Podcasts about chromophore

Smooth, eclectic house from the Slow Life DJ.

Link to bioRxiv paper: http://biorxiv.org/cgi/content/short/2020.10.13.337386v1?rss=1 Authors: Auhim, H., Grigorenko, B., Harris, T., Polyakov, I., Berry, C., dos Passos Gomes, G., Alabugin, I., Rizkallah, P., Nemukhin, A. V., Jones, D. Abstract: Fluorescent proteins (FPs) have revolutionised the life sciences but the mechanism of chromophore maturation is still not fully understood. Incorporation of a photo-responsive non-canonical amino acid within the chromophore stalls maturation of Venus, a yellow FP, at an intermediate stage; the crystal structure reveals the presence of O2 located above a dehydrated enolate imidazolone (I) ring, close to the strictly conserved Gly67 that occupies a twisted conformation. His148 adopts an open conformation, potentially allowing O2 access to the chromophore. Absorption spectroscopy supported by QM/MM simulations suggest that the first oxidation step involves formation of a hydroperoxyl intermediate in conjunction with dehydrogenation of the methylene bridge. A fully conjugated mature chromophore is formed through release of H2O2 upon irradiation of this intermediate, both in vitro and in vivo. The possibility of interrupting and photochemically restarting chromophore maturation, and the mechanistic insights opens up new approaches for engineering optically controlled fluorescent proteins. Copy rights belong to original authors. Visit the link for more info

Tue, 14 Jul 2015 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/18623/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/18623/1/Zgela_Dominik.pdf Zgela, Dominik ddc:540, ddc:500, Fakultät für Chemie und Pharmazie

Richard Neutze discusses a structural analysis of light-induced structural changes in the visual pigment rhodopsin.

Science writer Dennis Meredith talks about his new science fiction book The Rainbow Virus, in which a bioterror plot turns people all the colors of the rainbow

Wasser ist eine hochpolare Flüssigkeit. Ihre ungewöhnlichen elektrostatischen Eigenschaften haben das organische Leben, das sich dort entwickelt hat, geprägt. Daher bestimmen beispielsweise die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der wässrigen Zellflüssigkeit und den darin gelösten Proteinen, den molekularen Funktionsträgern der Biologie, sowohl die Struktur als auch die Dynamik dieser Makromoleküle. Mikroskopische Simulationsbeschreibungen der in Protein-Lösungsmittel Systemen ablaufenden Prozesse müssen deshalb jene Probleme lösen, welche durch den sehr langsamen 1/r Abfall der Coulomb Wechselwirkung und die endliche Größe von Simulationsmodellen aufgeworfen werden. Die vorliegende Arbeit fasst eine Reihe von Publikationen zusammen, in denen zunächst mit dem sog. SAMM/RF Algorithmus eine genaue und recheneffiziente Lösung für die angesprochenen methodischen Probleme vorgeschlagen und verifiziert wird [G. Mathias, B. Egwolf, M. Nonella, P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 10847-10860 (2003)]. Bei molekularmechanischen (MM) Molekulardynamik (MD) Simulationen ermöglicht dieser Algorithmus die Beschreibung sehr großer Systeme mit mehr als 10^5 Atomen auf einer Nanosekunden-Zeitskala. Für flüssiges Wasser konnten damit winkelaufgelöste Korrelationsfunktionen, die von mir vorgeschlagen wurden, auch bei großen Abständen statistisch genau berechnet werden [G. Mathias, P. Tavan, J. Chem. Phys. 120, 4393-4403 (2004)]. Damit ließ sich die dipolare Struktur der Solvatschalen um ein gegebenes Wassermolekül analysieren. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass sich Wasser ab Distanzen von etwa 15 A° wie ein homogenes Dielektrikum verhält. Die SAMM/RF Methode wurde ferner zur Beschreibung der langreichweitigen Elektrostatik bei Hybridrechnungen eingesetzt, welche Dichtefunktional Methoden mit MM Kraftfeldern kombinieren, um so Schwingungsspektren biologischer Chromophore in polaren und in komplexen Lösungsmitteln quantitativ genau berechnen zu können. An den Beispielen des Retinalchromophors im Meta-III Zustand des Rhodopsins [R. Vogel, F. Siebert, G. Mathias, P. Tavan, G. Fan, M. Sheves, Biochemistry 42, 9863-9874 (2003)], der Chinone im bakteriellen Reaktionszentrum [M. Nonella, G. Mathias, M. Eichinger, P. Tavan, J. Phys. Chem. B 107, 316-322 (2003)] und eines Chinonmoleküls in wässriger Lösung [M. Nonella, G. Mathias, P. Tavan, J. Phys. Chem. A 107, 8638-8647 (2003)] wird gezeigt, wie elektrostatische Wechselwirkungen eines Moleküls mit seiner Lösungsmittelumgebung seine Schwingungsspektren modifizieren.

