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Lichtaufnahme durch retinale Pigmente

Sehen beginnt mit einem "molekularen Breakdance"

27.11.2015
Künstlerische Darstellung der Molekülbewegung in der Netzhaut. Bild: © J.M. Harms, MPSD

Der Sehsinn beruht auf exakt choreographierten, ultraschnellen Molekülbewegungen.

Die Aufnahme von Licht durch Rhodopsin in der Netzhaut ist die Grundlage des Sehsinns. Neue Experimente von Wissenschaftlern des Max-Planck-Institutes für Struktur und Dynamik der Materie und der University of Toronto haben gezeigt, dass der erste photochemische Schritt dieses Prozesses an der fundamentalen molekularen Geschwindigkeitsgrenze abläuft.

Der Chromophor im Rhodopsin, Retinal oder auch Vitamin-A-Aldehyd genannt, leitet seine Lichtempfindlichkeit aus einer sich wiederholenden Kette von einzeln und doppelt gebundenen Kohlenstoffatomen ab. Die Absorption eines Photons durch Retinal führt zu einer extrem kurzzeitigen Schwächung einer bestimmten Doppelbindung, wodurch eine Rotation um diese Bindung ausgelöst wird. Wie schnell diese sogenannte Isomerisierungsreaktion tatsächlich erfolgt, konnte lange Zeit nicht genau beobachtet werden und war im Wesentlichen von den technologischen Fortschritten im Bereich gepulster Laserquellen abhängig. Mit Femtosekunden-Lasern konnte bereits vor einiger Zeit gezeigt werden, dass die Isomerisierung innerhalb von maximal 200 Femtosekunden abläuft (das sind 200 Millionstel einer Milliardstel Sekunde) und dass es sich dabei um eine vibrationskohärente chemische Reaktion handeln könnte. Das bedeutet, dass die Schwingungsbewegungen des Chromophors Retinal selbst bei der Steuerung der Isomerisierung mitwirken.

Rhodopsin als Choreograph
Mithilfe einer hochempfindlichen Methode aus der Ultrakurzzeitspektroskopie, die man heterodyne-detected transient grating spectroscopy nennt, haben Wissenschaftler in den Laboren von Prof. R. J. Dwayne Miller (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie und University of Toronto) und Prof. Oliver P. Ernst (University of Toronto) die Isomerisierungsreaktion von Rinder-Rhodopsin mit beispielloser Empfindlichkeit und vorher unerreichter zeitlicher Auflösung erneut untersucht. Diese neuen Messungen zeigten, dass die Isomerisierung auf einer Zeitskala von 30 Femtosekunden erfolgt. „Es stellt sich heraus, dass der erste Schritt des Sehens beinahe zehnmal schneller ist als bisher angenommen,“ sagt Miller, „und die molekularen Bewegungen sind durch Rhodopsin perfekt choreographiert“.

Streck-, Wipp- und Drehbewegungen
Die Analyse der zeitaufgelösten experimentellen Daten enthüllt diese gleichsam wie ein "Breakdance" choreographierte Schwingungsdynamik, die sich aus örtlich begrenzten Streck-, Wipp- und Drehbewegungen zusammensetzt. „Eine solch schnelle Zeitskala stellt eine eindeutige Eingrenzung der vibrationskohärenten Reaktionskoordinate dar,“ sagt Dr. Philip Johnson, Erstautor der Studie. „Und diese Arbeit lässt darauf schließen, dass die Reaktion lokal an der bestimmten isomerisierenden Doppelbindung angesiedelt ist.“ „Darüber hinaus findet die Isomerisierungsreaktion innerhalb einer einzelnen Periode der relevanten Drehschwingung statt“, fügt er hinzu. „Der Begriff der vibrationskohärenten chemischen Reaktionen wird mindestens seit den 1930er-Jahren verwendet, aber erst jetzt wurden sie eindeutig nachgewiesen.“

Diese Forschungsarbeit wurde von der Max-Planck-Gesellschaft, vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), vom Programm Canada Excellence Research Chairs (CERC) und vom Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) unterstützt. Miller und Ernst sind Co-Direktoren des CIFAR-Programms Molekulare Architektur des Lebens, das die Details der komplexen molekularen Prozesse entschlüsselt, die allen lebenden Organismen zugrunde liegen.


Originalpublikation:
Philip J. M. Johnson, Alexei Halpin, Takefumi Morizumi, Valentyn I. Prokhorenko, Oliver P. Ernst, and R. J. Dwayne Miller, “Local vibrational coherences drive the primary photochemistry of vision,” Nature Chemistry 7, 980–986 (2015), DOI: 10.1038/nchem.2398

Informationen:
http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2398 Originalpublikation
http://www.mpsd.mpg.de/forschung/ard Forschungsgruppe von Prof. Dr. R. J. Dwayne Miller
http://www.mpsd.mpg.de Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
 

Künstlerische Darstellung der Molekülbewegung in der Netzhaut. Bild: © J.M. Harms, MPSD