordnen.“

Dabei hatte das Team erstmals auch die Methode der inelas­tischen Röntgen­streuung, RIXS, an BESSY II angewandt, um mole­kulare Verän­derungen um das Stickstoffatom herum zu beobachten, die mit dem raschen Protonen­transfer zusammen­hängen und extrem schnell inner­halb von Femto­sekunden ablaufen. Durch die Kombi­nation der Experimente mit theore­tischen Simu­lationen konnte letz­lich der Reaktions­pfad herausgearbeitet werden.

HZB / JOL