In der vorliegenden Arbeit werden mittels der Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie und einer neuartigen Ultrakurzzeit-Photostromkorrelationstechnik der Energietransfer und die Ladungsträgererzeugung in konjugierten Polymeren untersucht. Aufgrund ihrer großen Flexibilität sowohl in Bezug auf die elektronischen und optischen Eigenschaften als auch im Hinblick auf die Verarbeitungsmöglichkeiten erschließen diese molekularen Halbleiter zahlreiche Anwendungsfelder aus der Optoelektronik. Hierzu gehören insbesondere die organischen Leuchtdioden und Photodetektoren, aber auch Laser und Transistoren. Der Energietransfer zwischen einzelnen Untergruppen eines konjugierten Polymermoleküls, sogenannten Chromophoren, wird erstmals durch zeitaufgelöste Einzelmolekülspektroskopie direkt verfolgt. So wird der Transfer von Anregungsenergie zwischen zwei energetisch verschiedenen Chromophoren zeitlich aufgelöst und mit theoretischen Modellen verglichen. Durch die Messung der homogenen Linienbreite der Einzelmolekül-Photolumineszenz bei Temperaturen zwischen T = 5K und T = 300K und deren Auswirkung auf die Mobilität der Anregungen wird in dieser Arbeit der mikroskopische Mechanismus des Energietransfers direkt zugänglich. Es zeigt sich, daß der Energietransfer über die stark temperaturabhängige Linienbreite der Absorption und Emission der einzelnen Chromophore kontrolliert wird. Die Messung der Polarisations-Anisotropie des konjugierten Polymers gibt Aufschluß über die relative Orientierung der Chromophore zueinander. Es zeigt sich, daß eine geeignete Molekülgeometrie in Verbindung mit dem Energietransfer zu einer hochgradig polarisierten Emission von Photolumineszenz selbst bei unpolarisierter Anregung führt. Mit einer neuartigen Kombination von optischer Ultrakurzzeitspektroskopie und Photostrommessungen wird die Photoerzeugung von Ladungsträgern in Polymer-Dünnschichtdioden mit einer Zeitauflösung im sub-Pikosekunden Bereich verfolgt. Erstmals gelingt damit der direkte Nachweis, daß alle freien Ladungsträger durch zeitverzögerte Dissoziation von optisch generierten Exzitonen auf der Zeitskala der Exzitonenlebensdauer von 100 ps erzeugt werden. Darüberhinaus wird die ultraschnelle Dissoziation ”heißer“ Exzitonen binnen 0.1 Pikosekunden beobachtet, die jedoch nicht freie Ladungsträger erzeugt, sondern schwach Coulomb-gebundene Paare von Ladungsträgern, sogenannte Polaronenpaare. Die Polaronenpaare weisen eine verschwindende Lumineszenzausbeute auf, tragen aber auch nicht zum Photostrom bei und stellen daher einen Verlustkanal für Polymer-Leuchtdioden und für organische Solarzellen dar. Der quantitative Vergleich mehrerer ultrakurzzeitspektroskopischer Signale erlaubt erstmals eine quantitative Bestimmung der Erzeugung von Polaronenpaaren ohne die Annahme weiterer Materialparameter. An zwei Modellsystemen effizienter organischer Polymer-Photodioden, nämlich Mischsystemen aus einem konjugierten Polymer mit dem Elektronenakzeptor C60, wird die Bedeutung der Polaronenpaare für organische Photodetektoren nachgewiesen. Wiederum durch die Kombination der Ultrakurzzeitspektroskopie mit Photostrommessungen kann eindeutig zwischen freien Ladungsträgern und Polaronenpaaren unterschieden und deren Population getrennt verfolgt werden. Die zentrale Rolle der Polaronenpaare für die Photostrom-Quantenausbeute in verschiedenen organischen Nanokompositen wird herausgearbeitet. Es zeigt sich, daß die makroskopisch beobachtete Diskrepanz zwischen der Zahl dissoziierter Anregungen und der Zahl detektierter freier Ladungsträger auf der Tendenz einiger Materialien beruht, die Erzeugung von Polaronenpaaren mit einer hohen Rekombinationswahrscheinlichkeit zu begünstigen.

Die spektroskopische Untersuchung einzelner Moleküle in kondensierter Phase erstreckt sich erst über einen Zeitraum von zehn Jahren. In dieser verhältnismäßig kurzen Zeit vollzog sich eine rasante Entwicklung mit einer Vielzahl von Ergebnissen. Dies findet seinen Ausdruck in eigenen Tagungen und Zeitschriften und nicht zuletzt auch in einer Nobelkonferenz im Jahre 1999. Während sich anfangs die Untersuchungen auf eine Reihe faszinierender Tieftemperaturexperimente mit spektraler Selektion der einzelnen Moleküle beschränkten, verschob sich seit Mitte der 90er Jahre der Schwerpunkt der Forschung auf diesem Gebiet hin zu Experimenten mit räumlicher Selektion bei Raumtemperatur, die seit kurzer Zeit auch relativ uneingeschränkt bei Tieftemperatur möglich sind. Diese Entwicklung spiegelt sich auch in dieser Dissertation wider. Zu Beginn dieser Arbeit stand eine spektral hochauflösende Apparatur zur Einzelmolekülspektroskopie bei kryogenen Temperaturen zur Verfügung. Mit dieser wurden Einzelmoleküluntersuchungen an dem neu synthetisierten Farbstoff Terrylendiimid (TDI) durchgeführt. TDI ist kein reiner Kohlenwasserstoff, wie die bis dahin üblicherweise verwendeten Chromophore, und lässt sich durch seine Seitengruppen an andere Systeme anbinden. Er zeigt neben exzellenten Fluoreszenzeigenschaften die zur spektralen Selektion nötigen schmalen Absorptionslinien. Wegen seiner Struktur lässt sich TDI nicht in einen Kristall einlagern. Mit Polyethylen und Hexadecan wurden jedoch zwei Matrizen gefunden, die es erlauben, Fluoreszenzanregungsspektren von einzelnen Molekülen zu detektieren. In Hexadecan konnte bei Sättigungsuntersuchungen das theoretisch vorhergesagte Verhalten nachgewiesen werden. Dabei wurden Zählraten von fast 500 000 Counts pro Sekunde von einem einzelnen Molekül erreicht. Durch die Aufnahme und Auswertung der Fluoreszenzintensitäts-Autokorrelationsfunktion konnten die Populations- und Depopulationsraten der Triplett-Subniveaus bestimmt werden. Dabei wurde auch spektrale Diffusion der Moleküle beobachtet, die mit Hilfe von Two-Level Systems (TLS) erklärt werden konnte. Mit einem komplexen theoretischen Modell und aufwendigen numerischen Berechnungen konnte die bei 2,5 K auftretende Verteilung von Linienbreiten der beobachteten Moleküle simuliert werden. Damit konnte den beiden Matrizen über die Analyse ihrer TLS-Dichte ein unterschiedlicher Grad an Unordnung zugeordnet werden. In temperaturabhängigen Untersuchungen der Linienform konnte der Unterschied im Ordnungsgrad der Matrizen bestimmt werden. Ferner konnten die Theorie von Hsu und Skinner in der Tieftemperaturnäherung bestätigt werden und ein tieferer Einblick in die auftretende Dynamik gewonnen werden. In der Auswertung der temperaturabhängigen Linienverschiebung wurde erstmals der Einfluss von Matrixexpansion berücksichtigt und als unverzichtbar für eine gute Beschreibung des Systems erkannt. Parallel zu den ersten Experimenten wurde eine aktive Stabilisierung des Farbsto?asers aufgebaut. Damit konnte eine Verfälschung der Ergebnisse durch Laserdrift ausgeschlossen werden. Weitere Tieftemperaturuntersuchungen hatten die Beobachtung von Förster Energietransfer (oder FRET, Fluorescence Resonance Energy Transfer) an einem individuellen Donor-Akzeptor-Paar in seiner speziellen Konformation zum Ziel. Als Farbstoffmolekül stand ein Bichromophor aus Perylen und kovalent angebundenem TDI zur Verfügung. Obwohl beide Chromophore sich für Einzelmoleküluntersuchungen eignen und inzwischen schon mehrfach verwendet wurden, gelang es nicht, ein bezüglich Linienbreite und Frequenzposition identisches Fluoreszenzanregungsspektrum sowohl über Perylen-Fluoreszenz als auch über TDI-Fluoreszenz (nach Energietransfer) zu detektieren. Der Energietransferprozess scheint mit einem Linienverbreiterungsmechanismus verknüpft zu sein, so dass eine Beobachtung mit dem Aufbau in der Anfangsphase der Dissertation nicht möglich war. Eine Wiederaufnahme dieser Untersuchungen mit der neuen Apparatur ist zukünftigen Doktoranden vorbehalten. Um allgemein temperaturabhängige Untersuchungen an fluoreszierenden Molekülen durchführen zu können, wurde ein Tieftemperaturmikroskop aufgebaut. Dafür wurde die Rastertechnik gewählt. Um die bekannten Probleme des Probenscannens im Kryostaten, wie kleiner Scanbereich und fehlender Zugang im abgekühlten Zustand, zu vermeiden, wurde ein konfokales Laserscanning-Mikroskop entworfen und aufgebaut. Zur Strahlablenkung wurden zwei Galvanometerspiegel gewählt und der Drehpunkt über ein telezentrisches System in das Objektiv abgebildet, das gemeinsam mit der Probe im Kryostaten sitzt. Die Detektion des Fluoreszenzlichts wird von einer hochempfindlichen Avalanche-Photodiode mit geringer Dunkelzählrate übernommen. Die Funktion des Scanners und des gesamten optischen Aufbaus konnte an Testmustern und Testproben erfolgreich demonstriert werden. Einschränkend muss jedoch erwähnt werden, dass die erreichte DetektionseŽzienz die Erwartungen nicht erfüllte. Das liegt im Wesentlichen am Objektiv, aber auch an den Abbildungsfehlern und Reflexionen der zahlreichen Elemente im Strahlengang. Die maximal erreichten Zählraten lagen bei 50 000 Counts pro Sekunde am System Terrylen in Polyethylen. Für Systeme mit einer ausreichend hohen Fluoreszenzrate ist es mit dieser Apparatur möglich, Fluoreszenzbilder, Zeitspuren, spektral hochauflösende Fluoreszenzanregungsspektren, Fluoreszenzspektren und Fluoreszenzkorrelationsfunktionen von einzelnen Molekülen aufzunehmen, um damit spektrale und dynamische Eigenschaften der Moleküle zu bestimmen. Durch Variation der Temperatur können die Temperaturabhängigkeit der Messgrößen und Barrierenhöhen ermittelt werden. Mit der neuen Apparatur wurden Untersuchungen in zwei neuen Themenbereichenbegonnen, nämlich an einzelnen Sondenmolekülen in Nanoporen und an den fluoreszierenden Proteinen GFP (Grün Fluoreszierendes Protein) und PEC (Phycoerythrocyanin). Erste Fluoreszenzanregungsspektren einzelner Terrylen-Moleküle in den Kanalstrukturen von mesoporösen Systemen der M41S-Klasse konnten beobachtet werden. Dabei ist die hohe spektrale Auflösung von großem Vorteil bei der Untersuchung der spektralen Dynamik der Sondenmoleküle. Im Bereich biologischer Proben konnten einzelne Moleküle des Grün Fluoreszierenden Proteins isoliert beobachtet werden. Die Anzahl an Fluoreszenzphotonen pro Molekül, die vor dem ¨Ubergang in einen Dunkelzustand an diesem System detektiert werden konnten, war allerdings sehr gering. Deshalb wurden Untersuchungen an einzelnen Proteinen aus dem Lichtsammelkomplex von Cyanobakterien begonnen, die in einer laufenden Doktorarbeit von P. Zehetmayer fortgeführt werden. Bei den Proteinproben handelt sich um Untereinheiten von Phycoerythrocyanin: die ‹-Untereinheit und das Trimer bzw. Monomer, in denen offenkettige Tetrapyrrhol-Moleküle als Farbstoffe an die Proteinmatrix angebunden sind. Neben Fluoreszenzbildern und Zeitspuren konnten bereits Anregungsspektren detektiert werden, die starke spektrale Dynamik zeigen und weitere Untersuchungen herausfordern. Wesentliche Teile dieser Arbeit wurden bereits in internationalen Zeitschriften und auf Tagungen veröffentlicht. Eine Übersicht befindet sich am Ende unter Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge.

The bilin chromophores of the α or β subunit of C-phycocyanin (PC) from Mastigocladus laminosus were modified, and subsequently recombined with the respective complementary unmodified chromophores. The modifications consisted of photobleaching (350 nm) or reversible reduction of the verdin- to rubin-type chromophore(s). Recombination led to heterodimers (αβ)1, but the heterohexameric aggregation state (αβ)3 could not be obtained with the modified chromophores. Autoxidation of the reduced α-84 chromophore in such a hybrid, which occurred on standing under aerobic conditions, induced reaggregation to heterohexamers. Chemical re-oxidation of the reduced chromophores did not produce reaggregation, and it was not promoted by a 22 kDa linker peptide fragment (Gottschalk et al., Photochem. Photobiol., 54 (1991) 283), which in unmodified samples stabilized heterohexameric aggregates. Binding of the mercurial p-chloromercury-benzenesulphonate to the single free cysteine of PC near (approximately 0.4 nm) the β-84 chromophore had only a moderately destabilizing effect on the heterohexamer (αβ)3. It was concluded that the intact chromophore structure is an important factor determining the quaternary structure of biliproteins. The tendency of heterohexamer destabilization is related to the situation in phycoerythrocyanin, where photoisomerization of the violobilin chromophore of the α subunit near the heterodimer—heterodimer contact region is also responsible for aggregate destabilization (Siebzehnrübl et al., Photochem. Photobiol., 46 (1989) 753).

Phycoerythrocyanin or fractions enriched in it have been isolated from the filamentous cyanobacteria, Westiellopsis prolifica ARM 365 and Nostoc rivulare ARM 212. Both show the photoreversible photochromism (difference maxima at 503 and 570 nm) characteristic of this pigment, which is related to the phycoviolobilin chromophore on the α-subunit. Native phycoerythrocyanin and its β-subunit show little if any reversible photochemistry in the 600–620 nm region, where the phycocyanobilin chromophores absorb maximally. Instead the phycocyanobilin chromophores are bleached irreversibly. At the same time, the data show that reversible photochemistry is a useful analytical tool to detect phycoerythrocyanin in cyanobacterial extracts. Fluorescence measurements indicate that: (i) the 510 nm absorbing isomer of the violobilin chromophore has only little fluorescence; and (ii) the energy transfer from the violobilin chromophores to the cyanin chromophores is efficient only in the 570 nm form.

Wed, 1 Jan 1992 12:00:00 +0100 http://epub.ub.uni-muenchen.de/2416/ http://epub.ub.uni-muenchen.de/2416/1/2416.pdf Prenzel, C. J.; Brehm, G.; Gedeck, P.; Schneider, Siegfried; Scheer, Hugo Kiefer, W. H.; Cardona, M.; Schaack, G.; Schneider, F. W. und Schrötter, H. W. (Hrsg.) (1992): Effect of aggregation on chromophore structure in allophycocyanin studied by resonance CARS-spectroscopy. Thirteenth International Conference on Raman Spectroscopy, 31. August - 4. September 1992, Würzburg, Deutschland.

Fri, 1 Jan 1988 12:00:00 +0100 http://epub.ub.uni-muenchen.de/2229/ http://epub.ub.uni-muenchen.de/2229/1/2229.pdf Fischer, R.; Siebzehnrübl, S.; Scheer, Hugo Scheer, Hugo und Schneider, S. (Hrsg.) (1988): C-phycocyanin from Mastigocladus laminosus. Chromophore assignment in higher aggregates by cystein modification. Photosynthetic light-harvesting systems, 12. - 16. Oktober 1987 , Deutschland. Biologie

Thu, 1 Jan 1987 12:00:00 +0100 http://epub.ub.uni-muenchen.de/2227/ http://epub.ub.uni-muenchen.de/2227/1/2227.pdf Siebzehnrübl, S.; Fischer, R.; Scheer, Hugo Siebzehnrübl, S.; Fischer, R. und Scheer, Hugo (1987): Chromophore assignment in C-phycocyanin from Mastigocladus laminosus. In: Zeitschrift für Naturforschung C, Vol. 42c: pp. 258-262. Biologie

Sun, 1 Jan 1984 12:00:00 +0100 http://epub.ub.uni-muenchen.de/2167/ http://epub.ub.uni-muenchen.de/2167/1/2167.pdf Scheer, Hugo Scheer, Hugo (1984): Model compounds for the phytochrome chromophore. In: Smith, Harry (Hrsg.), Techniques in Photomorphogenesis. Academic Press: London u.a., pp. 227-256. Biologie

Mon, 1 Jan 1979 12:00:00 +0100 http://epub.ub.uni-muenchen.de/2817/ http://epub.ub.uni-muenchen.de/2817/1/2817.pdf Scheer, Hugo; Formanek, H.; Rüdiger, W. Scheer, Hugo; Formanek, H. und Rüdiger, W. (1979): Chromophore conformation in biliproteins. Ramachandran type calculations. In: Zeitschrift für Naturforschung C, Vol. 34c: pp. 1085-1093. Biologie

Sat, 1 Jan 1977 12:00:00 +0100 http://epub.ub.uni-muenchen.de/2575/ http://epub.ub.uni-muenchen.de/2575/1/2575.pdf Scheer, Hugo; Linsenmeier, U.; Krauss, Corinna Scheer, Hugo; Linsenmeier, U. und Krauss, Corinna (1977): Chemical and photochemical oxygenation of a phytochrome Pr chromophore model pigment to purpurins. In: Hoppe-Seyler's Zeitschrift für physiologische Chemie, Vol. 358: pp. 185-196.